1、 基于线路雷电流波形特征的雷击故障定位及雷电参数反演研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：吴昊指导教师：姚陈果教授专 业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二 O一四年五月Research on the Lightning Fault Location of Transmission Line and Parameters Inversion Method Based on the Lightning Current Waveform CharacteristicsA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulf
2、illment of the Requirement for theMasters Degree of EngineeringByWu HaoSupervised by Prof. Yao ChenguoSpecialty: Electrical EngineeringSchool of Electrical Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaMay, 2014 中文摘要摘 要输电线路延绵千里，线路走廊地形复杂多变。统计资料表明，我国由雷击引起的线路跳闸次数占运行总跳闸次数的 40%-70%，严重影响了电力系统的安全、可靠
3、、稳定运行。传统人工巡线方式查找雷击故障点费时费力，可能造成长时间的供电中断，给国民经济造成了极大损失。目前我国主要依据固定雷电参数进行防雷设计，缺少地形地貌、杆塔结构等因素的考虑，无法准确反映线路防雷性能。因此深入研究输电线路雷击定位、雷电波传播及参数反演技术可为电网差异化防雷设计、雷击事故快速修复、雷电预警等方面提供理论依据和研究基础。针对本课题组设计的非接触式雷电流在线监测系统独特测量方式，本文对传统线路故障测距单端法、双端法进行改进，建立了新型输电线路雷击定位方法。根据监测点处暂态电流初始行波到达时刻和极性确定线路雷击区间范围和折反射波来源，通过小波变换提取波头时刻，选择各雷击区间相应
4、公式进行定位计算。仿真和实例结果表明，该方法定位误差 0.5%，比传统测距精度更高；改进型双端法比改进型单端法定位误差更小，实用价值更高。在此研究基础上，提出了输电线路分布式雷击故障定位方法。首先基于初始行波极性差异对绕击未闪络、单相绕击闪络和单相反击三种雷击类型进行判断。其次，根据各监测点初始行波模极大值时刻和极性初步确定雷击区间。对于绕击情况，提出了基于行波时间窗口能量比值的闪络故障判据及雷击侧、闪络侧区分方法。通过小波包变换提取波头时刻，选择各雷击区间相应公式进行雷击点和闪络点定位计算。仿真结果表明，该算法比改进型定位方法计算精度更高。分别基于中心差分、前向和后向差分以及特征线的时域有限
5、差分改进算法建立了单相传输线模型，结合 EMTP-ATP和 Matlab软件仿真，比较分析了各算法优缺点。在时域中采用动态电容模拟冲击电晕，在频域中采用拉式变换模拟集肤效应，建立了综合影响因素下的非线性有损传输线模型，并通过仿真和实例对该算法准确性进行了验证。建立了综合影响因素下的非线性有损传输线反演模型，仿真结果表明，该算法可以较好地模拟首端激励波形，但电晕影响和集肤效应造成的波头幅值信息缺失难以通过算法恢复。针对工程实际应用，研究分析了不同雷击类型对应的杆塔分流特性，总结归纳了不同幅值、不同雷电流源对杆塔分流系数的影响规律。结合输电线路雷击定位结果，提出了雷击点处参数反演计算方法。关键词：
6、输电线路，雷击定位，行波理论，时域有限差分，参数反演I重庆大学硕士学位论文II英文摘要ABSTRACT Transmission line has the length of thousands of miles and complicated topography.According to the statistics data, the proportion of the power outage times caused bylightning strokes accounts for 40%-70% of the total in China, which seriously affe
7、ctsthe safety, reliability and stability of operation for power system. The traditional way tofind the lightning fault span artificially is time-consuming, which will cause outages insupply and economic losses. At present the lightning protection design is mainly basedon the fixed lightning paramete
8、rs without considering the influence of landform, towerstructure and others, which cannot accurately reflect its performance. Thus research onthe techniques of lightning location for transmission line, the lightning propagation andparameters inversion, can provide theoretical basis for the different
9、iated lightningprotection design, accident quick fix, lightning warning and others.Considering the special measurement of the non-contact lightning monitoringsystem designed by our research group, the traditional single-end and double-endmethods are improved and a novel lightning location method is
10、put forward. Thelightning range and sources of reflected waves can be determined according to thearrival time and the polarity of the first wave. By using wavelet transform thecorresponding arrival time can be extracted and the corresponding formula is chosen forcalculation. The simulation and field
