王瀚杰，黃棋悅，夏冰冰

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800）

0 引言

智能變電站在數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，采用先進(jìn)、可靠、集成和環(huán)保的智能設(shè)備，利用信息的數(shù)字化、通信的網(wǎng)絡(luò)化、信息的標(biāo)準(zhǔn)化，能夠自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和檢測[1]。同時，能夠根據(jù)需求實現(xiàn)電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析、協(xié)同互動等多個功能，是堅強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)中實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化和控制的核心平臺之一，代表了未來變電站的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。

隨著智能變電站的不斷發(fā)展，SV（采樣值）智能設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。但近年來，因采樣數(shù)據(jù)異常、波形中出現(xiàn)“飛點”（數(shù)據(jù)異常點）等情況，智能變電站站域保護(hù)裝置誤動或者拒動現(xiàn)象時有發(fā)生。如500 kV 菊城變、500 kV 夏金變、330 kV唐乃亥變等高電壓等級變電站，一旦發(fā)生保護(hù)誤動現(xiàn)象，就會危害整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)解列[4]。

由于智能變電站的建設(shè)時間還不長，目前國內(nèi)外對“飛點”識別方法的研究較少，且都存在一定的不足。例如，基于可去間斷點的連續(xù)采樣“飛點”檢測算法，通過數(shù)學(xué)函數(shù)連續(xù)性及可去間斷點的定義得到“飛點”判據(jù)，該判據(jù)雖然能準(zhǔn)確識別“飛點”數(shù)據(jù)，但僅限于單個“飛點”的情況，對于連續(xù)“飛點”判斷能力不足。傳統(tǒng)的識別方法普遍具有針對性不強(qiáng)、靈敏度不高、數(shù)據(jù)窗過長、數(shù)據(jù)無法恢復(fù)等缺陷。在“飛點”識別后也僅僅作閉鎖處理，雖能保證保護(hù)不拒動，但發(fā)生故障后的速動性也受到了挑戰(zhàn)[5-6]。

對此，本文提出一種基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案。首先分析了智能變電站中“飛點”產(chǎn)生的原因和機(jī)理，并歸納總結(jié)了國內(nèi)外的“飛點”識別方案優(yōu)缺點[7-8]。在此基礎(chǔ)上，提出了復(fù)合波形識別算法，比較波形及其導(dǎo)數(shù)波形的相似程度，計算相似系數(shù)，識別波形“飛點”。再通過正弦恢復(fù)算法可將“飛點”數(shù)據(jù)修復(fù)。最后通過PSCAD/EMTDC 仿真實驗證明，該方案能夠正確識別單個“飛點”和連續(xù)“飛點”的電流波形，修復(fù)后的波形不會導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動或拒動，滿足了站域保護(hù)的要求，驗證了該方案的可靠性。

1 方案比較

對現(xiàn)場出現(xiàn)的大量異常數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并查閱有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，SV 中“飛點”產(chǎn)生的機(jī)理非常復(fù)雜，主要原因有：電子式互感器電源異常影響合并單元的識別，造成數(shù)據(jù)的無效化；因外界因素導(dǎo)致合并單元和電子式互感器之間通信中斷，無數(shù)據(jù)傳輸；電磁干擾造成數(shù)據(jù)異常，進(jìn)而形成“飛點”；因芯片工藝和算法設(shè)計問題形成“飛點”。為治理以上問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究和仿真工作，主要對策有延遲動作方案、雙重采樣數(shù)據(jù)方案、“飛點”識別算法方案等。

1.1 延遲動作方案

修改保護(hù)裝置的動作時間，使其延遲動作：當(dāng)保護(hù)的延遲時間大于“飛點”可能出現(xiàn)的最大時間時，保護(hù)不會發(fā)生誤動情況。該方案在保證保護(hù)裝置可靠性的同時，一定程度上犧牲了速動性，僅適用于部分對動作時限要求不高的設(shè)備。但智能變電站一般電壓等級較高，要求保護(hù)能夠立刻動作，因此該方案存在一定的局限性[9]。

1.2 雙重采樣數(shù)據(jù)方案

增設(shè)一路AD 采樣數(shù)據(jù)，采用雙重采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)的判別[10]。保護(hù)裝置2 路AD 采樣數(shù)據(jù)均滿足動作判據(jù)時才會動作。若只有1 路AD 數(shù)據(jù)滿足，則保護(hù)閉鎖、不動作。該方案在只有1路數(shù)據(jù)出現(xiàn)“飛點”時，仍能夠保持閉鎖，具有較高的可靠性。但會導(dǎo)致保護(hù)的動作變慢，在浪涌情況下仍有出現(xiàn)誤動的可能性，存在一定的不足。

