基于復合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案研究

王瀚杰，黃棋悅，夏冰冰

（1.國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；2.寧波職業技術學院，浙江 寧波 315800）

0 引言

智能變電站在數字化變電站的基礎上發展而來，采用先進、可靠、集成和環保的智能設備，利用信息的數字化、通信的網絡化、信息的標準化，能夠自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和檢測[1]。同時，能夠根據需求實現電網實時自動控制、智能調節、在線分析、協同互動等多個功能，是堅強智能電網建設中實現能源轉化和控制的核心平臺之一，代表了未來變電站的發展方向，具有廣闊的應用前景[2-3]。

隨著智能變電站的不斷發展，SV（采樣值）智能設備得到了廣泛應用。但近年來，因采樣數據異常、波形中出現“飛點”（數據異常點）等情況，智能變電站站域保護裝置誤動或者拒動現象時有發生。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，一旦發生保護誤動現象，就會危害整個電力系統的穩定運行，甚至導致系統解列[4]。

由于智能變電站的建設時間還不長，目前國內外對“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采樣“飛點”檢測算法，通過數學函數連續性及可去間斷點的定義得到“飛點”判據，該判據雖然能準確識別“飛點”數據，但僅限于單個“飛點”的情況，對于連續“飛點”判斷能力不足。傳統的識別方法普遍具有針對性不強、靈敏度不高、數據窗過長、數據無法恢復等缺陷。在“飛點”識別后也僅僅作閉鎖處理，雖能保證保護不拒動，但發生故障后的速動性也受到了挑戰[5-6]。

對此，本文提出一種基于復合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案。首先分析了智能變電站中“飛點”產生的原因和機理，并歸納總結了國內外的“飛點”識別方案優缺點[7-8]。在此基礎上，提出了復合波形識別算法，比較波形及其導數波形的相似程度，計算相似系數，識別波形“飛點”。再通過正弦恢復算法可將“飛點”數據修復。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“飛點”的電流波形，修復后的波形不會導致繼電保護誤動或拒動，滿足了站域保護的要求，驗證了該方案的可靠性。

1 方案比較

對現場出現的大量異常數據進行整理，并查閱有關文獻發現，SV 中“飛點”產生的機理非常復雜，主要原因有：電子式互感器電源異常影響合并單元的識別，造成數據的無效化；因外界因素導致合并單元和電子式互感器之間通信中斷，無數據傳輸；電磁干擾造成數據異常，進而形成“飛點”；因芯片工藝和算法設計問題形成“飛點”。為治理以上問題，國內外學者開展了大量研究和仿真工作，主要對策有延遲動作方案、雙重采樣數據方案、“飛點”識別算法方案等。

1.1 延遲動作方案

修改保護裝置的動作時間，使其延遲動作：當保護的延遲時間大于“飛點”可能出現的最大時間時，保護不會發生誤動情況。該方案在保證保護裝置可靠性的同時，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備。但智能變電站一般電壓等級較高，要求保護能夠立刻動作，因此該方案存在一定的局限性[9]。

1.2 雙重采樣數據方案

增設一路AD 采樣數據，采用雙重采樣數據進行保護的判別[10]。保護裝置2 路AD 采樣數據均滿足動作判據時才會動作。若只有1 路AD 數據滿足，則保護閉鎖、不動作。該方案在只有1路數據出現“飛點”時，仍能夠保持閉鎖，具有較高的可靠性。但會導致保護的動作變慢，在浪涌情況下仍有出現誤動的可能性，存在一定的不足。

1.3 “飛點”識別算法方案

在保護裝置內部增添一套“飛點”識別算法，有效識別波形中的“飛點”信號，發出閉鎖信號，保證裝置不誤動。以下對積分型波形識別法和導數型波形識別法進行簡單介紹[11-12]。

（1）積分型波形識別法

當線路發生短路故障時，保護裝置測得的故障電流與標準正弦波相似。“飛點”具有無序性的特點，出現“飛點”的波形將不同于標準正弦波。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如下：

當沒有“飛點”產生時，正常運行和短路故障時的波形對稱型系數Ksym=0，而產生“飛點”后的短路故障波形中Ksym?0。通過比較波形對稱系數，可以實現“飛點”的識別。

（2）導數型波形識別法

導數型波形識別法是一種基于電流半波對稱導數比較的算法。該算法的基本思想是用導數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Ksym來實現“飛點”的識別。

