引入IIR濾波器對換流變增量差動暫態性能的影響分析

張振華，牛志雷，陳干杰，張紅躍，古領先

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

特高壓直流輸電輸送距離遠，輸送容量大，電壓等級高，可實現電力系統的異步聯網[1-2]。在“十二五”建設期間得到了重點發展，多項特高壓直流輸電工程相繼建成投運，緩解了我國西部電網大量清潔能源發電送出問題[3-4]。特高壓直流輸電系統中，換流閥組采用高端閥組和低端閥組直流側串聯構成雙十二脈動閥組，在不增加單閥承受電壓的前提下提升了直流側電壓等級，規劃建設的特高壓直流工程電壓等級已達到±1 100 kV[5]。

為了簡化特高壓直流輸電工程中二次保護系統所需的CT、二次電纜等設備配置，而且考慮到換流閥和換流變在實現交直流變換時的整體性，工程實施中將換流閥組和換流變作為整體進行保護配置，由一套保護系統實現其保護功能，即包含了換流閥組所需的直流保護功能，也包含了換流變所需的交流保護功能，其數據預處理在同一套保護系統中的數據采集與處理裝置中實現。在換流變及換流閥組保護中，需要進行采樣的通道較多，對采樣速率要求高，采樣間隔的縮短，留給CPU進行采樣數據預處理、保護計算的時間大大縮短，模擬量通道的增多限制了對數據的處理能力[6]。

與傳統換流變保護相比，特高壓直流輸電換流變保護數據預處理時引入了IIR(Infinite Impulse Response)數字濾波器進行濾波，改變了傳統換流變保護中采用RC低通濾波回路濾波進行數據預處理的模式[7]。在發生故障后，數據預處理環節的數字濾波器的暫態響應速度將影響故障的切除時間,尤其是故障時電流中的衰減直流分量，其對數字濾波器的暫態響應速度有較大影響，在設計數字濾波器時必需考慮暫態響應速度的問題[8-9]。

不同型式數字濾波器在微機繼電保護中的應用較多，在保護算法及保護數據預處理多方面均有應用。文獻[10]將形態學數字濾波器作為變壓器保護的前置濾波單元，最大限度地抑制各種干擾的影響, 提出一種基于電流采樣值相關度的變壓器保護新判據，利用變壓器兩側電流采樣值波形的相關度來區分內部故障和外部故障。文獻[11]在利用相差法實現繼電保護采樣對電網瞬時頻率跟蹤時，利用有限沖激相應濾波器(FIR)濾除諧波和負序分量，有效地濾除諧波和噪聲干擾。文獻[12]利用IIR濾波器實現了直流輸電工程交流濾波器保護中諧波電流流經電抗器的等效集膚效應濾波，利用IIR濾波器實現了交流濾波器電抗器熱過負荷保護的設計。文獻[13]中將電力系統微機繼電保護軟件中常用的幾種數字濾波算法進行了比較，研究了幾種數字濾波算法的特性，以及微機保護中數字濾波算法對裝置硬件的要求。文獻[14]中分析了繼電保護信號處理回路中數字濾波器的滯后效應，結合實際案例論述了其對保護特性的影響。相關文獻研究中重點利用了各種類型數字濾波器在進行數據處理時可以修改濾波器的參數，方便地改變濾波器的特性，但引入數字濾波器后其響應速度對繼電保護暫態性能及故障切除時間的影響研究較少。通過仿真，分析了引入IIR數字濾波器進行保護數據預處理，對換流變大差增量差動保護的影響，通過比較，優選了數字濾波器的濾波型式與濾波器階數，可以提高其暫態響應速度，降低其對換流變保護動作切除時間的影響。

1 IIR數字濾波器原理及濾波參數設計

數字濾波器的設計理念即采用由乘法器、加法器和單位延時器等組成的特定運算過程，對輸入離散信號進行運算，代替模擬濾波器的物理功能，得到能滿足給定頻率特性指標要求的系統傳輸函數，以達到改變信號頻譜或進行特定頻率篩選的目的。

IIR數字濾波器為無限長單位沖激響應濾波器，可以根據系統頻域特性要求設計為低、高通、帶通和帶阻四個基本類型[15]。IIR數字濾波器一般采用遞歸型的結構，即結構上帶有反饋環路。系統的輸入與輸出服從N階差分方程:

(1)

進行z變換，可得到IIR數字濾波器的系統傳遞函數：

(2)

