超特高壓輸電工程線路直擊導線的雷電流反演方法及系統與流程

2023-05-28 11:30:46 3

本發明屬於電力系統中電網安全與防護應用領域，並且更具體地，涉及一種超特高壓輸電工程線路直擊導線的雷電流反演方法及系統。

背景技術：

我國超特高壓輸電工程架空線路雷擊跳閘是影響電力系統安全穩定運行的主要原因。由於超特高壓輸電線路杆塔較高，遭受雷擊的概率也較高，其雷擊特性一直是研究熱點和解決雷電防護的關鍵。據此，中國電力科學研究院研究開發了「超特高壓GIS/HGIS輸電工程架空線路故障識別定位系統」。該系統由安裝在架空線路兩端「GIS/HGIS變電站/開關站過電壓監測裝置系統」和安裝在架空線路杆塔上的「線路杆塔雷電監測裝置系統」組成，基於該系統能實現架空輸電線路雷擊電流監測和雷擊故障識別功能。

目前，國內外知名科研機構均採用國際通用的先進的圖形化電磁暫態計算程序ATP-EMTP進行計算研究雷電侵入波過電壓。但研究過程中，均是選定了雷電波的波形和幅值、雷擊點的位置，計算出變電站各設備上的最大過電壓幅值，然後據此確定各設備的絕緣水平和裕度。可見，其研究目的是為了變電站設備的絕緣配合。而本發明實現的目為根據變電站實測的雷電過電壓波形反推雷擊點的位置、雷電的幅值和波頭時間。解決這個問題，當前並沒有成熟的方法。

根據變電站雷電侵入波過電壓仿真計算研究經驗，變電站的運行方式和設備阻抗參數、線路長度和阻抗參數、雷擊點的位置、幅值和波頭時間等均影響進入變電站的雷電侵入波波形，而且有許多因素帶來非線性的影響。如何考慮上述因素的影響，根據「GIS/HGIS變電站/開關站過電壓監測裝置系統」實測的雷電過電壓波形反推雷擊點的位置、雷電的幅值和波頭時間，即提出易於實現的超特高壓GIS/HGIS輸電工程線路直擊導線雷電流反演方法，是本發明的目的。

技術實現要素：

為了解決上述問題，根據本發明的一方面，提供一種超特高壓輸電工程線路直擊導線的雷電流反演方法，包括，

步驟1，針對實際線路建立波阻抗仿真模型；

步驟2，對所述實際線路進行波形和頻率監測，判斷所述實際線路中是否存在被雷電直擊的導線；

步驟3，當所述實際線路中存在被雷電直擊的導線時，確定實際線路中被雷電直擊的導線的雷擊點位置，並獲取實際線路中的雷電流過電壓波形；

步驟4，選定仿真雷電流的波頭時間，根據所述仿真雷電流的波頭時間計算仿真模型中的雷電流過電壓波形，其中實際線路中的雷電流過電壓波形與仿真模型中的雷電流過電壓波形成正比，因此根據所述仿真模型中的雷電流過電壓波形計算實際線路中的雷電流波頭時間；

步驟5，在實際線路中存在被雷電直擊的導線時，確定實際線路是否出現跳閘；

步驟6，若實際線路未出現跳閘，則在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第一仿真雷電流值，計算仿真模型中雷電流過電壓幅值，並將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值進行對比；

步驟7，將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值進行對比，根據對比結果對所述第一仿真雷電流值進行調整，每次調整一個調整電流值，並將調整後的電流值作為第一仿真雷電流值，執行步驟6；當連續兩個差值的乘積為負數時，執行步驟10；

步驟8，若實際線路出現跳閘，則在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第二仿真雷電流值，計算仿真模型中雷電流過電壓幅值，並將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值進行對比；

步驟9，將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值進行對比，根據對比結果對所述第二仿真雷電流值進行調整，每次調整一個調整電流值，並將調整後的電流值作為第二仿真雷電流值，執行步驟8；當連續兩個差值的乘積為負數時，執行步驟10；

