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0 引言

浪涌沖擊是電力系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象，在浪涌沖擊的干擾下，繼電保護(hù)設(shè)備采樣中容易出現(xiàn)類似飛點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在繼電保護(hù)設(shè)備采樣回路RC低通濾波的處理下，飛點(diǎn)數(shù)值受到抑制，但衰減時間則會延長，衰減時間由濾波參數(shù)確定，一般在3～5 ms。目前較為主流的飛點(diǎn)判別方法是濾波前的4 kHz 采樣率下單個或連續(xù)飛點(diǎn)檢測，主要適用于智能變電站SV（采樣值）模式[1-3]。但上述飛點(diǎn)檢測方法在1.2 kHz 采樣率、采樣回路有RC 低通濾波的模式下無法可靠應(yīng)用。

繼電保護(hù)設(shè)備需要快速識別浪涌干擾的異常波形，避免因干擾帶來的飛點(diǎn)影響采樣而誤動作，同時在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時能快速正確動作出口。針對上述問題，本文提出一種抗浪涌沖擊的動態(tài)波形識別及快速開放算法，能快速識別浪涌沖擊干擾的異常波形，同時在區(qū)內(nèi)故障時可快速開放保護(hù)設(shè)備動作。

1 飛點(diǎn)的影響

當(dāng)電流產(chǎn)生飛點(diǎn)數(shù)據(jù)時，經(jīng)RC 低通濾波后的波形如圖1 所示。

圖1 中，實線波形為工頻電流由于干擾出現(xiàn)了一點(diǎn)飛點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過RC 低通濾波后可抑制飛點(diǎn)數(shù)值，但是飛點(diǎn)衰減時間會延長。從圖1 可以看出，1 個飛點(diǎn)影響了電流全周基波幅值約23 ms。

圖1 1 點(diǎn)飛點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)RC 低通濾波

繼電保護(hù)設(shè)備快速段保護(hù)動作時間一般不超過5 ms，若對因干擾出現(xiàn)的飛點(diǎn)數(shù)據(jù)不做處理，則繼電保護(hù)設(shè)備可能發(fā)生誤動作[4]。若簡單地延長快速段保護(hù)動作時間，則在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時出口時間過長，不能滿足技術(shù)規(guī)范要求。為解決飛點(diǎn)引起的誤動作問題，需可靠識別飛點(diǎn)并主動消除其對基波幅值的影響，同時在區(qū)內(nèi)故障時應(yīng)能快速開放繼電保護(hù)動作出口。

目前較為主流的飛點(diǎn)判別方法要求采樣率一般不低于2 kHz，且通?？紤]能識別出單個飛點(diǎn)，或不超過1 ms 時間的飛點(diǎn)，其主要應(yīng)用場景為智能變電站SV 模式[1-3]。

使用上述常規(guī)飛點(diǎn)識別方法，可從圖1 中的原始飛點(diǎn)波形中準(zhǔn)確識別出飛點(diǎn)特征。但經(jīng)過RC低通濾波后的波形，由于飛點(diǎn)衰減時間延長，一般的飛點(diǎn)識別方法并不能可靠識別出此類衰減的飛點(diǎn)數(shù)據(jù)特征。

當(dāng)前電力系統(tǒng)內(nèi)的大部分繼電保護(hù)設(shè)備為傳統(tǒng)電纜采樣模式，采樣率一般為1.2 kHz，在采樣回路中配置RC 低通濾波，濾除不需使用的高頻分量部分。當(dāng)系統(tǒng)受到浪涌沖擊等干擾，電流中出現(xiàn)飛點(diǎn)數(shù)據(jù)時，若不做防護(hù)處理，則繼電保護(hù)設(shè)備很可能發(fā)生誤動作。至今，電力系統(tǒng)內(nèi)已發(fā)生多起由飛點(diǎn)導(dǎo)致的繼電保護(hù)設(shè)備誤動作情況。

2 浪涌干擾波形特征分析

浪涌抗擾作為電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)測試項目，可快速檢驗繼電保護(hù)設(shè)備的抗浪涌干擾性能。本文以差模及共模2 種模式的浪涌抗擾測試為例，分析不同情況下的浪涌波形特征。

