超特高压输电工程线路直击导线的雷电流反演方法及系统技术领域
本发明属于电力系统中电网安全与防护应用领域，并且更具体地，涉及一种超特
高压输电工程线路直击导线的雷电流反演方法及系统。
背景技术
我国超特高压输电工程架空线路雷击跳闸是影响电力系统安全稳定运行的主要
原因。由于超特高压输电线路杆塔较高，遭受雷击的概率也较高，其雷击特性一直是研究热
点和解决雷电防护的关键。据此，中国电力科学研究院研究开发了“超特高压GIS/HGIS输电
工程架空线路故障识别定位系统”。该系统由安装在架空线路两端“GIS/HGIS变电站/开关
站过电压监测装置系统”和安装在架空线路杆塔上的“线路杆塔雷电监测装置系统”组成，
基于该系统能实现架空输电线路雷击电流监测和雷击故障识别功能。
目前，国内外知名科研机构均采用国际通用的先进的图形化电磁暂态计算程序
ATP-EMTP进行计算研究雷电侵入波过电压。但研究过程中，均是选定了雷电波的波形和幅
值、雷击点的位置，计算出变电站各设备上的最大过电压幅值，然后据此确定各设备的绝缘
水平和裕度。可见，其研究目的是为了变电站设备的绝缘配合。而本发明实现的目为根据变
电站实测的雷电过电压波形反推雷击点的位置、雷电的幅值和波头时间。解决这个问题，当
前并没有成熟的方法。
根据变电站雷电侵入波过电压仿真计算研究经验，变电站的运行方式和设备阻抗
参数、线路长度和阻抗参数、雷击点的位置、幅值和波头时间等均影响进入变电站的雷电侵
入波波形，而且有许多因素带来非线性的影响。如何考虑上述因素的影响，根据“GIS/HGIS
变电站/开关站过电压监测装置系统”实测的雷电过电压波形反推雷击点的位置、雷电的幅
值和波头时间，即提出易于实现的超特高压GIS/HGIS输电工程线路直击导线雷电流反演方
法，是本发明的目的。
发明内容
为了解决上述问题，根据本发明的一方面，提供一种超特高压输电工程线路直击
导线的雷电流反演方法，包括，
步骤1，针对实际线路建立波阻抗仿真模型；
步骤2，对所述实际线路进行波形和频率监测，判断所述实际线路中是否存在被雷
电直击的导线；
步骤3，当所述实际线路中存在被雷电直击的导线时，确定实际线路中被雷电直击
的导线的雷击点位置，并获取实际线路中的雷电流过电压波形；
步骤4，选定仿真雷电流的波头时间，根据所述仿真雷电流的波头时间计算仿真模
型中的雷电流过电压波形，其中实际线路中的雷电流过电压波形与仿真模型中的雷电流过
电压波形成正比，因此根据所述仿真模型中的雷电流过电压波形计算实际线路中的雷电流
波头时间；
步骤5，在实际线路中存在被雷电直击的导线时，确定实际线路是否出现跳闸；
步骤6，若实际线路未出现跳闸，则在仿真模型中与实际线路的雷击点相对应的位
置施加第一仿真雷电流值，计算仿真模型中雷电流过电压幅值，并将仿真模型中雷电流过
电压幅值与实际线路中雷电流过电压幅值进行对比；
步骤7，将仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线路中雷电流过电压幅值的差值
进行对比，根据对比结果对所述第一仿真雷电流值进行调整，每次调整一个调整电流值，并
将调整后的电流值作为第一仿真雷电流值，执行步骤6；当连续两个差值的乘积为负数时，
执行步骤10；
步骤8，若实际线路出现跳闸，则在仿真模型中与实际线路的雷击点相对应的位置
施加第二仿真雷电流值，计算仿真模型中雷电流过电压幅值，并将仿真模型中雷电流过电
压幅值与实际线路中雷电流过电压幅值进行对比；
步骤9，将仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线路中雷电流过电压幅值的差值
进行对比，根据对比结果对所述第二仿真雷电流值进行调整，每次调整一个调整电流值，并
将调整后的电流值作为第二仿真雷电流值，执行步骤8；当连续两个差值的乘积为负数时，
执行步骤10；
步骤10，确定仿真模型中雷电流过电压幅值的区间，其中实际线路中的雷电流过
电压波形与仿真模型中的雷电流过电压波形成正比，因此根据所述仿真模型中的雷电流过
电压幅值的区间计算实际线路中的雷电流幅值的区间。
优选地，所述仿真模型包括所述超特高压输电工程线路中的所有变电站/开关站
和待监测线路的仿真模型。
优选地，所述仿真模型的运行方式与实际线路一致，其中所述运行方式为出线回