2 復合波形識別方案

上文研究了“飛點”識別的產生機理和解決方案，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”識別的準確性，加速保護的動作時間，降低可能的降級損失，本文提出了基于復合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案。該方案采用復合波形識別算法實現“飛點”數據的判別，再通過正弦還原法對“飛點”數據進行還原處理[13-15]。

2.1 復合波形識別原理

圖1 為發生短路故障時的電流波形，圖2 為對該電流波形進行微分處理后的微分波形。可以看出，故障電流波形及其導數波形與標準正弦信號相似程度高。假設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，與標準正弦波進行比較。若形狀相似，則可以判斷為故障電流值，無“飛點”數據。若形狀不相似，則可以判斷為出現“飛點”數據。根據積分波形對稱原理，給出波形對稱系數如下：

式中：S1為一定時間窗內微分電流波形的面積；S2為一定時間內標準正弦波形的面積。Ksym=0 時，波形無“飛點”數據；Ksym?0 時，波形有“飛點”數據。

2.2 正弦修復原理

若判斷波形含有“飛點”數據，采用正弦恢復方法對波形進行修復。將測量電流波形數據按照正弦信號的理想波形進行修復，公式如下所示：

式中：Ik為波形中出現的“飛點”數據；Isin·k為該點數據所對應的正弦信號的數據值。用正弦信號值代替出現的“飛點”數據，即可實現波形的修復。

2.3 方案流程

基于復合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案，就是利用復合波形計算波形對稱系數，從而實現對“飛點”數據的識別。判斷有“飛點”數據后，采用正弦修復方法，用正弦信號量代替“飛點”數據量，實現波形的修復。修復后，進行故障判別，若為短路故障，保護動作；若非短路故障，保護不動作。判斷無“飛點”數據后，直接進入故障判別環節。具體的方案流程如圖3 所示。

3 仿真驗證

3.1 異常數據檢測

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

圖3 飛識識別流程

表1 保護裝置動作情況表

表1 中，方案A 為基于復合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案，方案B 為其他保護方案，共進行了5 組仿真實驗。可以看出，5 組仿真數據中，未采用波形識別方案的保護裝置在正常運行時容易發生誤動，而在短路故障時可能發生拒動。而采用基于復合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案能夠保證保護裝置的可靠性，使其不誤動、不拒動。

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

圖6、圖7 分別為出現持續“飛點”的波形和經正弦修復后的波形。可以看出“飛點”群能夠被正確修復，仿真驗證了方案B 可以減少多個“飛點”對繼電保護的影響。

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

圖4 單個飛點波形圖

圖5 單個飛點波形修復

圖6 持續飛點波形

圖7 持續飛點波形修復

圖8 丟點波形

圖9 丟點波形修復

復合波形識別算法根據圖3 所示流程對波形進行修復后，再判別故障類型。若為短路故障，則保護裝置正常動作，不發生拒動。若為正常運行時電流，則保護正常不動作，不發生誤動。仿真驗證了該方案可以減少異常數據對繼電保護的影響。

3.2 動作時限檢測

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

表2 保護裝置動作時限

表2 中共4 組仿真數據，方案A 為基于復合波形識別算法的“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 為采用導數型波形識別法方案，方案D 為采用積分型波形識別法方案。可以看出，本文所提方案A動作時限較快，不會影響繼電保護正常動作。

4 結論

智能變電站采用數字化采樣的方式，SV 中大幅值“飛點”的出現導致保護誤動，危害變電站和電力系統的穩定運行。為解決“飛點”識別困難的問題，本文提出了基于復合波形識別算法的“飛點”檢測和還原方案，并得出如下結論：

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

（2）正弦還原算法將之前測出的“飛點”值進行還原。使用正弦信號量代替“飛點”數據來對波形進行還原，可以實現單個或多個“飛點”群的還原，無需閉鎖判據，保證了保護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行分析研究。實驗證明，正常運行時、故障運行時的“飛點”數據都能夠被正確識別和還原。正常運行時，若波形出現單個“飛點”、多個“飛點”、丟點，保護裝置不動作，不會誤動。故障運行時，若波形出現單個飛點、多個“飛點”、丟點，保護裝置正常動作，不會拒動。通過對動作時限的仿真驗證，發現保護裝置動作迅速，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用性。隨著我國變電站的推廣，該方案具有良好的應用能力和研究潛力。