文中利用仿真軟件的濾波器輔助設計工具采用直接法根據繼電保護數據預處理程序中對特定通道的頻率要求，對其進行參數設計。

考慮到換流變保護中相關電流通道主要參與差動保護，過流保護，距離保護，過負荷保護計算等以基頻參量為主的計算，且考慮到差動保護勵磁涌流識別判據中采用二次諧波算法，過勵磁保護中采用三次諧波算法等因素，因此換流變保護相關電流通道采用低通200 Hz進行濾波，利用濾波器輔助設計工具，以1 200 Hz為采樣頻率的保護系統為例，進行了濾波器參數設計。

為了比較IIR濾波器參數對換流變增量差動暫態特性的影響，利用濾波器輔助設計工具分別設計出了不同濾波器型式的低通200 Hz數字濾波器以及同為巴特沃斯型式，但不同階數的低通200 Hz數字濾波器進行比較分析。表1、表2分別為設計出濾波器參數，圖1、圖2所示為各濾波器幅頻響應特性與相頻響應特性。

表1 不同濾波器型式4階低通200 Hz濾波器參數

圖1 不同濾波器型式4階低通200 Hz濾波器頻率特性

圖2 不同階數巴特沃斯低通200 Hz濾波器頻率特性

2階巴特沃斯分子分母4階巴特沃斯分子分母6階巴特沃斯分子分母8階巴特沃斯分子分母0.155 0511.000 0000.026 0781.000 0000.004 3101.000 0000.000 7091.000 0000.310 102-0.620 2040.104 311-1.306 6050.025 863-1.981 6110.005 674-2.652 7140.155 0510.240 4080.156 4661.030 4540.064 6572.252 3800.019 8593.914 857——————0.104 311-0.362 3690.086 210-1.469 2830.039 717-3.608 835——————0.026 0780.055 7640.064 6570.596 2630.049 6472.259 673————————————0.025 863-0.135 4400.039 717-0.957 025————————————0.004 3100.013 5640.019 8590.266 349——————————————————0.005 674-0.044 041——————————————————0.000 7090.003 301

2 換流變大差增量差動保護原理

比率制動式差動保護是換流變壓器的主保護，能反映換流變壓器內部相間短路故障、高壓側單相接地短路及匝間層間短路故障。為了滿足電力系統對繼電保護的要求，換流變壓器主保護由比率差動、增量差動、差流速斷和差流越限告警組成。

增量差動不受正常運行的負荷電流的影響，具有比比率差動更高的靈敏度，由于比率差動保護的制動電流的選取包括正常的負荷電流，變壓器發生弱故障時，比率差動保護由于制動電流大，可能延時動作或者不動作。增量差動主要解決變壓器輕微的匝間故障，高阻接地故障。

圖3 換流變及引線差動保護配置圖

Iop>0.2Ie

(3)

Iop>0.65Ires

(4)

(5)

3 IIR濾波器對增量差動動作時間影響

為了比較IIR濾波器參數對換流變增量差動暫態性能的影響，分別從不同數字濾波器型式及不同濾波器階數兩方面進行了仿真分析。

將某特高壓直流工程RTDS試驗時，兩種典型的故障錄播波形進行回放，分析經過IIR數字濾波器與不經過數字濾波兩種情況下，換流變及引線差動保護動作時間的差異。

故障I：單極金屬回線1.0 pu功率傳輸，逆變站換流變引線K點A相單相金屬性接地100 ms;

故障II：單極大地回線0.1 pu輕載功率傳輸時，逆變站星角變網側A相15%繞組接地故障100 ms。

圖4、圖5為兩種典型故障未經IIR濾波處理時引線1電流互感器TA5、引線2電流互感器TA6、星角變閥側首端電流互感器TA4、星星變閥側首端電流互感器TA2電流、及增量差動電流有效值、增量制動電流有效值變化規律及保護動作情況。

圖4 故障I保護動作波形

圖5 故障II保護動作波形

3.1 濾波器型式對增量差動動作時間影響

分別設計了4階巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型及橢圓型低通200 Hz數字濾波器，并對其其幅頻、相頻響應特性進行比較。

將換流變及引線大差增量差動相關的電流通道波形先經IIR數字濾波進行濾波后，再進行大差增量差邏輯計算驗證，下圖為電流經過幾種不同型式IIR濾波器濾波后增量差動電流波形，其中圖6為發生故障I時增量差動電流波形比較圖，圖7為發生故障II時增量差動電流波形比較圖。

圖6 故障I時不同型式濾波器增量差動電流比較

圖7 故障II時不同型式濾波器增量差動電流比較

圖8、圖9以發生故障I時保護故障錄波為分析對象，換流變及引線差動保護相關電流通道經過IIR濾波和未經IIR濾波處理時增量差動保護動作時間差異，可以看出經過IIR濾波處理后，增量差動動作時間比未經IIR濾波處理時均有所延遲，影響最大的為經過4階切比雪夫I型濾波器濾波時，保護延時達到4.17 ms以上。