数以及变压器运行数量。
优选地，所述仿真雷电流波头时间可以为1μs、2.6μs和5μs。
优选地，所述根据对比结果对所述第一仿真雷电流值进行调整为：
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值小于
零时，则增加所述第一仿真雷电流值；
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值大于
零时，则减小所述第一仿真雷电流值。
优选地，当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差
值等于零时，则不调整所述第一仿真雷电流值，并根据仿真模型中雷电流过电压的幅值计
算实际线路中雷电流幅值。
优选地，所述根据对比结果对所述第二仿真雷电流值进行调整为：
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值小于
零时，则增加所述第二仿真雷电流值；
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值大于
零时，则减小所述第二仿真雷电流值。
优选地，当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差
值等于零时，则不调整所述第二仿真雷电流值，并根据仿真模型中雷电流过电压的幅值计
算实际线路中雷电流幅值。
根据本发明的另一方面，提供一种超特高压输电工程线路直击导线的雷电流反演
系统，包括：
模型建立单元，用于根据实际线路建立波阻抗仿真模型；
监测单元，用于对实际线路进行波形和频率监测，以判断所述实际线路中是否存
在被雷电直击的导线；
定位单元，当所述实际线路中存在被雷电直击的导线时，确定实际线路中被雷电
直击的导线的雷击点位置，并获取实际线路中的雷电流过电压波形；
波头计算单元，选定仿真雷电流的波头时间，根据所述仿真雷电流的波头时间计
算仿真模型中的雷电流过电压波形，其中实际线路中的雷电流过电压波形与仿真模型中的
雷电流过电压波形成正比，因此根据所述仿真模型中的雷电流过电压波形计算实际线路中
的雷电流波头时间；
跳闸监控单元，在实际线路中存在被雷电直击的导线时，用于确定实际线路是否
出现跳闸；
仿真雷电流施加单元，根据跳闸监控单元的判断结果，在仿真模型中将与实际线
路的雷击点相对应的位置施加仿真雷电流值，并根据仿真模型中雷电流过电压幅值与实际
线路中雷电流过电压幅值的对比结果调整所述施加在仿真模型中的仿真雷电流值；
幅值计算单元，当连续两个仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线路中雷电流过
电压幅值的差值的乘积为负数时，根据所述仿真模型中的雷电流过电压幅值的区间计算实
际线路中的雷电流幅值的区间。
优选地，所述仿真模型包括所述超特高压输电工程线路中的所有变电站/开关站
和待监测线路的仿真模型。
优选地，所述仿真模型的运行方式与实际线路一致，其中所述运行方式为出线回
数以及变压器运行数量。
优选地，所述仿真雷电流波头时间可以为1μs、2.6μs和5μs。
优选地，所述跳闸监控单元的判断结果为实际线路未出现跳闸，则仿真雷电流施
加单元在仿真模型中与实际线路的雷击点相对应的位置施加第一仿真雷电流值；所述跳闸
监控单元的判断结果为实际线路出现跳闸，则仿真雷电流施加单元在仿真模型中与实际线
路的雷击点相对应的位置施加第二仿真雷电流值。
优选地，所述仿真雷电流施加单元对仿真雷电流进行调整时，每次调整一个调整
电流值。
优选地，所述根据对比结果对所述仿真雷电流值进行调整为：
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值小于
零时，则增加所述仿真雷电流值；
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值大于
零时，则减小所述仿真雷电流值。
优选地，当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差
值等于零时，则不调整所述第一仿真雷电流值，并根据仿真模型中雷电流过电压的幅值计