在上述2 種模式的測試過程中，繼電保護(hù)設(shè)備采樣在浪涌沖擊的干擾下，低通濾波后的電流波形如圖2、圖3 所示。

圖2 差模浪涌沖擊電流波形

圖3 共模浪涌沖擊電流波形

圖2 中，在差模方式下施加浪涌干擾，負(fù)荷電流出現(xiàn)峰值約2 A 的飛點(diǎn)數(shù)據(jù)，飛點(diǎn)數(shù)據(jù)衰減時間約3 ms。

圖3 中，在共模方式下施加浪涌干擾，負(fù)荷電流出現(xiàn)峰值約1.5 A 的飛點(diǎn)數(shù)據(jù)，且出現(xiàn)2 個極值點(diǎn)，飛點(diǎn)數(shù)據(jù)衰減時間約6 ms。

在上述2 種浪涌抗擾測試模式下，均出現(xiàn)了明顯的飛點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中，在共模浪涌干擾下，電流波形性能更差，飛點(diǎn)衰減時間6 ms，影響工頻基波26 ms，若繼電保護(hù)不做處理，其快速邏輯段的保護(hù)將誤動作出口。

為解決浪涌沖擊等干擾對傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)設(shè)備采樣的影響，本文提出一種新的抗浪涌沖擊的動態(tài)波形識別及快速開放算法，在有浪涌干擾時快速識別浪涌飛點(diǎn)波形特征，動態(tài)調(diào)整快速邏輯段動作延時以避免誤動作；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時快速開放快速段保護(hù)邏輯，快速動作出口。

3 動態(tài)波形識別及快速開放算法

動態(tài)波形識別及快速算法流程如圖4 所示。

圖4 動態(tài)波形及快速開放算法流程

如圖4 所示，該算法分兩步：第一步為浪涌波形動態(tài)波形識別；第二步為采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放。

若動態(tài)波形識別出飛點(diǎn)特征，則動態(tài)調(diào)整快速邏輯段延時，延長快速段動作時間。僅當(dāng)動態(tài)波形識別未產(chǎn)生閉鎖，且采樣值方向連續(xù)滿足、采樣值門檻連續(xù)滿足時，才開放快速段快速動作。

3.1 浪涌動態(tài)波形識別

如圖5 所示，以波形特征更差的共模浪涌沖擊為例進(jìn)行分析。

圖5 浪涌干擾波形識別

設(shè)f（x）為當(dāng)前點(diǎn)數(shù)據(jù)，f（x-1）為前一點(diǎn)數(shù)據(jù)、f（x-2）為前兩點(diǎn)數(shù)據(jù)、f（x-3）為前三點(diǎn)數(shù)據(jù)。

令：如式（1）所述，y1（x）為前一點(diǎn)與前兩點(diǎn)的采樣值之差，y2（x）為當(dāng)前點(diǎn)與前一點(diǎn)的采樣值之差，y3（x）為前一點(diǎn)與前三點(diǎn)的采樣值之差。

令：

式中：y4（x）和y5（x）為對應(yīng)采樣點(diǎn)采樣差矢量之積，根據(jù)乘積的正負(fù)方向來定位極值點(diǎn)的位置；y6（x）為飛點(diǎn)的門檻判斷，本文考慮浪涌沖擊干擾產(chǎn)生的飛點(diǎn)不應(yīng)小于額定電流。

鑒于工頻情況下波形的連續(xù)性，在50 Hz 工頻下相鄰采樣點(diǎn)之差與其數(shù)值成比率關(guān)系。y7（x），y8（x），y9（x）為相鄰采樣值之差與f（x-1）點(diǎn)采樣值大小的關(guān)系判斷?？紤]到工頻情況下波形的連續(xù)性，設(shè)置一定的比較折算系數(shù)k1，k2，k3 來判斷f（x-1）點(diǎn)采樣值是否為非正常工頻波形數(shù)據(jù)。

式（2）中，k0，k1，k2，k3 分別取1.0，0.5，0.6，0.5。y1（x），y2（x）為相鄰兩點(diǎn)采樣值之差，y3（x）為間隔一點(diǎn)的采樣值之差?？紤]到工頻波形的連續(xù)性及飛點(diǎn)的影響，除峰值左右點(diǎn)采樣值之差的絕對值較相鄰兩點(diǎn)采樣值之差的絕對值小，其他情況下均大于，故k2 取值比k1及k3 稍大。判斷條件取y7（x）或y8（x）滿足，可提高波形識別靈敏度。