以切比雪夫I型濾波發生故障I為例，其保護相關各通道相位延遲及保護動作時間影響如圖9所示。

表3中為兩種典型故障類型，經過不同型式4階IIR濾波器進行濾波時，其增量差動保護動作時間受相位延遲影響所延遲的動作時間。

圖8 故障I時不同型式濾波器保護動作時間比較

圖9 切比雪夫I型濾波器濾波時波形延時

濾波器型式故障I保護延時故障II保護延時切比雪夫II型0.83 ms1.67 ms橢圓型1.67 ms2.50 ms巴特沃斯型2.50 ms4.17 ms切比雪夫I型4.17 ms5.00 ms

從仿真結果可以看出，幾種不同濾波器型式的數字濾波器進行仿真分析比較時，由于幾種型式濾波器在低頻段相頻特性較為一致，保護動作后高頻含量較少，因此對保護動作時間影響不大，但是對于繞組接地，匝間短路等弱故障，因IIR濾波器的滯后效應，其保護動作時間受影響程度略大于變壓器出線金屬性接地等強故障。

3.2 濾波器階數對增量差動動作時間影響

分別設計了2階、4階、6階、8階低通200 Hz巴特沃斯濾波器。將換流變及引線大差增量差動相關的電流通道波形先經IIR數字濾波進行濾波后，再進行大差增量差邏輯計算驗證，下圖為電流經過幾種不同階數巴特沃斯濾波器濾波后增量差動電流波形，其中圖10為發生故障I時增量差動電流波形比較圖，圖11為發生故障II時增量差動電流波形比較圖。

圖12、圖13以發生故障II時保護故障錄波為分析對象，換流變及引線差動保護相關電流通道經過IIR濾波和未經IIR濾波處理時增量差動保護動作時間差異，可以看出經過IIR濾波處理后，增量差動動作時間比未經IIR濾波處理時均有所延遲，且階數越高的巴特沃斯濾波器因其相頻特性中相位延遲越多對保護的動作時間驗車也越大，其中8階巴特沃斯濾波器進行濾波時，保護動作時間延時達到了6.67 ms。

圖10 故障I時不同階數濾波器增量差動電流比較

圖11 故障II時不同階數濾波器增量差動電流比較

圖12 故障II時不同階數濾波器保護動作時間比較

以動作時間延遲最長的8階巴特沃斯濾波器為例，其保護相關各通道相位延遲及保護動作時間影響如圖13所示。

圖13 8階巴特沃斯濾波器濾波時波形延時

表4中為兩種典型故障類型，經過不同階數巴特沃斯IIR濾波器進行濾波時，其增量差動保護動作時間受相位延遲影響所延遲的動作時間。

從仿真結果可以看出，幾種不同階數巴特沃斯數字濾波器進行仿真分析比較時，由于階數越高其相頻延遲時間更長，使得數字濾波器輸出跟蹤輸入的時間相對較慢，階數越高對換流變增量差動保護暫態性能影響較大，因此在可以滿足系統低通濾波對數字濾波器要求的前提下，不宜采用階數過高的數字濾波器，一方面會增加數據預處理的運算量，一方面也會影響繼電保護的暫態性能。

表4 不同階數巴特沃斯濾波器濾波保護動作時間

4 結束語

通過分析特高壓直流工程及傳統高壓直流工程中換流變保護配置的改變，分析了特高壓直流輸電工程中，按照換流閥及換流變壓器組作為整體進行保護配置，引入了數字濾波器進行數據預處理。

分別從濾波器型式和濾波器階數兩個角度進行了濾波器參數設計，通過仿真分析得到以下結論：

(1)引入IIR數字濾波器進行保護數據預處理后，因數字濾波器自身固有的滯后效應，將對換流變壓器差動保護，尤其是增量差動保護的暫態性能及動作切除時間造成一定影響，影響保護動作的快速性；

(2)通過對幾種不同型式濾波器濾波后保護動作時間的仿真分析，得出在低頻段具有平滑特性的巴特沃斯低通濾波器為最優選擇；

(3)通過對幾種不同階數巴特沃斯低通濾波器濾波后保護動作時間的仿真分析，得出在滿足保護系統低通濾波對數字濾波器要求的前提下，不宜采用階數過高的數字濾波器，過分追求數字濾波器的階數一方面會增加數據預處理的運算量，一方面也會影響繼電保護的暫態性能。