算实际线路中雷电流幅值。
本发明设计实现了一种超特高压输电工程线路直击导线的雷电流反演方法及系
统，通过建立仿真模型，完全模拟超特高压输电工程线路的实际运行情况，并在固定仿真模
型的波阻抗参数、运行方式、雷击位置之后，通过本发明中涉及的反演方法由仿真模型下的
仿真雷电流得出实际雷电流的波头时间和幅值。同时，根据实际线路中受到雷击后是否具
有跳闸情况，在仿真模型上施加不同大小的仿真雷电流，节省了判断的时间。
本发明中设计的反演方法易于操作实现，运算量低，且考虑到超特高压输电工程
线路下变电站的运行方式、设备参数、雷击位置、雷电流的波头时间和幅值等各方面信息，
可准确划定实际线路下雷电流参数，为后续工作日工便利。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施例的反演方法的流程图；
图2为根据本发明优选实施例的仿真雷电流调整方法流程图；以及
图3为根据本发明优选实施例的反演系统的结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形
式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开
本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示
例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附
图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有
通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其
相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施例的反演方法的流程图。如图1所示，本发明首先建立
仿真模型，完全模拟超特高压输电工程线路的实际运行情况，并在固定仿真模型的波阻抗
参数、运行方式、雷击位置之后，根据实际线路中受到雷击后是否具有跳闸情况，在仿真模
型上施加不同大小的仿真雷电流，得出实际雷电流的波头时间和幅值。
在步骤101中，针对实际线路建立波阻抗仿真模型。其中仿真模型包括所述超特高
压输电工程线路中的所有变电站/开关站和待监测线路的仿真模型，仿真模型的所有设备
参数均与实际线路中的设备参数相同，且仿真模型的运行方式与实际线路相同，主要包括
出线的回数以及变压器的实际运行数量。例如，某实际线路中实际运行的变压器数量为5
台，共包括7回出线，则其相对应的仿真模型的运行方式同样为5台变压器运行，7回出线。
在步骤102中，对所述实际线路进行波形和频率监测，判断所述实际线路中是否存
在被雷电直击的导线。在实际线路每条导线的两端均安装有监测单元，实时监测实际线路
导线两端的电压值，当雷击中某根导线时，会产生一个幅值较大的过电压值，当监测单元监
测到过电压波形时，则可以认为实际线路中存在导线被雷击中。
在步骤103中，当实际线路中存在被雷电直击的导线时，确定实际线路中被雷电直
击的导线的雷击点位置，并获取实际线路中的雷电流过电压波形。实际线路中导线的两端
还包括定位单元，当导线中某一点遭受雷击时，会产生过电压从雷击点向导线两端传输，定
位单元利用该过电压波形传输至导线两端的时间差，以及过电压在导线中的传输速度，计
算出导线上雷击点的位置。
在步骤104中，选定仿真模型下仿真雷电流的波头时间，根据仿真雷电流的波头时
间计算仿真模型中的雷电流过电压波形，其中实际线路中的雷电流过电压波形与仿真模型
中的雷电流过电压波形成正比，因此根据所述仿真模型中的雷电流过电压波形计算实际线
路中的雷电流波头时间。优选地，所述仿真雷电流波头时间可以为1μs、2.6μs和5μs，在进行
计算时，根据实际线路的实际情况选择仿真雷电流的波头时间。应当了解的是，在计算实际
线路中雷电流波头时间时，可以利用三点法的原理，根据实际情况计算雷电流的波头时间。
在步骤105中，在实际线路中存在被雷电直击的导线时，确定实际线路是否出现跳
闸。应当了解的是，当雷电击中导线时，雷电流值超过某一阈值的话，可能会造成跳闸现象，