令：

式中：“‖”表示“或”邏輯；“&&”表示“與”邏輯。

式（3）中，q1（x）檢測極值點(diǎn)數(shù)據(jù)所處的位置，極值點(diǎn)位置左右的采樣值之差矢量方向應(yīng)相反，且極值數(shù)據(jù)需大于額定電流。當(dāng)q1（x）滿足條件，則定位（x-1）采樣點(diǎn)為波形極值點(diǎn)。

q2（x）檢測極值點(diǎn)左右的采樣值之差是否滿足正常工頻電流的采樣值連續(xù)性，當(dāng)q2（x）滿足條件，則定位（x-1）采樣點(diǎn)數(shù)值為大于正常工頻波形連續(xù)性的極值點(diǎn)。

h（x）函數(shù)根據(jù)上述結(jié)果判斷前一點(diǎn)是否為異常數(shù)據(jù)飛點(diǎn)，當(dāng)h（x）滿足條件，則判斷（x-1）采樣點(diǎn)為飛點(diǎn)所處的位置。

以浪涌沖擊波形為例，分析得到h（x）的結(jié)果如圖6、圖7 所示，其中h（x）非0 則表示已判斷出前一點(diǎn)（x-1）點(diǎn)為異常飛點(diǎn)。

如圖6、圖7 所示，動態(tài)波形識別算法可識別出浪涌干擾波形的飛點(diǎn)特征，在當(dāng)前點(diǎn)x 時，可準(zhǔn)確識別出前一點(diǎn)，即（x-1）點(diǎn)為飛點(diǎn)極值點(diǎn)。當(dāng)檢測出前一點(diǎn)為異常飛點(diǎn)數(shù)據(jù)時，則閉鎖采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放，閉鎖展寬5 ms 返回。

圖6 共模波形飛點(diǎn)識別

圖7 差模波形飛點(diǎn)識別

3.2 采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放

采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放算法如式（4）所示。

令：

式（4）中，“！”表示“非”邏輯。samFlag（x）函數(shù)檢測當(dāng)前時刻無浪涌動態(tài)波形識別展寬閉鎖標(biāo)志，即浪涌動態(tài)波形識別未產(chǎn)生飛點(diǎn)閉鎖條件。

samDir（x）函數(shù)，檢測當(dāng)前點(diǎn)與上一點(diǎn)的采樣值方向是否同向。檢測需滿足連續(xù)4 ms 時間內(nèi)，采樣值數(shù)據(jù)方向同向?？紤]到工頻電流波形一個完整的半周內(nèi)有9 ms 采樣值數(shù)據(jù)同向，因此，采樣值方向連續(xù)性判斷選取4 ms 的連續(xù)數(shù)據(jù)，同時兼顧存在一定直流偏置的工頻電流波形的快速開放。

samAm（x）函數(shù)檢測本點(diǎn)采樣值需滿足一定比率的動作定值門檻，避免小電流未達(dá)動作定值門檻時誤開放。其中k4 取值按照一個半周波形內(nèi)應(yīng)有足夠采樣點(diǎn)滿足動作門檻，并預(yù)留一定裕度。按照5 ms 動作延時則可取峰值的折算系數(shù)sin40°，即0.908。Iset取動作定值門檻。

式（5）中，samOpen（x）函數(shù)即作為采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放算法的最終結(jié)果，即動態(tài)波形識別連續(xù)5 ms 未產(chǎn)生飛點(diǎn)閉鎖條件，同時當(dāng)前點(diǎn)及往前的連續(xù)4 ms 采樣值方向同向，且采樣點(diǎn)連續(xù)5 ms 滿足門檻，上述綜合判據(jù)滿足，則判斷當(dāng)前波形正常，動態(tài)開放快速邏輯段保護(hù)；若上述綜合判據(jù)不滿足，則判斷當(dāng)前波形異常，動態(tài)延長快速邏輯段保護(hù)動作延時，以躲開飛點(diǎn)影響。

以浪涌沖擊波形為例，得到h（x），samDir（x），samAm（x）的結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 差模波形動態(tài)波形識別

為簡化波形示意，圖8、圖9 中samDir（x）和samAm（x）為0 則表示不滿足對應(yīng)判據(jù)，非0則表示滿足對應(yīng)判據(jù)。

圖9 共模波形動態(tài)波形識別

在浪涌沖擊的干擾下，動態(tài)波形識別及快速開放算法結(jié)果如圖8、圖9 所示。

在差模方式下，h（x）點(diǎn)已判出飛點(diǎn)，在飛點(diǎn)附近的采樣值方向和采樣值門檻并不能連續(xù)滿足條件，本文算法將動態(tài)延長快速段保護(hù)邏輯動作延時，可靠躲開飛點(diǎn)干擾的影響。

