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pk10开户平台-超高压输电线感应雷与直击雷故障的识别

2019-11-07 15:03编辑:{象湖人家}人气:


  超高压输电线感应雷与直击雷故障的识别毕业设计 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究 1.1选题背景及其课题研究意 1.2小波变换在雷电故障分析中的应 2.1小波变换原 2.2.1连续小波变换的概念及性 2.2.3离散小波变换的概 2.3多分辨率分 11参考文 14超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究 小波变换在时域和频域内均有局部化功能,是电力暂态信号分析的强有力工具。本论文研究和描述小波分析理论,探讨了小波基的特性,为电 力系统常见暂态信号分析的小波基选择提供了依据。本论文利用Matlab 对一条500kV 输电线路系统建立仿真模型,在区别感应雷和直击雷输电线 路模型中,利用能量统计分析仿真结果数据;结果证明以上所选择判据的 正确性。 关键词:小波变换;小波基;多分辨率分析;Matlab 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究 ABSTACT Wavelet transform has location-resolve ability frequencydomain.It powerfultool process electricpower system transient signals.The wavelet analysis theory motherwavelets waveletanalysis theory motherwavelets discussed.Thebasis motherwavelet analysistransient signals commonseen powersystem provided.Simulations were done 500kVtransmission line.Simulation lightningstrike analysed usingenergy statistic;Simulation single-phasegrouding analysed usingenergy statistic.The correctness proposedchoices proved.Key words: Wavelet transform ;Motherwavelet; Multi-Resolution-Analysis; Matlab 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究 绪论1.1 选题背景及其课题研究意义 我国线路运行的大量统计数据表明,无论是高压还是超高压的输电线 路,雷害故障仍然占线]。输电线路的防雷保护 大体上经历了四个发展阶段:第一阶段(1930 年以前)是以防止感应雷为 主的阶段;第二阶段(1930~1950 年),以防止直击雷为主的阶段,也是 雷电参数得以系统归纳设计的时期;第三阶段(1950 年~1962 年左右) 是由美国OVEC-345kV 线路异常高的闪络率所引起的争论和对以前的防雷 计算方法和数据进行重新估价的时期;第四阶段(1962 年前后至今),为 模拟试验、现场实测、概率统计方法和计算机综合使用的阶段[2]。 当今计算机技术、人工智能技术和信息处理技术等的飞速发展,为电 力系统技术的更新换代奠定了良好的基础,也为新理论的研究及其应用提 供了保证。在信号处理、分析上,小波变换具有良好的时频局部化特性, 适合于分析和提取电力系统故障暂态过程所产生的非平稳、奇异性的信号 [3]。目前这些研究工作已经取得了一定的成果,但还有很多问题需要进一 步深入研究,这也正是将来论文研究工作的目的和意义所在。 1.2 小波变换在雷电故障分析中的应用 输电线路出现的雷电过电压有两种形式:雷击线路附近地面或线路 杆塔时由于电磁感应在导线上引起的过电压,称为感应雷过电压;雷直 接击于线路引起的过电压,称为直击雷过电压[4]。传统变换方法在信号分 析中存在着许多不足之处,这是小波变换方法的越来越受到人们重视的一 个重要原因。