步驟10，確定仿真模型中雷電流過電壓幅值的區間，其中實際線路中的雷電流過電壓波形與仿真模型中的雷電流過電壓波形成正比，因此根據所述仿真模型中的雷電流過電壓幅值的區間計算實際線路中的雷電流幅值的區間。

優選地，所述仿真模型包括所述超特高壓輸電工程線路中的所有變電站/開關站和待監測線路的仿真模型。

優選地，所述仿真模型的運行方式與實際線路一致，其中所述運行方式為出線回數以及變壓器運行數量。

優選地，所述仿真雷電流波頭時間可以為1μs、2.6μs和5μs。

優選地，所述根據對比結果對所述第一仿真雷電流值進行調整為：

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值小於零時，則增加所述第一仿真雷電流值；

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值大於零時，則減小所述第一仿真雷電流值。

優選地，當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值等於零時，則不調整所述第一仿真雷電流值，並根據仿真模型中雷電流過電壓的幅值計算實際線路中雷電流幅值。

優選地，所述根據對比結果對所述第二仿真雷電流值進行調整為：

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值小於零時，則增加所述第二仿真雷電流值；

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值大於零時，則減小所述第二仿真雷電流值。

優選地，當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值等於零時，則不調整所述第二仿真雷電流值，並根據仿真模型中雷電流過電壓的幅值計算實際線路中雷電流幅值。

根據本發明的另一方面，提供一種超特高壓輸電工程線路直擊導線的雷電流反演系統，包括：

模型建立單元，用於根據實際線路建立波阻抗仿真模型；

監測單元，用於對實際線路進行波形和頻率監測，以判斷所述實際線路中是否存在被雷電直擊的導線；

定位單元，當所述實際線路中存在被雷電直擊的導線時，確定實際線路中被雷電直擊的導線的雷擊點位置，並獲取實際線路中的雷電流過電壓波形；

波頭計算單元，選定仿真雷電流的波頭時間，根據所述仿真雷電流的波頭時間計算仿真模型中的雷電流過電壓波形，其中實際線路中的雷電流過電壓波形與仿真模型中的雷電流過電壓波形成正比，因此根據所述仿真模型中的雷電流過電壓波形計算實際線路中的雷電流波頭時間；

跳閘監控單元，在實際線路中存在被雷電直擊的導線時，用於確定實際線路是否出現跳閘；

仿真雷電流施加單元，根據跳閘監控單元的判斷結果，在仿真模型中將與實際線路的雷擊點相對應的位置施加仿真雷電流值，並根據仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的對比結果調整所述施加在仿真模型中的仿真雷電流值；

幅值計算單元，當連續兩個仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值的乘積為負數時，根據所述仿真模型中的雷電流過電壓幅值的區間計算實際線路中的雷電流幅值的區間。

優選地，所述仿真模型包括所述超特高壓輸電工程線路中的所有變電站/開關站和待監測線路的仿真模型。

優選地，所述仿真模型的運行方式與實際線路一致，其中所述運行方式為出線回數以及變壓器運行數量。

優選地，所述仿真雷電流波頭時間可以為1μs、2.6μs和5μs。

優選地，所述跳閘監控單元的判斷結果為實際線路未出現跳閘，則仿真雷電流施加單元在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第一仿真雷電流值；所述跳閘監控單元的判斷結果為實際線路出現跳閘，則仿真雷電流施加單元在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第二仿真雷電流值。

優選地，所述仿真雷電流施加單元對仿真雷電流進行調整時，每次調整一個調整電流值。

優選地，所述根據對比結果對所述仿真雷電流值進行調整為：

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值小於零時，則增加所述仿真雷電流值；

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值大於零時，則減小所述仿真雷電流值。

優選地，當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值等於零時，則不調整所述第一仿真雷電流值，並根據仿真模型中雷電流過電壓的幅值計算實際線路中雷電流幅值。