11、 data show that the method with the error rate ofless than 0.5% is preciser than the traditional methods. The error rate of the improveddouble-end method is smaller than that of the improved single-end method. The formeris more suitable for the application.Based on the former study, a distributed li
12、ghtning fault location method is proposed.Firstly according to the transient current wave polarity differences of three phases, thetypes of lightning are recognized, such as shielding failure, lightning stroke to the towerand the ground wire. Then the lightning stroke range is determined by comparin
13、g themodulus maxima arrival time and the polarity of the signals. For the shielding failure,whether the flashover occurs or not is judged based on the time-window energy ratio ofthe traveling wave and the sides of lightning and flashover are distinguished. Combingwith wavelet packet transformation,
14、the arrival time of wave head is extracted forlocating points of lightning and flashover. The simulation results show the method hashigher precision than the improved methods.III重庆大学硕士学位论文The single phase transmission line model is established respectively based on thecentral difference, forward and
15、 backward difference and characteristic FDTD improvedmodels. Through EMTP-ATP and Matlab, the advantages and disadvantages of eachalgorithm are compared and analyzed. In the time domain, the dynamic capacity modelis adopted to simulate the corona effect. In the frequency domain, the skin effect isco
16、nsidered by using the Laplace transformation. The nonlinear lossy model oftransmission lines is established considering all the influence factors, which is provedby the simulation and field data.The nonlinear lossy inversion model of transmission lines is establishedconsidering all the influence fac
17、tors. The calculation results show that the method cansimulate the waveform of the excitation source well but the lack of head waveamplitude information caused by effects of corona and skin cannot be recovered. Tomeet the demands of the engineering application, the tower shunt effect consideringdiff
18、erent kinds of lightning are simulated and analyzed. The variation rule of the towershunt coefficient under different amplitudes and lightning current source models aresummarized.Combing the lightning fault location, the parameter inversion method ofthe lightning stroke point is put forward.Keywords
19、: Transmission line; lightning fault location; traveling wave method; finitedifference time domain method; parameter inversionIV目 录目 录中文摘要I英文摘要. III1 绪 论. 11.1 课题研究的背景、目的和意义 . 11.2 国内外研究发展及现状 . 11.2.1 雷电定位系统（LLS） . 11.2.2 输电线路故障测距 21.2.3 输电线路雷击故障定位 31.2.4 输电线路雷电传播特性及参数反演 51.3 本文的主要研究内容 . 61.4 本章小结 .
20、 62 改进型输电线路雷击定位方法 . 92.1 小波变换与奇异性检测基本原理 . 92.2 传统行波测距原理 . 102.2.1 A型测距法（单端法） 102.2.2 D型测距法（双端法） . 112.3 改进型雷击定位方法基本理论 . 122.3.1 三相线路相模变换 122.3.2 改进型单端法 132.3.3 改进型双端法 142.4 方法验证及分析 . 162.4.1 仿真模型的建立 162.4.2 改进型单端法算例分析 172.4.3 改进型双端法算例分析 192.4.4 误差分析 202.5 实例应用 . 212.5.1 实例 1 . 212.5.2 实例 2 . 222.5.3
21、 误差分析 242.6 本章小结 . 243 输电线路分布式雷击故障定位方法研究 25V重庆大学硕士学位论文3.1 小波包变换基本理论. 253.1.1 小波包基本理论 253.1.2 基于小波包能量谱的行波达到时刻提取 263.2 分布式雷击故障定位方法基本原理. 263.2.1 基于初始行波极性差异的雷击类型判别方法 283.2.2 输电线路雷击区间的判别方法 293.2.3 基于行波时间窗口能量比的闪络故障判别方法 313.2.4 雷击侧和闪络侧的识别方法 323.3 分布式雷击故障定位计算公式. 333.3.1 监测区内区段 333.3.2 监测区外区段 353.4 方法验证及分析.