和小波变换相比,传统变换方法的局限性主要表现在对瞬态 和局部信号分量的分析上:瞬态信号只是在很短的间隔上是非零的有的是 高度局部性的[5],就像本论文所研究超高压输电线路上的感应雷与直击雷 的一样,它们对线路发出的干扰的都是一些瞬态或局部信号分量,这些瞬 态或局部信号分量和傅里叶变换的任何基函数都毫无相似之处,因而不能 由其变换系数紧密的表示,这就使傅里叶变换和其他传统的基于波的变换 在分析和压缩含有信号分量时性能不佳。虽然傅里叶变换能够将任何解析 函数甚至很窄的瞬态信号表示为正弦波之和,然而这靠若干正弦波的复杂 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究合才能形成一个在大部分区间上为零的函数,这虽然是使变换成为可 逆的有效方法,但却使函数的频谱与函数本身看起来截然不同[6]。 在注意到傅里叶变换的这些弱点后,Gabor 于1946 年提出了信号的时 -频局部化的分析方法,就是人们通常说的Gabor 变换,也称为加窗的傅里 叶变换。 信号f?t?的Gabor 变换定义如下: Wf?,? Rg?t?f?t?e?j?tdt (1-1) 式中,函数g?1 2?r2e2 被称为窗函数。变换被限定在窗口中进行,比起 在无限大空间的傅里叶变换有所进步,但是仍有局限性。作为一种多 分辨率分析方法,小波变换具有很好的时-频和空-频局部特性。小波变换 具有良好的时频域分辨特性、滤波特性和信号奇异度检测能力。利用小波 变换对故障时的高频暂态信号进行分析,不但可以检测到高频信号的发生, 而且可以检测到其发生的时间,以及信号奇异度的信息,为高频暂态信号 的特征提取提供了有力的手段。对小波变换在暂态保护中的应用进行深入 细致的研究将推动暂态保护的发展。接下来本论文着重介绍下有关小波变 换的一些知识。 小波分析基础理论及常用小波性质2.1 小波变换原理 Fourier(傅里叶)变换是小波变换的基础。与工程上普遍采用的加窗 Fourier 变换相比,两者之间的区别仅在于所加窗函数的不同。无论其窗函数 形状如何在Hilbert 空间(引入了内积的线性空间称为内积空间;一个完备 的内积空间称为Hilbert 空间)上,各种加窗Fourier 变换对于不同的频率, 其时频窗的宽度(时窗)和高度(频窗)是固定不变的,小波变换的窗函数却有 根据不同的观察频率而自适应变焦的优良性能[8]。因此,可利用小波变换 设计带通滤波器,当中心频率较高时,它具有较宽的频窗,从而可以包括 尽量多的故障高频信息;当中心频率较低时,它自动延展时窗而缩短频窗, 有效地排除了高频干扰的影响。由此可见,小波分析具有传统滤波器无法 比拟的优势。小波变换作为一种数据处理工具,具Fourier 变换无法比拟的 优越性。在信号处理中可以灵敏地检测故障,定位奇异 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究点,对微弱的信号进行精确的时频刻画,相比于短时Fourier 变换具有 计算量少、定位准确的优点。在高压输电线路的保护中,利用小波变换构 成的保护原理也具有很大的优越性[9]。小波变换也是一种信号分解思想, 只不过它是将信号分解为一个个频带信号的叠加,其中的低频部分作为信 号的近似,高频部分作为信号的细节。所谓的细节部分就是一组组小波分 量的叠加,也就是常说的小波级数。 2.2 连续小波变换及连续小波变换的离散化 小波变换的实质是将信号向一系列小波基上进行投影。小波变换分为 连续型和离散型,正交小波和双正交小波是离散小波变换的两种特殊情况。 离散小波变换理论主要建立在多分辨率分析的基础上,关键是如何构造正 交小波基[10]。 2.2.1 连续小波变换的概念及性质 将任意L2?R?空间中的函数f?t?在小波基下进行展开,称这种展开为 函f?t?的连续小波变换(Continuous Wavelet Transform,CWT)其表达式为: WT?a,?ff? R?t?(2-1)f?t?dt 式中:WTf?a,?为小波变换系数;尺度参数a;平移参数τ。连续小 波变换是一 种线 二进小波变换的概念 对于尺度及位移均离散变化的小波序列,若取离散栅格的a0?2,?0, 即相当于连续小波只在尺度上进行了二进制离散,而位移仍取连续变 化,称这类小波为二进小波,表示为: ?2k?t?,t2?k2?t? (2-2) 式中:尺度参数2k;平移参数τ。