所以当计算实际线路下击中导线的雷电流幅值，需根据跳着情况，施加不同大小的仿真雷
电流，以节省判断时间。当未出现跳闸情况时，进行步骤106；否则执行步骤10。
在步骤106中，在仿真模型中与实际线路的雷击点相对应的位置施加第一仿真雷
电流值，计算仿真模型中雷电流过电压幅值，并将仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线
路中雷电流过电压幅值进行对比，并继续执行步骤107。应当了解的是，第一仿真雷电流值
可以为20kA，或这根据实际线路的绝缘水平和现场工作人员的经验进行调整。
在步骤107中，将仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线路中雷电流过电压幅值
的差值进行对比，根据对比结果对所述第一仿真雷电流值进行调整，每次调整一个调整电
流值，并将调整后的电流值作为第一仿真雷电流值，执行步骤106。优选地，调整电流值为根
据实际线路的绝缘水平和运行情况确定的一个较小的电流值，通常可以为5kA或2kA，但不
仅限于以上两个电流值，可以根据实际情况进行调整。当连续两个差值的乘积为负数时，证
明实际线路中的雷电流过电压幅值已经落在两次仿真模型下的雷电流过电压幅值之间，此
时执行步骤110以计算实际线路下的雷电流幅值。
在步骤108中，在仿真模型中与实际线路的雷击点相对应的位置施加第二仿真雷
电流值，计算仿真模型中雷电流过电压幅值，并将仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线
路中雷电流过电压幅值进行对比，并继续执行步骤109。应当了解的是，第二仿真雷电流值
可以为30kA，或这根据实际线路的绝缘水平和现场工作人员的经验进行调整。
在步骤109中，将仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线路中雷电流过电压幅值
的差值进行对比，根据对比结果对所述第二仿真雷电流值进行调整，每次调整一个调整电
流值，并将调整后的电流值作为第二仿真雷电流值，执行步骤108。当连续两个差值的乘积
为负数时，证明实际线路中的雷电流过电压幅值已经落在两次仿真模型下的雷电流过电压
幅值之间，此时执行步骤110以计算实际线路下的雷电流幅值。
在步骤110中，确定仿真模型中雷电流过电压幅值的区间，其中实际线路中的雷电
流过电压波形与仿真模型中的雷电流过电压波形成正比，因此根据所述仿真模型中的雷电
流过电压幅值的区间计算实际线路中的雷电流幅值的区间。仿真模型中雷电流过电压幅值
的区间两端端点值的差的绝对值应该为调整电流值的大小。
图2为根据本发明优选实施例的仿真雷电流调整方法流程图。如图2所示，仿真雷
电流调整方法200从步骤201开始。在步骤201中，在仿真模型中与实际线路的雷击点相对应
的位置施加仿真雷电流值。应当了解的是，方法200同时适用于跳闸情况和未跳闸情况，所
以在描述时，统一使用仿真雷电流值进行表示。
在步骤202中，判断仿真模型中施加仿真雷电流之后，产生的仿真雷电流过电压的
幅值与实际线路中雷电流过电压幅值的差值是否大于零，当判定结果为差值大于零时，进
行步骤203，否则执行步骤205。
在步骤203中，继续判断连续两次差值的乘积是否为负数，若为负数，则直接进行
步骤208，否则继续执行步骤204。当连续两次的差值为负数时，则可以证明实际线路的雷电
流过电压幅值正好落在两次计算的仿真雷电流过电压幅值组成的区间内，则可以进行后续
计算。
在步骤204中，由于仿真雷电流过电压的幅值与实际线路中雷电流过电压幅值的
差值大于零，则在原有仿真雷电流的基础上减少一个调整电流值，并将得到的值作为新的
仿真雷电流值，重新执行步骤201，直到连续两次差值的乘积为负数。
在步骤205中，判断仿真模型中施加仿真雷电流之后，产生的仿真雷电流过电压的
幅值与实际线路中雷电流过电压幅值的差值是否小于零，当判定结果为差值小于零时，进
行步骤206，否则，证明仿真雷电流过电压的幅值与实际线路中雷电流过电压幅值相同，直
接执行步骤208。
在步骤206中，继续判断连续两次差值的乘积是否为负数，若为负数，则直接进行
步骤208，否则继续执行步骤207。当连续两次的差值为负数时，则可以证明实际线路的雷电