22、363.4.1 内区段算例分析 363.4.2 外区段算例分析 373.4.3 误差分析 373.5 本章小结. 384 非线性有损传输线雷电波传播特性分析 394.1 传输线等效模型. 394.2 影响因素分析. 404.2.1 电晕影响及其等效模型 404.2.2 集肤效应及其等效模型 434.3 单相传输线雷电波传播模型. 454.3.1 基于中心差分的时域有限差分法模型 454.3.2 基于前向、后向差分的时域有限差分法模型 464.3.3 基于特征线的时域有限差分法模型 474.3.4 首末两端边界条件处理 484.3.5 算例分析 504.4 多相传输线系统雷电波传播模型. 534
23、.4.1 考虑电晕影响的单相线路传播模型 534.4.2 考虑电晕影响的多相线路传播模型 554.4.3 考虑集肤效应的多相线路传播模型 564.4.4 综合考虑电晕影响和集肤效应的多相线路传播模型 574.5 方法验证及分析. 584.5.1 不考虑电晕影响和集肤效应 58VI目 录4.5.2 综合考虑电晕影响和集肤效应 614.5.3 误差分析 644.6 本章小结 . 655 输电线路雷电参数反演算法研究 675.1传输线反演模型 675.1.1 考虑电晕影响的单相线路反演模型 675.1.2 综合考虑电晕影响和集肤效应的多相线路反演模型. 685.2 方法验证及分析 . 695.2.1
24、 不考虑电晕影响和集肤效应 695.2.2 综合考虑电晕影响和集肤效应 725.2.3 误差分析 765.3 不同雷击类型雷电参数反演计算方法 . 765.4 杆塔分流影响分析 . 785.4.1 传统杆塔分流系数 785.4.2 绕击闪络和反击情况下杆塔分流 795.5 本章小结 . 836 总结与展望 856.1 总结. 856.2 展望. 86致 谢. 87参考文献. 89附 录. 93A. 作者在攻读学位期间发表的 论文目录 93B. 作者在攻读硕士学位期间获 得的科技成果 93C. 作者在攻读硕士学位期间 参与的科研项目 93VII重庆大学硕士学位论文VIII1 绪 论1 绪论1.1
25、课题研究的背景、目的和意义雷击灾害会造成人员伤亡、电力系统故障和设备损毁，已成为阻碍电网安全可靠、持续运行的三大影响因素之一1。按雷击强度不同，可分为故障性雷击和非故障性雷击。故障性雷击将引起线路绝缘子串闪络导致线路故障跳闸。运行资料表明，我国由雷击线路引起的跳闸次数占总跳闸次数的 40%-70%，在山区、多雷区及土壤电阻率较高的地区，雷击线路引起的事故率更高2。非故障性雷击可能会引起线路保护误动，造成线路非故障性跳闸，对电网造成不必要的损失。输电线路故障中 90%95% 为闪络等瞬性故障，一般只会造成绝缘子局部损伤，并无明显烧伤痕迹3。输电线路延绵数千里，线路走廊地形复杂多变，采用传统人工寻
26、线方式查找雷击故障点费时费力。由于大部分瞬时故障发生在雷电、风雪等恶劣天气中，这也大大增加了工作难度。现有恢复运行经验表明，查找故障点所需时间占到故障后设备维护总时间的一半以上，由此可能会造成长时间供电中断，给国民经济造成严重损失。此外，我国现有电网防雷设计主要是根据固定雷电日、地闪密度等雷电参数进行，缺少杆塔结构等因素的考虑。从国内外运行经验来看，这种无差异化的防雷措施无法准确反映输电线路的防雷性能。因此，综合考虑线路特征和雷电参数，研究输电线路雷击定位和雷电参数反演技术，是实现差异化防雷保护工作中亟需解决的科学关键问题。通过开展上述研究工作，可快速、准确地查找输电线路雷击故障点，减小人员工
27、作量，缩短修复和排除电力故障时间，减少停电损失；得到雷击点处雷电流幅值、极性等信息，为线路防雷工作提供数据支持，为雷密区线路重点加强防雷保护措施提供理论依据。综上所述，本课题旨在针对实际高压架空线路，全面研究雷击故障定位及考虑多种影响因素下的雷电参数反演技术，对雷电定位系统监测结果进行标定，可为雷击事故快速修复、输电线路防雷设计、雷电预警等方面提供理论依据4，进一步提高电网可靠性指标，降低电网运行的维护成本，对实现差异化防雷和坚强智能电网的建设具有重要意义。1.2国内外研究发展及现状1.2.1雷电定位系统（LLS）雷电定位系统 LLS(Lightning Location System, LL