1.3 “飛點”識別算法方案

在保護(hù)裝置內(nèi)部增添一套“飛點”識別算法，有效識別波形中的“飛點”信號，發(fā)出閉鎖信號，保證裝置不誤動。以下對積分型波形識別法和導(dǎo)數(shù)型波形識別法進(jìn)行簡單介紹[11-12]。

（1）積分型波形識別法

當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，保護(hù)裝置測得的故障電流與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相似?！帮w點”具有無序性的特點，出現(xiàn)“飛點”的波形將不同于標(biāo)準(zhǔn)正弦波。因此，可以通過比較波形第1 個半周期和第2 個半周期的相似程度來判斷電流的類型。設(shè)波形第1 個半周期的面積為S+，第2 個半周期的面積為S-，計算出波形對稱系數(shù)如下：

當(dāng)沒有“飛點”產(chǎn)生時，正常運行和短路故障時的波形對稱型系數(shù)Ksym=0，而產(chǎn)生“飛點”后的短路故障波形中Ksym?0。通過比較波形對稱系數(shù)，可以實現(xiàn)“飛點”的識別。

（2）導(dǎo)數(shù)型波形識別法

導(dǎo)數(shù)型波形識別法是一種基于電流半波對稱導(dǎo)數(shù)比較的算法。該算法的基本思想是用導(dǎo)數(shù)法求出無直流分量的差動電流，然后比較微分電流的上、下半波形是否對稱。公式如下：

式中：Ii為前半個波形中某個點的值；Ii+180°為下半個波形中對應(yīng)點的值。與積分型波形對稱法相似，也是通過比較波形對稱系數(shù)Ksym來實現(xiàn)“飛點”的識別。

2 復(fù)合波形識別方案

上文研究了“飛點”識別的產(chǎn)生機(jī)理和解決方案，并舉例說明了“飛點”識別算法的原理。然而，這些方法存在著速動性不足、可靠性不夠等問題。針對以上問題，為了提高“飛點”識別的準(zhǔn)確性，加速保護(hù)的動作時間，降低可能的降級損失，本文提出了基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案。該方案采用復(fù)合波形識別算法實現(xiàn)“飛點”數(shù)據(jù)的判別，再通過正弦還原法對“飛點”數(shù)據(jù)進(jìn)行還原處理[13-15]。

2.1 復(fù)合波形識別原理

圖1 為發(fā)生短路故障時的電流波形，圖2 為對該電流波形進(jìn)行微分處理后的微分波形。可以看出，故障電流波形及其導(dǎo)數(shù)波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦信號相似程度高。假設(shè)故障電流的方程如下：

式中：Am為電流的幅值；ω 為電流的頻率；t 為時間；θ 為初始相位角。

圖1 故障電流波形

圖2 故障電流微分波形

對式（3）進(jìn)行微分處理后，得到微分波形的方程為：

由式（4）可以看出，故障電流的微分波形與正弦波形的公式基本相同。因此，可以將該波形單位化后，與標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行比較。若形狀相似，則可以判斷為故障電流值，無“飛點”數(shù)據(jù)。若形狀不相似，則可以判斷為出現(xiàn)“飛點”數(shù)據(jù)。根據(jù)積分波形對稱原理，給出波形對稱系數(shù)如下：

式中：S1為一定時間窗內(nèi)微分電流波形的面積；S2為一定時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的面積。Ksym=0 時，波形無“飛點”數(shù)據(jù)；Ksym?0 時，波形有“飛點”數(shù)據(jù)。

2.2 正弦修復(fù)原理

若判斷波形含有“飛點”數(shù)據(jù)，采用正弦恢復(fù)方法對波形進(jìn)行修復(fù)。將測量電流波形數(shù)據(jù)按照正弦信號的理想波形進(jìn)行修復(fù)，公式如下所示：

式中：Ik為波形中出現(xiàn)的“飛點”數(shù)據(jù)；Isin·k為該點數(shù)據(jù)所對應(yīng)的正弦信號的數(shù)據(jù)值。用正弦信號值代替出現(xiàn)的“飛點”數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)波形的修復(fù)。

2.3 方案流程

基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案，就是利用復(fù)合波形計算波形對稱系數(shù)，從而實現(xiàn)對“飛點”數(shù)據(jù)的識別。判斷有“飛點”數(shù)據(jù)后，采用正弦修復(fù)方法，用正弦信號量代替“飛點”數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)波形的修復(fù)。修復(fù)后，進(jìn)行故障判別，若為短路故障，保護(hù)動作；若非短路故障，保護(hù)不動作。判斷無“飛點”數(shù)據(jù)后，直接進(jìn)入故障判別環(huán)節(jié)。具體的方案流程如圖3 所示。

