基于虛擬差流技術的母線異常大數檢測方法

唐治國，周小波，陳琦，王永旭，陳宏巖

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

基于虛擬差流技術的母線異常大數檢測方法

唐治國，周小波，陳琦，王永旭，陳宏巖

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

隨著智能變電站的建設和就地保護的應用，出現采樣異常大數的概率越來越高，這對母線保護的可靠性提出了更高的要求。提出一種應用于母線保護的識別采樣異常的新方法，通過線性插值的方法虛擬出一個母線保護差流，比較實際計算的差流與虛擬差流的差異，能夠準確區分出故障及異常大數，與已有算法相比具有數據窗小、能解決多點采樣異常等優勢。通過仿真試驗驗證，該方法有效可行，能夠消除采樣異常大數對母線保護的影響，提高了母線保護的可靠性。

母線差動保護；異常大數；虛擬差流；線性插值；差異系數

0 引言

隨著智能變電站的建設，電子式互感器和合并單元得到了廣泛應用，基于IEC 61850-9-2的采樣值(SV)由于具有較好的一致性和互操作性，在智能化設備中得到了廣泛使用。目前在智能變電站中使用的典型方案為直接采樣，直接跳閘。常見的采樣接入方式有電子式互感器加合并單元以及常規互感器加合并單元兩種方式，但對于一些重要的變電站，仍由保護電纜接入常規采樣。

對母線保護而言，無論電子式互感器還是常規互感器，以合并單元方式接入的統一視為數字采樣。由于存在諸多環節，導致母線保護裝置接收到的采樣出現諸多異常[1]。

對于傳統互感器直接接入的母線保護，隨著設備就地化的發展，不可避免地面臨著更為嚴酷的電磁環境，同樣會出現采樣異常。

鑒于現場以及相關檢測試驗中，已經多次出現過異常大數的案例，如果不采取有效措施，母線差動保護的可靠性將降低，嚴重影響設備的可靠運行，甚至威脅電網安全。本文提出了一種采用虛擬母線差流的新方法，數據窗小，實現簡單，能夠消除異常大數對母線保護的影響，具有較高的實用性。

1 異常大數檢測方法

1.1 異常大數產生原因及研究現狀

對于數字采樣，由于存在電子式互感器及合并單元等環節，當這些環節受到干擾或者異常后會出現以下特征[2]。

(1)SV配置異常。主要體現在媒體訪問控制(MAC)地址、應用標識符(APPID)、采樣控制塊標識符(SVID)和配置版本號，該類異常在集成調試階段一般能夠發現及解決。

(2)鏈路異常、采樣數據異常以及采樣延時異常。主要體現在母線保護裝置與合并單元光纖中斷，或者光纖衰耗較大，或者合并單元本身發送數據不穩定，一般情況下由于有采樣異常，保護裝置能夠可靠閉鎖。

(3)雙模數轉換(AD)不一致。主要體現在保護接收的2路AD數據不一致，目前母線保護裝置一般采用告警的方式進行提示，當母線有區內、區外故障時，正常情況下能夠準確動作。

(4)采樣值丟幀及畸變。當采樣值出現丟幀時，母線保護能夠可靠閉鎖；而當出現采樣畸變時(異常大數)，如果不采取合適的解決方案，將有可能導致保護誤動。

對于傳統采樣，母線本身受到干擾如浪涌、快速瞬變或者裝置本身交流模件硬件故障同樣會出現異常數據。

目前采樣異常大數的研究較少，可見的文獻主要有以下幾點：文獻[3]給出了采樣異常大數產生的原因，并提出一種檢測方法；文獻[4]給出了SV采樣報文異常大值的特征及檢測方案；文獻[5]采用了線性插值的方法識別異常大數；文獻[6]給出了合并單元采樣異常的識別方法，文獻[7]給出了采樣值的3點連續有效判別法。這些研究及方法為異常大數的檢測提供了很好的參考價值，但這些算法實現較為復雜，數據窗較大，同時無法解決異常大數等問題。

1.2 檢測方法

電力系統正常運行時，匯集到母線上的電流波形是正弦曲線，該波形曲線連續可導。當母線區內、區外發生故障時，各支路電流幅值及相位發生變化，包含衰減的直流分量及豐富的諧波分量，此時電流曲線仍然連續可導。當受到干擾或者硬件故障導致出現異常大數時，異常大數出現的波段波形不連續且不可導。