28、S)是20世纪 70年代由美国人首先提出并研制，后逐步在欧美各国得到广泛应用，现已成为电力系统研究雷电1重庆大学硕士学位论文活动最主要的技术手段之一5。常见的雷电定位技术主要有三种，分别为定向定位、时差定位及“ 定向+ 时差”综合定位。 定向定位技 术两个及以上的探测站根据接收的雷电电磁信号进行雷电方位角测定，然后根据三角定位原理计算出雷击点位置。该技术原理清晰、方法简单，且几乎不存在探测死区，但其测量精度易受电磁波传播途径及探测站周围环境影响，定位误差相对较大。 时差定位技 术该技术基于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)，根据电磁信号到达各探测站的时间
29、差来计算雷击位置。与定向定位技术相比，该方法定位精度要高出 5 倍以上，甚至接近一个数量级。该方法对各探测站的时钟同步性要求较高，对探测站周围环境要求相对较低，其定位误差主要取决于 GPS 误差和雷电电磁信号的传播延时。 综合定位技 术该技术目前应用最为广泛，是前两种技术的综合，可充分利用全部有效的测量数据，去除方向误差和无效时间数据，大大减小了定位误差。自 20 世纪 90 年代中期以来，国内广东、浙江、海南、湖北、湖南、河南、重庆等省市相继建立了各自的雷电定位系统网络，其中大多采用了综合定位技术6-7。多年来的运行经验及数据表明：中国使用的雷电定位系统已经达到了实用化的要求，雷击故障定位率
30、多在 50%80% 之间。从雷电定位误差分析可知，采用定向定位技术的系统误差一般都大于 3 km；而采用综 合定位技术，其理论误差为 500m，实测误差一般能保证在 13 km，但在实际环境下存在明显的地区差异，在地势平坦地区，其定位误差较小；在山区，其定位误差相对较大，主要原因是由于各地区雷电探测区域覆盖范围并不一致，地势条件若起伏较大也会影响定位精度。综上所述，采用雷电定位系统对输电线路雷击定位是可行和有效的，其定位精度能基本满足要求，但会受到定位模型、雷电判据、雷电波波形传播时延、GPS时钟同步性、探测站分布位置、地形地貌、气象条件等复杂因素的影响，因此其定位率和定位精度还有待进一步提高
31、。1.2.2输电线路故障测距故障测距的主要任务是当线路某处发生故障时，根据线路实测电流、电压等参数来计算出故障点位置。目前主要有阻抗法、故障分析法、神经网络测距法及行波法。阻抗法简单可靠，但会受到故障过渡电阻、线路不完全对称及电压、电流变换器误差等因素的影响，定位误差较大。故障分析法简单经济，随着电力系统调21 绪 论度自动化的迅速发展和微机故障录波器的开发应用，测距精度大大提高，但由于故障信息的局限性很难再取得突破性研究。神经网络测距法需考虑本端和对端系统等值电势、正负序等值阻抗变化、故障距离、故障过渡电阻变化等因素影响，计算量非常大，其实用化还有待研究。行波法利用高频故障暂态电流、电压行波
32、信号来进行故障测距。当输电线路发生故障后，故障点处将产生向线路两端母线传播的暂态电压和电流行波。经安装在两侧的行波测距装置获取行波信号后，通过包含速度与时间的计算公式求出故障点位置。20世纪 50年代初，科学家基于暂态行波在传递过程中波速不变的原理，提出了利用其进行故障测距的理论方法8。随着参数频变、相模变换等数值计算方面的新突破，基于暂态行波的输电线路故障测距理论得到了新发展。20世纪 90年代初，中国提出利用故障暂态电流进行线路故障测距，推动了现代行波故障测距的大力发展和商业化进程。电子技术计算机迅猛发展，高速采样芯片广泛应用，GPS 技术为实现数据同步采集创造了条件，加上小波变换理论的出