在共模方式下，波形特征較差，在飛點(diǎn)附近，更容易滿足采樣值方向和采樣值門檻條件。由于在h（x）點(diǎn)已判出飛點(diǎn)，閉鎖5 ms 的采樣值調(diào)整快速開放判據(jù)，當(dāng)閉鎖展寬消失時，采樣值已經(jīng)下降至無法連續(xù)滿足門檻，本文算法將動態(tài)延長快速段保護(hù)邏輯動作延時，可靠躲開飛點(diǎn)干擾的影響。

在上述2 種浪涌干擾情況下，本文算法均能可靠檢測出飛點(diǎn)波形特征，并可靠動態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯動作延時，以避免誤動作。

4 仿真分析

為驗證本文提出算法的適用性和準(zhǔn)確性，對不同異常波形及正常故障波形進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖11—15 所示。

圖10 中，正常工頻波形出現(xiàn)1 個飛點(diǎn)數(shù)據(jù)時，本文算法準(zhǔn)確在h（x）判出飛點(diǎn)，由于1 個飛點(diǎn)僅影響1 點(diǎn)采樣值高門檻，本文算法動態(tài)延長快速段邏輯動作延時，可靠躲開飛點(diǎn)干擾的影響。若在出現(xiàn)飛點(diǎn)后，同時出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障，本文算法在飛點(diǎn)短暫閉鎖的5 ms 后快速開放快速段保護(hù)邏輯，快速動作出口切除故障。

圖11 中，正常工頻波形時，本文算法不會誤判出飛點(diǎn)情況，h（x）始終為無效狀態(tài)。采樣值方向滿足連續(xù)條件，只要波形采樣點(diǎn)滿足動作條件即可開放快速段保護(hù)邏輯。

圖10 1 個飛點(diǎn)波形分析

圖11 正常工頻變化波形分析

圖12 中，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，本文算法不會誤判出飛點(diǎn)情況，h（x）始終為無效狀態(tài)。在故障期間采樣值方向及門檻均滿足條件，可快速開放快速段保護(hù)邏輯動作出口。

圖13 中，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，當(dāng)故障波形含較大的直流分量時，本文算法不會誤判出飛點(diǎn)情況，在故障期間采樣值方向及門檻均滿足條件，可快速開放快速段保護(hù)邏輯動作出口。

圖14 中，當(dāng)發(fā)生故障且TA（電流互感器）飽和，電流傳變異常時，圖14 中電流可正確傳變5 ms，本文算法不會誤判出飛點(diǎn)情況，不影響保護(hù)動作行為。

圖15 中，當(dāng)波形總含有較高比例的諧波時，本文算法不會誤判出飛點(diǎn)情況，不影響保護(hù)動作行為。

圖12 正常故障波形分析

圖13 故障波形含衰減直流分量分析

圖14 飽和波形分析

圖15 諧波波形分析

通過對上述各種異常波形、工頻波形及故障波形的仿真分析，發(fā)現(xiàn)本文提出的動態(tài)波形識別及快速開放算法可準(zhǔn)確識別出異常飛點(diǎn)的波形特征，并能動態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯動作延時，可靠躲開飛點(diǎn)的影響。同時，在正常工頻波形、故障波形、較高含量的衰減直流故障波形、較高含量的諧波波形、電流飽和波形等情況下，本文提出的算法均能可靠不誤判飛點(diǎn)，不影響保護(hù)動作行為。該算法對傳統(tǒng)變電站內(nèi)因浪涌沖擊產(chǎn)生的干擾具有準(zhǔn)確的識別度，可解決由于浪涌沖擊導(dǎo)致的保護(hù)誤動作問題；同時在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，可動態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯，快速動作出口切除故障。

5 結(jié)語

本文提出一種能可靠識別浪涌電流飛點(diǎn)特征的動態(tài)波形識別及快速開放算法，有效解決因浪涌沖擊等干擾導(dǎo)致的繼電保護(hù)設(shè)備誤動作問題，同時在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時可動態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯，快速動作出口切除故障。

通過對各種波形的仿真分析，驗證了本文提出的算法比一般的單個飛點(diǎn)識別方法具有更高的準(zhǔn)確性及更廣的適用場景。