母線保護一般采用分相比率制動、差動保護原理，正常運行時根據各支路的運行方式，計算母線保護的差動電流及制動電流。對于單母線及3/2接線方式僅有大差(或者小差)，對于其他諸如雙母線、雙母線單分段、雙母線雙分段等接線方式的母線保護，同時計算大差及小差。當系統正常運行時，差流平衡，母線保護正常運行。當發生區內、區外故障時，母線差流將不平衡，根據差流情況結合抗CT(電流互感器)飽和判據，母線保護均能正確動作。

基于母線保護差流的上述特點，本文提出虛擬差流的異常大數檢測方法，具體包含以下步驟。

(1)通過采集的各母線間隔連接支路電流，計算母線差流，差流計算如式(1)

(1)

式中：Id為母線連接各支路的電流采樣值Ik之和。對于單母線及3/2接線固定取差流，對于雙母線及雙母單分段等接線，取大差差流，即不包含母聯及分段的電流。

(2)對式(1)計算所得差流進行線性插值，形成虛擬差流，同時計算差流和虛擬差流的誤差項，虛擬差流、誤差項、差動保護計算見下式。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：n為當前采樣點，n-1為前1采樣點，n-2為前2采樣點，Id1(n)為虛擬差流，Id2(n)為差流的誤差項，稱之為差異電流；Id(n)為當前差流采樣值，Id(n-1)為前1點差流采樣值，Id(n-2)為前2點差流采樣值，K1為內部門檻(K1典型取值范圍為0.5～0.6)；K(n)為當前采樣點的差異系數，K為差異系數，考慮到差動保護的快速性，式(5)采用采樣值算法，即N個采樣周期內有M個點滿足時，即認為式(5)成立；式(6)為差異電流的小區積分值，典型的數據窗長度為3～4個采樣周期；當滿足式(5)的K大于設定的門檻值Kset(綜合考慮異常大數每周波出現的次數以及幅值，Kset取值為0.6～0.8)時，同時滿足式(6)的Id2(n)的小區積分大于內部門檻值Iset(典型取值為差動定值的0.3倍)時，則認為異常大數，閉鎖差動保護；否則，判斷為正常數據，開放差動保護。

2 試驗仿真

為驗證本文所述防止異常大數的母線保護新方法的應用效果，下文將從正常采樣下母線區內故障、區外電流互感器(CT)飽和等電力系統實時數字仿真器(RTDS)試驗錄波進行仿真，同時選取電磁兼容性(EMC)試驗中浪涌、快速瞬變導致的傳統互感器采樣異常大數進行驗證，最后結合數字采樣情況下異常大數(分別來自數字化測試儀模擬以及一個現場真實波形)來驗證算法的正確性。

2.1 正常情況下，母線區內故障

通過某次RTDS試驗的母線單相區內金屬性接地故障波形進行錄波回放，驗證本文所述算法能夠不誤判為異常大數，波形回放情況如圖1所示。

圖1 區內金屬性接地故障回放波形(截圖)

圖1中，計算的差異系數在差流形成初期，由于計算誤差(主要為過0附近插值算法誤差較大)導致滿足動作式(5)判據，但差異電流不滿足式(6)判據，差動保護仍可快速出口。

2.2 母線區外故障CT飽和

通過某次RTDS試驗的母線區外故障CT飽和的波形進行錄波，驗證本文所述算法能夠不誤判為異常大數，波形回放如圖2所示。

圖2 區外故障CT飽和回放波形(截圖)

圖2中，計算的差異系數，由于計算誤差導致滿足動作式(5)判據，但差異電流不滿足式(6)判據，差動保護不動作。

2.3EMC浪涌試驗導致的采樣異常大數

如圖3所示，在交流回路輸入0.9倍差動動作定值的電流，并在其回路進行浪涌試驗，當出現異常大數時，本文所述的差異系數滿足動作門檻，同時差異電流滿足動作門檻，能夠檢測出異常大數，并進行可靠閉鎖。

圖3 浪涌試驗導致出現異常大數回放波形(截圖)