33、现更是凸显出行波故障测距巨大的优越性。由于行波法基本不受线路的故障位置、故障类型、线路长度、过渡电阻等因素的影响，极大地提高了测距精度，目前已在电力系统故障测距中得到广泛应用。国内外学者也展开了大量研究工作并取得了很多成果9-10 。国内，清华大学董新洲研究了故障行波理论及其在电力系统故障监测中的应用11 。长沙理工大学曾祥君则对面向整个电网的高精度行波测距理论进行研究，提出了基于小波包能量谱的电网故障行波定位方法，将线模中外观不明显、位置不宜准确确定的特征点，转化为小波包变换域能量时谱中的特征点，提高了故障起始点查找的准确度12。重庆大学廖瑞金和司马文霞在双端行波定位的基础上，提出了一种依赖
34、图的输电线路故障定位方法 13。广东电力科学研究院14采用分布式故障定位思想，即在输电线路上布置若干个故障电流信号检测装置(监测终端)，利用工频故障电流先确定故障区间，再通过区间内行波定位以提高定位精度。昆明理工大学束洪春15基于行波理论，选取折反射波头与初始行波波头的时间差及其波头极性作为样本属性建立人工神经网络模型，进行故障测距的初步判定和精确求解。国外，V. Faybisovich在频域中，建立了基于行波法的两 阶段修正模型进行故障定位16。F. V. Lopes则建立了基于 Park变换矩阵的行波故障定位方法，方法简单可行，对于噪声干扰和三相不平缓情况具有较好的自适应特性17 。1.2
35、.3输电线路雷击故障定位由于雷电流幅值大、频率高，仅用工频分流计算很难对雷击点进行准确定位。国内外电网实际运行经验表明，现有部分故障测距装置不仅能够对输电线路短路3重庆大学硕士学位论文故障点进行测距，而且还能够探测到线路上的雷击暂态行波，由此便引申出一种输电线路雷击定位新方法：利用行波法进行雷击定位。目前针对输电线路雷击故障定位的研究工作仍处于初期阶段，国内外学者采用行波法开展了相关研究工作。Dnio T. Silva18提出建立分布式雷电流监测系统，即在每级杆塔上安装一个或两个罗氏线圈进行雷电流信号的收集。通过雷电流大小和幅值进行故障点位置初步判断。该文仅提出了分布式监测的可能性，只能初步判
36、断雷击点处于某两个个杆塔段内，不能实现更为精确的定位且安装成本过大、实用性不强。在应用行波法进行雷击故障定位研究中，波头到达时刻、波速、波头识别（故障点反射波头与对端母线透射波头的识别）以及噪声干扰是影响定位精度的重要因素。 波头到达 时刻小波变换同时具备频域和时域局部性，可以分析信号局部化特征，很适合用于检测行波波头等突变信号。大量文献研究表明，基于小波变换的行波测距法测距准确度高，可靠性好11-12。 行波速度实际应用中往往采用人工设定法，根据实际经验将行波波速设定为一固定值，通常在0.936 c (11 kV)19 0.987 c (500 kV)20 ，其中c为光速，即2.8108 2
37、.96108m/s；或者根据线路已知参数，例如单位长度导线电感和电容值等进行计算。由于实际波速受到地形、气象条件、温度等因素的影响，并不是定值，因此选取固定波速进行计算会增大定位误差。四川大学肖先勇 21 基于双端行波法，建立了一个只包含距离和时间的方程组进行雷击点求解，可以消除了波速的不确定性带来的定位误差。但该方法缺少实测数据的证实，也没有对反击和绕击故障类型进行详细的讨论和区分。 波头识别综合运用小波变换模极大值法和波头极性可对折反射波头进行识别 22。进行波头识别。昆明理工大学束洪春23针对800kV直流 输电线路雷击点与闪络点不一致情况进行了研究。在根据线路两端电压始行行波的线模波头
38、幅值识别雷击侧和闪络侧的基础上，应用双端行波测距法结合折反射波头时间差对雷击点和闪络点进行定位。 噪声干扰四川大学肖先勇24提出首先建立雷击故障类型对应的隶属度函数，然后将含噪声信号经小波变换后的波头到达时刻进行组合计算，选取隶属度最小对应故障雷型的的定位公式进行计算。41 绪 论1.2.4输电线路雷电传播特性及参数反演关于输电线路雷电传播特性的仿真研究，大部分学者利用 EMTP-ATP 软件进行分析25-26。其 传输线模块考虑了集肤效应的影响，但该软件缺少电晕模型 27。因此 Gallagher和 Dudurych在 EMTP-ATP软件中采用分段 电路并联非线性支路的方法，即每隔一段传输
