一種浪涌電流的飛點(diǎn)檢測(cè)算法

（長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518000）

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(shí)間則會(huì)延長(zhǎng)，衰減時(shí)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(gè)或連續(xù)飛點(diǎn)檢測(cè)，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(cè)方法在1.2 kHz 采樣率、采樣回路有RC 低通濾波的模式下無(wú)法可靠應(yīng)用。

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

1 飛點(diǎn)的影響

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

圖1 中，實(shí)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(guò)RC 低通濾波后可抑制飛點(diǎn)數(shù)值，但是飛點(diǎn)衰減時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。從圖1 可以看出，1 個(gè)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(dòng)作時(shí)間一般不超過(guò)5 ms，若對(duì)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(dòng)作[4]。若簡(jiǎn)單地延長(zhǎng)快速段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，則在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)出口時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足技術(shù)規(guī)范要求。為解決飛點(diǎn)引起的誤動(dòng)作問(wèn)題，需可靠識(shí)別飛點(diǎn)并主動(dòng)消除其對(duì)基波幅值的影響，同時(shí)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)應(yīng)能快速開(kāi)放繼電保護(hù)動(dòng)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，且通常考慮能識(shí)別出單個(gè)飛點(diǎn)，或不超過(guò)1 ms 時(shí)間的飛點(diǎn)，其主要應(yīng)用場(chǎng)景為智能變電站SV 模式[1-3]。

使用上述常規(guī)飛點(diǎn)識(shí)別方法，可從圖1 中的原始飛點(diǎn)波形中準(zhǔn)確識(shí)別出飛點(diǎn)特征。但經(jīng)過(guò)RC低通濾波后的波形，由于飛點(diǎn)衰減時(shí)間延長(zhǎng)，一般的飛點(diǎn)識(shí)別方法并不能可靠識(shí)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(cè)試項(xiàng)目，可快速檢驗(yàn)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(cè)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(cè)試過(guò)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(shí)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(gè)極值點(diǎn)，飛點(diǎn)數(shù)據(jù)衰減時(shí)間約6 ms。

在上述2 種浪涌抗擾測(cè)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(shí)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(dòng)作出口。

為解決浪涌沖擊等干擾對(duì)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(dòng)態(tài)波形識(shí)別及快速開(kāi)放算法，在有浪涌干擾時(shí)快速識(shí)別浪涌飛點(diǎn)波形特征，動(dòng)態(tài)調(diào)整快速邏輯段動(dòng)作延時(shí)以避免誤動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)快速開(kāi)放快速段保護(hù)邏輯，快速動(dòng)作出口。

3 動(dòng)態(tài)波形識(shí)別及快速開(kāi)放算法

動(dòng)態(tài)波形識(shí)別及快速算法流程如圖4 所示。

圖4 動(dòng)態(tài)波形及快速開(kāi)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(dòng)態(tài)波形識(shí)別；第二步為采樣值動(dòng)態(tài)調(diào)整快速開(kāi)放。

若動(dòng)態(tài)波形識(shí)別出飛點(diǎn)特征，則動(dòng)態(tài)調(diào)整快速邏輯段延時(shí)，延長(zhǎng)快速段動(dòng)作時(shí)間。僅當(dāng)動(dòng)態(tài)波形識(shí)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(shí)，才開(kāi)放快速段快速動(dòng)作。

3.1 浪涌動(dòng)態(tài)波形識(shí)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(shí)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(duì)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(lái)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。考慮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(lái)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。考慮到工頻波形的連續(xù)性及飛點(diǎn)的影響，除峰值左右點(diǎn)采樣值之差的絕對(duì)值較相鄰兩點(diǎn)采樣值之差的絕對(duì)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(shí)別靈敏度。