流过电压幅值正好落在两次计算的仿真雷电流过电压幅值组成的区间内，则可以进行后续
计算。
在步骤207中，由于仿真雷电流过电压的幅值与实际线路中雷电流过电压幅值的
差值小于零，则在原有仿真雷电流的基础上增加一个调整电流值，并将得到的值作为新的
仿真雷电流值，重新执行步骤201，直到连续两次差值的乘积为负数。
在步骤208中，根据仿真雷电流过电压幅值组成的区间或仿真雷电流过电压幅值，
计算实际线路中雷电流的幅值。
图3为根据本发明优选实施例的反演系统的结构图。反演系统300包括：模型建立
单元301、监测单元302、定位单元303、波头计算单元304、跳闸监控单元305、仿真雷电流施
加单元306以及幅值计算单元307。其中，
模型建立单元301用于根据实际线路建立波阻抗仿真模型；
监测单元302用于对实际线路进行波形和频率监测，以判断所述实际线路中是否
存在被雷电直击的导线；
定位单元303当所述实际线路中存在被雷电直击的导线时，确定实际线路中被雷
电直击的导线的雷击点位置，并获取实际线路中的雷电流过电压波形；
波头计算单元304用于选定仿真雷电流的波头时间，根据所述仿真雷电流的波头
时间计算仿真模型中的雷电流过电压波形，其中实际线路中的雷电流过电压波形与仿真模
型中的雷电流过电压波形成正比，因此根据所述仿真模型中的雷电流过电压波形计算实际
线路中的雷电流波头时间；
跳闸监控单元305在实际线路中存在被雷电直击的导线时，用于确定实际线路是
否出现跳闸；
仿真雷电流施加单元306根据跳闸监控单元的判断结果，在仿真模型中将与实际
线路的雷击点相对应的位置施加仿真雷电流值，并根据仿真模型中雷电流过电压幅值与实
际线路中雷电流过电压幅值的对比结果调整所述施加在仿真模型中的仿真雷电流值；
幅值计算单元307当连续两个仿真模型中雷电流过电压幅值与实际线路中雷电流
过电压幅值的差值的乘积为负数时，根据所述仿真模型中的雷电流过电压幅值的区间计算
实际线路中的雷电流幅值的区间。
优选地，所述仿真模型包括所述超特高压输电工程线路中的所有变电站/开关站
和待监测线路的仿真模型。
优选地，所述仿真模型的运行方式与实际线路一致，其中所述运行方式为出线回
数以及变压器运行数量。
优选地，所述仿真雷电流波头时间可以为1μs、2.6μs和5μs。
优选地，所述跳闸监控单元的判断结果为实际线路未出现跳闸，则仿真雷电流施
加单元在仿真模型中与实际线路的雷击点相对应的位置施加第一仿真雷电流值；所述跳闸
监控单元的判断结果为实际线路出现跳闸，则仿真雷电流施加单元在仿真模型中与实际线
路的雷击点相对应的位置施加第二仿真雷电流值。
优选地，所述仿真雷电流施加单元对仿真雷电流进行调整时，每次调整一个调整
电流值。
优选地，所述根据对比结果对所述仿真雷电流值进行调整为：
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值小于
零时，则增加所述仿真雷电流值；
当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差值大于
零时，则减小所述仿真雷电流值。
优选地，当仿真模型中雷电流过电压幅值减去实际线路中雷电流过电压幅值的差
值等于零时，则不调整所述第一仿真雷电流值，并根据仿真模型中雷电流过电压的幅值计
算实际线路中雷电流幅值。
本发明的优选实施例反演系统300与本发明的另一优选实施例反演方法100相对
应，在此不进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如
附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的
范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解
释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地
解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的
步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。