二进小波介于连续小波和离散小波 之间,它只是对尺度参量进行离散化,在时间域上的平移量仍保持着连续 的变化,所以二进小波变换具有连续小波变换的时移不变性,这个特点也 是离散小波所不具有 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究的,而且二进小波变换是一种超完备的、冗余的表达,其模极大值可 用来表示和重构信号,因此二进小波变换在电力系统中主要用于故障检测、 行波检测和识别 [11]。 2.2.3 离散小波变换的概念 在微机保护中实现小波分析,连续小波必须加以离散化,需要指出, 这一离散化是针对连续的尺度参数和平移参数的,而不是针对时间变量t 的。在离散变化中,总是限制尺度参数a 只取正值。当尺度及位移均作连 续变化时,可以理解必将产生一大堆数据,作实际应用时并不需要这么多 的数据,因此就产生了离散的思想[12]。将尺度作二进离散就得到二进小 波变换,同时也将信号的频带作了二进离散。当觉得二进离散数据量仍显 大时,同时将位移也作离散就得到了离散小波变换。 2.3 多分辨率分析 多分辨分析是小波分析的核心内容之一,也是本论文所运用的主要知 识。其系统和过程符合人类视觉和思维方式。多分辨分析(Muti-Resolution Analysis,MRA)的主要思想是将L2?R?按分辨率为?2?j?分解为一串嵌套子空 间序列?Vj?,再通过正交补的塔式分解,将L2?R?分解成一串正交小波子空 间序列?W?。然后将L?R?中的函数f?t?表示成一系列近似函数的逼近。其 中每一个近2 似函数都是f?t?在不同分辨率子空间上的投影,通过这些投影来研究和分析f?t?在不同子空间上的形态及特征。正因为用这种方法来分析和研 究函数,所以人们把它称为多分辨分析,多分辨率分析又称为多尺度分析 (Multi-Resolution Analysis)[13]。 L2?R?中的一个多分辨分析(MRA)是指其中满足如下条件的线性闭子 空间序列?Vj,j?Z? 1.单调性:Vj?Vj?1 22.逼近性:?Vj?0?,?Vj?L?R? j?Zj?Z 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究3.伸缩性:f?t?Vj?1?f?2t?Vj,j?Z 4.Riesz 基存在性:存在?V0,使?t?n?,n?Z?是V0 的Riesz 5.平移不变性:f?t?Vj?f?t?k2?j?Vj,j,k?Z其中:?t?称为该MRA 的尺度函数,并可以由尺度函数构成V0 准正交基。设?Vj,?为一多分辨分析,L2?R?中的一闭子空间Vj(尺度空间)可以 分解为其 子空间的正交和形式: Vj?Wj?1?Vj?1,j?Z (2-3) 式中:?L2?R?为尺度空间Vj 的尺度函数,而Wj 为小波函数?L2?R? 生成的小波空间。假如找到了这样的?t?,就找到了的规范正交小波基: (2-4)j.k?Z 多分辨率分析的意义正是在于它给出了获取正交小波基的一条途径。 多分辨分析能够以不同的层次显示信号的特征,它的实质就是把信号在一 系列不同层次的空间上进行分解的方法[14]。 鉴于以上有关小波变换的知识就可以对输电线路上雷电故障进行分 析,从而可以分辨出输电线路上感应雷与直击雷的差别,对超高压输电线 路的故障分析提供了很大的帮助。 输电线路感应雷和直击雷故障的具体分析发生输电线路直击雷时,关键在于识别出感应雷的暂态过程。然而, 简单地利用单一尺度上的能量难以可靠地将其识别。位置等因素有很大关 系,过渡电阻越大,该部分能量越小[15]。因此,必须结合高低频带上的 能量分布特征进行综合分析。本文对感应雷击仿真的方法就是直接在F 加一个控制源为雷电流的受控电流源,模拟故障性雷击的主要思路是考虑在上述雷击事件后立刻产生一个短路 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究故障,如图3-1 所示。同时,采用如式(3-1)标准双指数方程来模拟 雷电流。 i?io(e?at?e?bt) (3-1) 式中:i0 为某一固定电流值;a,b 为两个常数;t 为时间。 图3-1 控制源为雷电流的受控电流源 图3-2 500kV 输电线kV的高压输电线路。在仿真实验中, 以输电线km 处发生雷击故障为例。对于感应雷击取 10kA,而对于故障性雷击则取30kA,仿线ms 时,仿线kHz。