39、线模块后增加一个旁路非线性电容，来表示电晕影响 28。但该模型中动态电容仅为电压瞬时值的一次函数，电晕效应等效模型较为粗糙。对于输电线路传播特性的理论算法研究，通常采用多导体传输线模型进行分析计算。由于雷电波幅值大，频率高，因此传输线分布参数作用较为显著。理论方法主要分为全波分析法准静态分析法两大类 29。全波分析法对各场分量严格求解、计算结果精确，但当频率较高时，计算量大且步骤繁琐，求解非常困难。准静态分析法忽略了场的纵向分量，近似认为传输线仅传输横电磁波 (TransverseElectric and Magnetic, TEM)，避免了电磁场复杂计算，应用十分广泛。在准静态分析法中，通常
40、用一组时域（或频域）下的常微分方程（或偏微分方程）来描述多导体传输线的分布参数电路模型，并给定初始条件及边界条件进行方程求解。常用方法有以下几种： Bergeron法通过集中参数的数值方法进行传输线上的波过程计算。该法具有求解速度快、精度满足工程需求的优点，但无法获得线上任意点的电压电流波形。 时域有限差分法 (Finite Difference Time Domain, FDTD)时域有限差分法最早由 Yee30引入到电磁领域中，在高频电磁场的传输、散射、辐射、透入等问题中得到深入运用，不仅可以很好的解决瞬态电磁场计算问题，还可以直接模拟计算电磁波的传输，对于传输线上瞬态情况也能进行模拟。该
41、法采用一阶中心差分公式，对时域偏微分方程进行离散，并结合端部条件进行数值求解，简单直接，可获得线上任意点处电压、电流波形。文献 31结合该法和精细积分法，对传输线瞬态响应进行求解。 特征线法特征线法通常用于求解双曲型偏微分方程。对于无损传输线，该法在时域中进行模式分解；对于有损传输线，该法需对其结构和耦合方式进行简化处理。由于雷电流和雷电流具有高频率、高幅值的特性，因此雷电波在输电线路上的传播过程中，电晕、集肤效应以及多导线耦合会造成波形的强烈畸变和幅值的迅速衰减，因此在研究其在线路上的传播特性时，需要考虑以上因素的影响32-34。关于集肤效应对波过程影响的分析，研究方法已经较为成熟。通常将传
42、输线方程通过傅里叶变换或者拉普拉斯变换，并对频域中进行求解所获得的结果进行相应的逆变换以得到时域波形35。Naredo 等人采用基于特征性的有限差分法进行5重庆大学硕士学位论文了输电线路上雷电波传播特性的相关研究 36-37。将电晕影响转化为与电压相关的电容参数，从而在时域中考虑冲击电晕的影响。通过卷积计算将集肤效应转化到时域中进行求解，但同时也极大地增加了计算复杂度。目前对于输电线路雷电参数反演研究较少，其中大部分是针对雷电空间电磁场情况的反演分析。军械工程学院 38以三层电圆盘模型为基础，提出了基于地面电场监测数据的遗传算法 QA的雷云模型反演方法。T. A. Potapenko39利用改
43、进反演法计算了云层到接地极之间的三维空间电场分布情况。对于输电线路情况雷电参数的反演计算，西安交通大学 40对基于特征性的有限差分法进行改进，提出了考虑电晕情况下雷电参数反演算法。1.3本文的主要研究内容为了满足高压输电线路上防雷保护需求，本文基于非接触式雷电流在线监测系统开展雷击故障定位和雷电参数反演技术研究，主要内容分为以下四个方面： 改进型输电线 路雷击定位方法的研究结合工程实际需求，对传统线路故障行波测距法进行改进，建立新型不受波速影响的输电线路雷击定位方法。根据初始行波波头到达时刻和极性确定雷击范围，通过小波变换提取初始行波波头到达监测点的时刻并进行雷击点定位计算； 输电线路分布式雷
44、 击故障定位方法的研究针对非接触式雷电流在线监测系统独特测量方式，建立输电线路分布式雷击故障定位方法。从雷击故障产生机理角度出发，基于波形差异、行波能量等方法对雷击故障类型进行初步判别。研究分布式测距理论，采用小波包理论提取折反射波头时刻对雷击点和闪络点进行定位计算； 非线性有 损传输线上雷 电波传播特性的研究基于时域有限差分法建立单根非线性有损传输线模型，研究分析输电线路上冲击电晕和集肤效应对雷电波传播特性的影响并建立相应等效模型。考虑相间耦合作用，建立多相传输线系统非线性有损传输线模型； 输电线路雷 电参数反演算法的研究在传播特性研究基础上，建立单根线路和多相传输线系统的反演模型。考虑冲击