本發明設計實現了一種超特高壓輸電工程線路直擊導線的雷電流反演方法及系統，通過建立仿真模型，完全模擬超特高壓輸電工程線路的實際運行情況，並在固定仿真模型的波阻抗參數、運行方式、雷擊位置之後，通過本發明中涉及的反演方法由仿真模型下的仿真雷電流得出實際雷電流的波頭時間和幅值。同時，根據實際線路中受到雷擊後是否具有跳閘情況，在仿真模型上施加不同大小的仿真雷電流，節省了判斷的時間。

本發明中設計的反演方法易於操作實現，運算量低，且考慮到超特高壓輸電工程線路下變電站的運行方式、設備參數、雷擊位置、雷電流的波頭時間和幅值等各方面信息，可準確劃定實際線路下雷電流參數，為後續工作日工便利。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發明的示例性實施方式：

圖1為根據本發明優選實施例的反演方法的流程圖；

圖2為根據本發明優選實施例的仿真雷電流調整方法流程圖；以及

圖3為根據本發明優選實施例的反演系統的結構圖。

具體實施方式

現在參考附圖介紹本發明的示例性實施方式，然而，本發明可以用許多不同的形式來實施，並且不局限於此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發明，並且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發明的範圍。對於表示在附圖中的示例性實施方式中的術語並不是對本發明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。

除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過於正式的意義。

圖1為根據本發明優選實施例的反演方法的流程圖。如圖1所示，本發明首先建立仿真模型，完全模擬超特高壓輸電工程線路的實際運行情況，並在固定仿真模型的波阻抗參數、運行方式、雷擊位置之後，根據實際線路中受到雷擊後是否具有跳閘情況，在仿真模型上施加不同大小的仿真雷電流，得出實際雷電流的波頭時間和幅值。

在步驟101中，針對實際線路建立波阻抗仿真模型。其中仿真模型包括所述超特高壓輸電工程線路中的所有變電站/開關站和待監測線路的仿真模型，仿真模型的所有設備參數均與實際線路中的設備參數相同，且仿真模型的運行方式與實際線路相同，主要包括出線的回數以及變壓器的實際運行數量。例如，某實際線路中實際運行的變壓器數量為5臺，共包括7回出線，則其相對應的仿真模型的運行方式同樣為5臺變壓器運行，7回出線。

在步驟102中，對所述實際線路進行波形和頻率監測，判斷所述實際線路中是否存在被雷電直擊的導線。在實際線路每條導線的兩端均安裝有監測單元，實時監測實際線路導線兩端的電壓值，當雷擊中某根導線時，會產生一個幅值較大的過電壓值，當監測單元監測到過電壓波形時，則可以認為實際線路中存在導線被雷擊中。

在步驟103中，當實際線路中存在被雷電直擊的導線時，確定實際線路中被雷電直擊的導線的雷擊點位置，並獲取實際線路中的雷電流過電壓波形。實際線路中導線的兩端還包括定位單元，當導線中某一點遭受雷擊時，會產生過電壓從雷擊點嚮導線兩端傳輸，定位單元利用該過電壓波形傳輸至導線兩端的時間差，以及過電壓在導線中的傳輸速度，計算出導線上雷擊點的位置。

在步驟104中，選定仿真模型下仿真雷電流的波頭時間，根據仿真雷電流的波頭時間計算仿真模型中的雷電流過電壓波形，其中實際線路中的雷電流過電壓波形與仿真模型中的雷電流過電壓波形成正比，因此根據所述仿真模型中的雷電流過電壓波形計算實際線路中的雷電流波頭時間。優選地，所述仿真雷電流波頭時間可以為1μs、2.6μs和5μs，在進行計算時，根據實際線路的實際情況選擇仿真雷電流的波頭時間。應當了解的是，在計算實際線路中雷電流波頭時間時，可以利用三點法的原理，根據實際情況計算雷電流的波頭時間。