仿线.2886mH/km; 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究C1=0.01291?F/km;C0=0.00523?F/km。电抗器参数:XL=1680mH; XN=434mH。用Matlab 中的小波分析分析仿真结果,一般用Matlab odel5进行数值计算,它在解决某些病态方程组时有较好的表现。对暂态信 号f?t?采用Db4 小波进行5 尺度分解,可以得到分析结果如图3-3、3-4 (a)雷电流波形(b)多分辨率分析结果 图3-3 感应性雷电流波形与小波分析结果 (a)雷电流波形 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究(b)多分辨率分析结果 图3-4 直击雷电流波形与小波分析结果 设对信号f?t?进行M 层分解,原信号的能量可分解为各尺度下子频带 的能量之和: ?f(t)dt?2? kc0(k)2?jkdj(k) (3-2) 各子频带能量为:n2 Ej? kdj(k) j=1,2,…,M (3-3) C0 为‘0’级尺度系数,dj 尺度下的小波系数,n为系数个数。 小波变换是在尺度空间上对电流和电压能量的划分,多尺度能量统计 分布能同时反映暂态电流或电压频率空间的能量分布特性信息,不同种类 的暂态信号,它们在时频分布上是有区别的,因此,多尺度能量统计分布 能从统计意义上反映不同暂态的特性,具有一定的特征提取能力[16]。 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究我们用能量统计法,对图3-3、图3-4 的多分辨率分析的结果进行能量 统计,由(3-3)式可得到某时间段内沿尺度分布的暂态信号能量和,对于 最后统计数据,建立表3-1 如下: 62 表3-1:暂态电流的能量分布 单位:*10A 在高频段上,虽然雷击输电线路时暂态电流附加分量所含的高频能量 比接地故障时的要高很多,但它受所注入的雷电流幅值影响很大,当雷电 流幅值减少时,它也将大为减少;而且仅利用高频能量也难以区分感应雷 和直击雷这两种情况 [17] 。在中低频部分(a5 的输出),尽管有故障发生时(包括直击雷和短 路故障) 的能量要远高于感应雷时的情况,但是其大小也跟过渡电阻、故障位 置等因素有很大关系,过渡电阻越大,该部分能量越小。因此,必须结合 高低频段上的能量分布特征进行综合分析。 通过上述对图3-3、3-4 和表3-1 的分析发现,在小波变换多分辨率分 析的基础上,提取暂态电流附加分量高、低频段上的能量比构成判据,可 实现输电线路非故障性雷击的识别。这里首先给出能量比k 的表达式: m?1Nidjm idjm为暂态电流附加分量在尺度j 上高频分量第m 个点的输出;iam 为暂态电流附 加分量的中低频分量第m 个点的输出;N 为所取时间段所对应的采样 点数。 显然,当发生感应雷击时,比值k 将较大,反之则较小。当高频能量 取?d1?d5?而中低频能量取a5 时,由表3-1 算出这两种情况的k 值分别 为:2.222 和0.02,可见它们的区分度是很明显的。因此,可以给出发生感 应雷击的判据为 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究kk0 (3-6) 式中:k0 为设定的门槛值,其大小跟高、低频能量所取的频率范围有 关。在实际计算中,只取次高频分量?d4?d5?进行计算。这是因为直击雷 时,由于绝缘子的闪络,雷电波必然会被截断为作用时间更短的截断波, 使其产生的暂态电流附加分量在最高频段上?d1?d3?的能量含量要比感应 雷击时的高,如果取这部分的能量进行计算将会降低判据的灵敏度。 仍以图3-2 所示系统为算例模型进行MATLAB 仿真计算。在仿真计算 中,考虑了不同条件下的雷击,考虑到雷电能够发生绕击和绝缘子闪络电 压这两个条件,对于感应雷击分别取15kA 和10kA,而对于直击雷则取30kA 和50kA。表3-2 列出了部分仿真结果,其中EH 表示?d4?d5?所对应的高频 能量,EL 表示a5 对应的低频能量。 