45、电晕和集肤效应影响，对反演模型进行改进。针对不同类型雷击情况，提出相应的雷电参数反演计算方法，结合雷击故障定位距离对雷击点处雷电流幅值等信息进行求解。1.4本章小结本章内容旨在说明开展输电线路雷击故障定位和雷电参数反演技术的研究意61 绪 论义。首先详细介绍了目前国内外在该领域相关的发展现状。目前，输电线路故障测距的相关研究已较为成熟，其中行波法在该领域应用十分广泛，但针对输电线路雷击故障定位的研究工作仍处于初期阶段。对于输电线路雷电参数反演的大部分也是针对雷电空间电磁场情况进行分析。在此基础上，提出了本课题主要研究内容。对传统线路故障测距行波方法进行改进，进一步研究分布式雷击故障定位理论方法
46、，分析雷电波在输电线路上传播特性的影响因素，建立雷电参数反演模型。结合这两部分研究内容，可对现有雷电定位系统测量结果进行标定，为电网差异化防雷提理论支持和数据基础。7重庆大学硕士学位论文82 改进型输电线路雷击电位方法2 改进型输电线路雷击定位方法传统输电线路行波故障测距方法发展至今，共分为 A 、B 、C、D 、E 和 F 六大类，根据故障产生行波物理性质的不同，可分为电流行波法与电压行波法；根据故障产生行波获取方式的不同，又可分为单端法与双端法。单端法是根据行波达到同一个监测点的时间差与波速、距离之间的对应关系进行求解，如 A 型、C 型、E 型和 F 型。双端法则是根据 GPS 等授时模
47、块确定行波到达不同监测点的对时间差进行故障定位，如 B 型和 D 型。其中，B 型和C型含有脉冲或信号发生器，需在故障后人为施加高频或直流信号。由于装置复杂且需要外加信号，因此在实际中很少使用。E型和 F型是利用故障后断路器的分闸和重合闸产生的暂态电流行波进行测距，受保护动作影响较大，对瞬态故障的检测能力不足，容易忽略掉隐患故障。由于 A型和 D型方法所需测量数据少且不需附加设备，因此目前故障测距研究主要集中在该两种方法上11。2.1小波变换与奇异性检测基本原理由于小波变换具有时频窗口的自适应性，因此在信号分析领域中得到了广泛应用。当函数 ( t)是 1个均 值为 0的平方可积空间的函数式，规
48、范化范数| |=1，则称 ( t)为基本小波或小波母函数。常 规小波变换是通过对满足一定条件的某一个母函数（小波基函数）作伸缩平移变换，生成一组基函数，成为布满整个平方可积函数空间的正交、斜交等，用以分解突变信号、暂态信号、非稳定信号等平方可积函数41。将任意平方可积空间中的平方可积函数 f(t)在母小波下展开为函数 f (t)的连续小波变换 Wf(t)，即：1 f (t) (t b)dt|a| Wf (a,b) (2.1)a其中：a为尺度因子（对应于频率信息）；b为平移因子（对应于时空信息）；*(t)为 ( t)的复共轭。若 a、b取离散值，a=a0k，b=nb0a0k (a01， b01)
49、，k、n取任意整数，即得到 f(t)的离散小波变换。多分辨率分析是小波时频分析的常用方法：在满足采样定理的情况下，利用一对镜像滤波器 h(n) 、g( n)对采样信号 x(n)进行二进频带划分，将信号分解为逼近部分和细节部分，如果将逼近部分进一步分解，如此重复就可得到任意尺度上的逼近部分和细节部分，分别对应有逼近系数 ej (n)和 细节系数 dj (n)。信号在第 j +1层分解尺度下如下所示：9重庆大学硕士学位论文ej1(n) h(k 2n)ej(k)k j 1,2, , J (2.2)d j1(n) g(k 2n)ej(k)k其中：h(n) 为 低通滤波器，g(n) 为高通滤波器，J为信号小波分解层数。随着 j的逐级增大，可得到不同尺度上的逼近系数和小波系数，尺度越高则频带越低。若函数在某处间断或某阶导数不连续，则称函数在该处具有奇异性。信号的奇异性检测通常采用平滑函数的一阶导数作为小波函数，高斯函数和三次 B 样