2.4EMC快速瞬變導致采樣異常大數

如圖4所示，在交流回路輸入0.9倍差動動作定值的電流，并在其回路進行瞬變試驗，當出現異常大數時，本文所述的差異系數滿足動作門檻，同時差異電流滿足動作門檻，能夠檢測出異常大數，并進行可靠閉鎖。

圖4 快速瞬變試驗導致出現異常大數回放波形(截圖)

2.5 數字采樣異常

通過數字化測試儀模擬幅值異常導致的異常大數波形如圖5所示。試驗方法為：通過數字化測試儀輸入0.9倍差動動作定值的電流，并在其回路施加每80點出現1點幅值10.000A的異常大數采樣激勵，如果不采用防止異常大數的母線差動保護方法，差動保護將誤動，而使用本文所述方法，能夠檢測出異常大數，并進行可靠閉鎖。

圖5 單點幅值異常回放波形(截圖)

通過數字化測試儀模擬多點異常導致的異常大數，試驗波形如圖6所示。試驗方法為：通過數字化測試儀輸入0.9倍差動動作定值的電流，并在其回路施加每80點出現5點幅值2.000A的異常大數采樣激勵，如果不采用防止異常大數的母線差動保護方法，差動保護將誤動，使用本文所述方法，能夠檢測出異常大數，并進行可靠閉鎖。

圖6 多點幅值異常回放波形(截圖)

3 結束語

通過分析正常波形和異常大數出現時母線差流的不同特點，本文提出了基于虛擬差流的檢測異常大數的新方法。通過試驗仿真和現場運行的數據，結果表明：在區內、區外故障和CT飽和時，該算法能夠做到不誤判為異常大數，在快速瞬變、浪涌導致出現異常大數時，該算法能準確識別到異常大數，具有良好的可靠性，并且同時適用于常規采樣和數字采樣的母線保護。與已有算法相比，具有時間窗短、算法簡單穩定和可識別多點異常情況的優點，提高了母線保護在惡劣現場情況下的可靠性。

目前工程實施中，不考慮母線故障同時出現異常大數的情況。由于該算法閉鎖時間短，基于此前提，異常大數不可能長時間連續出現，母線保護能在幾個連續的正常采樣點處可靠動作，因此本文所述方法具有良好的工程實用性。

[1]江偉建，錢嘯，郭磊，等.智能變電站交流采樣異常狀態分析和處理方法研究[J].浙江電力，2012，31(10)：16-18.

[2]唐翼,張曉莉，艾淑云.智能變電站數字采樣異常對繼電保護的影響驗證[J].智能電網，2016，4(6)：623-625.

[3]吳文舉，占捷文.基于可去間斷點的連續采樣飛點檢測算法[J].電力系統保護與控制，2015，43(4)：18-24.

[4]王劍宇，張曉莉，艾淑云.SV采樣報文異常大值的特征及檢測方案研究[J].電力勘測設計，2015(5)：47-52.

[5]劉萍，張艷霞，郭駿，等.基于線性差值的異常采樣值實時識別方法[J].天津理工大學學報，2015，31(4)：5-8.

[6]周兆慶，曹玉保.基于Labview的合并單元采樣異常的識別方法研究[J].電子設計工程，2016，24(8)：171-173.

[7]吳通華，蔣雷海，李友軍，等.電力系統電氣量異常采樣值實時辨識方法[J].電力系統自動化，2011，35(23)：95-97.

(編輯：劉炳鋒)

2017-02-13；

2017-03-22

TM 772

B

1674-1951(2017)04-0001-03

唐治國(1977—)，男，陜西寶雞人，高級工程師，從事電力系統繼電保護控制技術的研究及開發工作(E-mail:zhiguo-tang@sac-china.com)。

周小波(1986—)，男，江蘇泰州人，工程師，從事電力系統繼電保護控制技術的研究及開發工作(E-mail:xiaobo-zhou @sac-china.com)。

陳琦(1985—)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統繼電保護控制技術的研究及開發工作(E-mail:carl-qi.chen@sac-china.com)。

王永旭(1991—)，男，山東日照人，工程師，從事電力系統繼電保護控制技術的研究及開發工作(E-mail:yongxu-wang@sac-china.com)。