表3-2 各种暂态过程所对应的k 从表3-2可见,在不同雷电参数下,各种暂态过程所对应的EH 和EL 值变化范围都很大,而且相互间存在交集,仅利用EH 或EL 值难以可靠区 分不同的暂态过程;而它们的比率k,尽管也会随条件的不同而发生变化, 但还是保持着明显的区分度:发生感应雷击时k 值都较大,最小值为1.848; 由此可见,所提出的判据能够有效、可靠地实现雷击的识别。根据以上的分析可知,利用高、低频段上的能量比作为指标,一方面 可以放大不同暂态过程间的差异,另一方面受雷电参数和故障条件的影响 也较小,可用于实现感应雷和直击雷二者暂态过程的可靠识别。 总结本论文就输电线路的雷电干扰问题进行全面、系统的研究,着重介绍 超高压输电线路暂态信号分析中小波基的选择与应用;全面、系统地研究 了输电线路的雷电干扰问题。分别对输电线路感应雷干扰和直击雷干扰的 暂态过程及其对暂态保护的影响进行详细的分析;在比较各自所具的暂态 特征的基础上,提出相应的识别判据;并对判据做出详细的理论推导和分 析;全面的介绍了小波变换原理及其应用,介绍了小波分析的多分辨分析, 并介绍了小波基的有关知识;研究中利用了Matlab 进行仿真计算,通过 Matlab 中的多分辨率分析对仿真结果分析;在比较各自的特征的基础上, 提出了相应的识别判据;并对判据及其性能做出详细的理论推导和分析, 最后验证了判据的有效性。 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究参考文献 [1]陈国庆 交流输电线路绕击仿真模型及同杆双回耐雷性能的研究: [博士学位论文] 重庆:重庆大学,2003 现代防雷技术成都:电子科技大学出版社,1997,1~21 基于小波分析的超高压输电线路无通信全线速动保护方案 中国电机工程学报,2001,21(6)9~14 小波变换数字算法及其在高压输电线保护中的应用 西安交通大学学报,2002,36(2)115~118 小波分析及其应用的研究现状和发展趋势淄博学 院学报(自然科学与工程版),2001,3(4)51~56 [6]彭玉华 小波变换与工程应用 北京:科学出版社,2005,13~44 [7]张国华,张文娟,薛鹏翔 小波分析与应用基础 西安:西北工业 大学出版社,2006,29~35 小波故障选线新原理中基于频谱分析的尺度选择山东大学学报,2003,33(2)152~157 电力系统暂态信号的小波分析方法及其在EHV输电线路暂 态保护中的应用研究:[博士学位论文] 成都:西南交通大学,2000 基于冗余表决的行波小波系数极大值极性法配电网接地故障选线]Leopoldo Angrisani,Pasquale Daponte,Mossimo D’Apuzzo.Wavelet network-based detection transients[J].IEEEtransactions measurement,2001,50(5):1425-1435.[12]Z Bo.Anew non-communication protection technique transmissionlinesIJ].IEEE Trans.on Power Delivery,1998.l3(4):1073-1078. 基于小波能谱的电力暂态信号分类识别方法.电网技术,2006,30(17)59~63 [14]王钢,李海锋,赵建仓,吴敏 基于小波多尺度分析的输电线路 直击雷暂态识 中国电机工程学报,2004,24(4)139~144 超高压输电线路雷电干扰故障识别的研究[15]丁广鑫 超高压长距离输电线路故障计算数学模型的建立:[硕士学 位论文] 哈尔滨:哈尔滨理工大学,2005 3/2接线高压输电线路的建模与仿真 基于小波变换模极大值原理和能量分布曲线的电力系统短期扰动分析 电网技术,2002,26(4)16~18 本论文是在导师的悉心指导下完成的。从研究方向的确定,到论文的撰写以及最后定稿的整个过程,都深深浸透着何老师的心血。何老师严谨的治 学态度,踏实的工作作风和乐观的生活态度都将令我受益终生。在此,向导 师致以衷心的感谢和深深的敬意!感谢信息学院的全体老师,他们为我的研 究工作和论文完成提供了良好的条件,提出的各种建议拓宽了我的研究思 路和视野。感谢本文中所参考文献的作者们。最后要感谢我的家人,正是他 们在精神上和物质上对我全力的支持和无尽的关怀,才使得我能在求学的 道路上一直坚持奋斗并取得今天的成绩。

(来源:象湖人在线)

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