在步驟105中，在實際線路中存在被雷電直擊的導線時，確定實際線路是否出現跳閘。應當了解的是，當雷電擊中導線時，雷電流值超過某一閾值的話，可能會造成跳閘現象，所以當計算實際線路下擊中導線的雷電流幅值，需根據跳著情況，施加不同大小的仿真雷電流，以節省判斷時間。當未出現跳閘情況時，進行步驟106；否則執行步驟10。

在步驟106中，在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第一仿真雷電流值，計算仿真模型中雷電流過電壓幅值，並將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值進行對比，並繼續執行步驟107。應當了解的是，第一仿真雷電流值可以為20kA，或這根據實際線路的絕緣水平和現場工作人員的經驗進行調整。

在步驟107中，將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值進行對比，根據對比結果對所述第一仿真雷電流值進行調整，每次調整一個調整電流值，並將調整後的電流值作為第一仿真雷電流值，執行步驟106。優選地，調整電流值為根據實際線路的絕緣水平和運行情況確定的一個較小的電流值，通常可以為5kA或2kA，但不僅限於以上兩個電流值，可以根據實際情況進行調整。當連續兩個差值的乘積為負數時，證明實際線路中的雷電流過電壓幅值已經落在兩次仿真模型下的雷電流過電壓幅值之間，此時執行步驟110以計算實際線路下的雷電流幅值。

在步驟108中，在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第二仿真雷電流值，計算仿真模型中雷電流過電壓幅值，並將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值進行對比，並繼續執行步驟109。應當了解的是，第二仿真雷電流值可以為30kA，或這根據實際線路的絕緣水平和現場工作人員的經驗進行調整。

在步驟109中，將仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值進行對比，根據對比結果對所述第二仿真雷電流值進行調整，每次調整一個調整電流值，並將調整後的電流值作為第二仿真雷電流值，執行步驟108。當連續兩個差值的乘積為負數時，證明實際線路中的雷電流過電壓幅值已經落在兩次仿真模型下的雷電流過電壓幅值之間，此時執行步驟110以計算實際線路下的雷電流幅值。

在步驟110中，確定仿真模型中雷電流過電壓幅值的區間，其中實際線路中的雷電流過電壓波形與仿真模型中的雷電流過電壓波形成正比，因此根據所述仿真模型中的雷電流過電壓幅值的區間計算實際線路中的雷電流幅值的區間。仿真模型中雷電流過電壓幅值的區間兩端端點值的差的絕對值應該為調整電流值的大小。

圖2為根據本發明優選實施例的仿真雷電流調整方法流程圖。如圖2所示，仿真雷電流調整方法200從步驟201開始。在步驟201中，在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加仿真雷電流值。應當了解的是，方法200同時適用於跳閘情況和未跳閘情況，所以在描述時，統一使用仿真雷電流值進行表示。

在步驟202中，判斷仿真模型中施加仿真雷電流之後，產生的仿真雷電流過電壓的幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值是否大於零，當判定結果為差值大於零時，進行步驟203，否則執行步驟205。

在步驟203中，繼續判斷連續兩次差值的乘積是否為負數，若為負數，則直接進行步驟208，否則繼續執行步驟204。當連續兩次的差值為負數時，則可以證明實際線路的雷電流過電壓幅值正好落在兩次計算的仿真雷電流過電壓幅值組成的區間內，則可以進行後續計算。

在步驟204中，由於仿真雷電流過電壓的幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值大於零，則在原有仿真雷電流的基礎上減少一個調整電流值，並將得到的值作為新的仿真雷電流值，重新執行步驟201，直到連續兩次差值的乘積為負數。

在步驟205中，判斷仿真模型中施加仿真雷電流之後，產生的仿真雷電流過電壓的幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值是否小於零，當判定結果為差值小於零時，進行步驟206，否則，證明仿真雷電流過電壓的幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值相同，直接執行步驟208。