3 仿真驗證

3.1 異常數(shù)據(jù)檢測

本文采用PSCAD 仿真軟件搭建了簡單的電力系統(tǒng)模型，用于驗證基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案在電力系統(tǒng)中的可行性。仿真結(jié)果如表1 所示。

圖3 飛識識別流程

表1 保護(hù)裝置動作情況表

表1 中，方案A 為基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案，方案B 為其他保護(hù)方案，共進(jìn)行了5 組仿真實驗?？梢钥闯?，5 組仿真數(shù)據(jù)中，未采用波形識別方案的保護(hù)裝置在正常運行時容易發(fā)生誤動，而在短路故障時可能發(fā)生拒動。而采用基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案能夠保證保護(hù)裝置的可靠性，使其不誤動、不拒動。

圖4、圖5 分別為出現(xiàn)單個“飛點”的波形和經(jīng)正弦修復(fù)后的波形。可以看出“飛點1”“飛點2”“飛點3”能夠被正確修復(fù)，仿真驗證了方案A 可以減少單個“飛點”對繼電保護(hù)的影響。

圖6、圖7 分別為出現(xiàn)持續(xù)“飛點”的波形和經(jīng)正弦修復(fù)后的波形?？梢钥闯觥帮w點”群能夠被正確修復(fù)，仿真驗證了方案B 可以減少多個“飛點”對繼電保護(hù)的影響。

圖8、圖9 分別為出現(xiàn)丟點的波形和經(jīng)正弦修復(fù)后的波形。可以看出丟點能夠被正確修復(fù)，仿真驗證了該方案可以減少丟點對繼電保護(hù)的影響。

圖4 單個飛點波形圖

圖5 單個飛點波形修復(fù)

圖6 持續(xù)飛點波形

圖7 持續(xù)飛點波形修復(fù)

圖8 丟點波形

圖9 丟點波形修復(fù)

復(fù)合波形識別算法根據(jù)圖3 所示流程對波形進(jìn)行修復(fù)后，再判別故障類型。若為短路故障，則保護(hù)裝置正常動作，不發(fā)生拒動。若為正常運行時電流，則保護(hù)正常不動作，不發(fā)生誤動。仿真驗證了該方案可以減少異常數(shù)據(jù)對繼電保護(hù)的影響。

3.2 動作時限檢測

將采用基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案的保護(hù)裝置動作時間與采用其他傳統(tǒng)方案保護(hù)裝置的動作時間進(jìn)行仿真比較，得到結(jié)果如表2 所示。

表2 保護(hù)裝置動作時限

表2 中共4 組仿真數(shù)據(jù)，方案A 為基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案，方案B為未采用任何“飛點”識別算法的方案，方案C 為采用導(dǎo)數(shù)型波形識別法方案，方案D 為采用積分型波形識別法方案?？梢钥闯?，本文所提方案A動作時限較快，不會影響繼電保護(hù)正常動作。

4 結(jié)論

智能變電站采用數(shù)字化采樣的方式，SV 中大幅值“飛點”的出現(xiàn)導(dǎo)致保護(hù)誤動，危害變電站和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為解決“飛點”識別困難的問題，本文提出了基于復(fù)合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案，并得出如下結(jié)論：

（1）利用復(fù)合波形識別算法對所測電流值進(jìn)行求導(dǎo)處理，得到其導(dǎo)數(shù)波形，再將波形單位化后與標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行比較，計算波形相似系數(shù)K。若測量波形無“飛點”，則波形相似系數(shù)K=0；若測量波形有“飛點”，則波形相似系數(shù)K?0。通過比較波形相似系數(shù)，實現(xiàn)“飛點”的識別。

（2）正弦還原算法將之前測出的“飛點”值進(jìn)行還原。使用正弦信號量代替“飛點”數(shù)據(jù)來對波形進(jìn)行還原，可以實現(xiàn)單個或多個“飛點”群的還原，無需閉鎖判據(jù)，保證了保護(hù)裝置的可靠性和速動性。

（3）通過建立PSCAD 仿真模型對所提方案進(jìn)行分析研究。實驗證明，正常運行時、故障運行時的“飛點”數(shù)據(jù)都能夠被正確識別和還原。正常運行時，若波形出現(xiàn)單個“飛點”、多個“飛點”、丟點，保護(hù)裝置不動作，不會誤動。故障運行時，若波形出現(xiàn)單個飛點、多個“飛點”、丟點，保護(hù)裝置正常動作，不會拒動。通過對動作時限的仿真驗證，發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置動作迅速，速動性得到保證。

理論分析和實驗驗證均顯示，該方案具有較高的可靠性和應(yīng)用性。隨著我國變電站的推廣，該方案具有良好的應(yīng)用能力和研究潛力。