在步驟206中，繼續判斷連續兩次差值的乘積是否為負數，若為負數，則直接進行步驟208，否則繼續執行步驟207。當連續兩次的差值為負數時，則可以證明實際線路的雷電流過電壓幅值正好落在兩次計算的仿真雷電流過電壓幅值組成的區間內，則可以進行後續計算。

在步驟207中，由於仿真雷電流過電壓的幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值小於零，則在原有仿真雷電流的基礎上增加一個調整電流值，並將得到的值作為新的仿真雷電流值，重新執行步驟201，直到連續兩次差值的乘積為負數。

在步驟208中，根據仿真雷電流過電壓幅值組成的區間或仿真雷電流過電壓幅值，計算實際線路中雷電流的幅值。

圖3為根據本發明優選實施例的反演系統的結構圖。反演系統300包括：模型建立單元301、監測單元302、定位單元303、波頭計算單元304、跳閘監控單元305、仿真雷電流施加單元306以及幅值計算單元307。其中，

模型建立單元301用於根據實際線路建立波阻抗仿真模型；

監測單元302用於對實際線路進行波形和頻率監測，以判斷所述實際線路中是否存在被雷電直擊的導線；

定位單元303當所述實際線路中存在被雷電直擊的導線時，確定實際線路中被雷電直擊的導線的雷擊點位置，並獲取實際線路中的雷電流過電壓波形；

波頭計算單元304用於選定仿真雷電流的波頭時間，根據所述仿真雷電流的波頭時間計算仿真模型中的雷電流過電壓波形，其中實際線路中的雷電流過電壓波形與仿真模型中的雷電流過電壓波形成正比，因此根據所述仿真模型中的雷電流過電壓波形計算實際線路中的雷電流波頭時間；

跳閘監控單元305在實際線路中存在被雷電直擊的導線時，用於確定實際線路是否出現跳閘；

仿真雷電流施加單元306根據跳閘監控單元的判斷結果，在仿真模型中將與實際線路的雷擊點相對應的位置施加仿真雷電流值，並根據仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的對比結果調整所述施加在仿真模型中的仿真雷電流值；

幅值計算單元307當連續兩個仿真模型中雷電流過電壓幅值與實際線路中雷電流過電壓幅值的差值的乘積為負數時，根據所述仿真模型中的雷電流過電壓幅值的區間計算實際線路中的雷電流幅值的區間。

優選地，所述仿真模型包括所述超特高壓輸電工程線路中的所有變電站/開關站和待監測線路的仿真模型。

優選地，所述仿真模型的運行方式與實際線路一致，其中所述運行方式為出線回數以及變壓器運行數量。

優選地，所述仿真雷電流波頭時間可以為1μs、2.6μs和5μs。

優選地，所述跳閘監控單元的判斷結果為實際線路未出現跳閘，則仿真雷電流施加單元在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第一仿真雷電流值；所述跳閘監控單元的判斷結果為實際線路出現跳閘，則仿真雷電流施加單元在仿真模型中與實際線路的雷擊點相對應的位置施加第二仿真雷電流值。

優選地，所述仿真雷電流施加單元對仿真雷電流進行調整時，每次調整一個調整電流值。

優選地，所述根據對比結果對所述仿真雷電流值進行調整為：

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值小於零時，則增加所述仿真雷電流值；

當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值大於零時，則減小所述仿真雷電流值。

優選地，當仿真模型中雷電流過電壓幅值減去實際線路中雷電流過電壓幅值的差值等於零時，則不調整所述第一仿真雷電流值，並根據仿真模型中雷電流過電壓的幅值計算實際線路中雷電流幅值。

本發明的優選實施例反演系統300與本發明的另一優選實施例反演方法100相對應，在此不進行贅述。

已經通過參考少量實施方式描述了本發明。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本發明以上公開的其他的實施例等同地落在本發明的範圍內。

通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考「一個/所述/該[裝置、組件等]」都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這裡公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。