令：

式中：“‖”表示“或”邏輯；“&&”表示“與”邏輯。

式（3）中，q1（x）檢測(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)波形識(shí)別算法可識(shí)別出浪涌干擾波形的飛點(diǎn)特征，在當(dāng)前點(diǎn)x 時(shí)，可準(zhǔn)確識(shí)別出前一點(diǎn)，即（x-1）點(diǎn)為飛點(diǎn)極值點(diǎn)。當(dāng)檢測(cè)出前一點(diǎn)為異常飛點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，則閉鎖采樣值動(dòng)態(tài)調(diào)整快速開(kāi)放，閉鎖展寬5 ms 返回。

圖6 共模波形飛點(diǎn)識(shí)別

圖7 差模波形飛點(diǎn)識(shí)別

3.2 采樣值動(dòng)態(tài)調(diào)整快速開(kāi)放

采樣值動(dòng)態(tài)調(diào)整快速開(kāi)放算法如式（4）所示。

令：

式（4）中，“！”表示“非”邏輯。samFlag（x）函數(shù)檢測(cè)當(dāng)前時(shí)刻無(wú)浪涌動(dòng)態(tài)波形識(shí)別展寬閉鎖標(biāo)志，即浪涌動(dòng)態(tài)波形識(shí)別未產(chǎn)生飛點(diǎn)閉鎖條件。

samDir（x）函數(shù)，檢測(cè)當(dāng)前點(diǎn)與上一點(diǎn)的采樣值方向是否同向。檢測(cè)需滿足連續(xù)4 ms 時(shí)間內(nèi)，采樣值數(shù)據(jù)方向同向。考慮到工頻電流波形一個(gè)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(shí)兼顧存在一定直流偏置的工頻電流波形的快速開(kāi)放。

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

式（5）中，samOpen（x）函數(shù)即作為采樣值動(dòng)態(tài)調(diào)整快速開(kāi)放算法的最終結(jié)果，即動(dòng)態(tài)波形識(shí)別連續(xù)5 ms 未產(chǎn)生飛點(diǎn)閉鎖條件，同時(shí)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(dòng)態(tài)開(kāi)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(dòng)態(tài)延長(zhǎng)快速邏輯段保護(hù)動(dòng)作延時(shí)，以躲開(kāi)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(dòng)態(tài)波形識(shí)別

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

圖9 共模波形動(dòng)態(tài)波形識(shí)別

在浪涌沖擊的干擾下，動(dòng)態(tài)波形識(shí)別及快速開(kāi)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(dòng)態(tài)延長(zhǎng)快速段保護(hù)邏輯動(dòng)作延時(shí)，可靠躲開(kāi)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(kāi)放判據(jù)，當(dāng)閉鎖展寬消失時(shí)，采樣值已經(jīng)下降至無(wú)法連續(xù)滿足門檻，本文算法將動(dòng)態(tài)延長(zhǎng)快速段保護(hù)邏輯動(dòng)作延時(shí)，可靠躲開(kāi)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(cè)出飛點(diǎn)波形特征，并可靠動(dòng)態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯動(dòng)作延時(shí)，以避免誤動(dòng)作。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文提出算法的適用性和準(zhǔn)確性，對(duì)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(gè)飛點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，本文算法準(zhǔn)確在h（x）判出飛點(diǎn)，由于1 個(gè)飛點(diǎn)僅影響1 點(diǎn)采樣值高門檻，本文算法動(dòng)態(tài)延長(zhǎng)快速段邏輯動(dòng)作延時(shí)，可靠躲開(kāi)飛點(diǎn)干擾的影響。若在出現(xiàn)飛點(diǎn)后，同時(shí)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(kāi)放快速段保護(hù)邏輯，快速動(dòng)作出口切除故障。

圖11 中，正常工頻波形時(shí)，本文算法不會(huì)誤判出飛點(diǎn)情況，h（x）始終為無(wú)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(dòng)作條件即可開(kāi)放快速段保護(hù)邏輯。

圖10 1 個(gè)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(shí)，本文算法不會(huì)誤判出飛點(diǎn)情況，h（x）始終為無(wú)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(kāi)放快速段保護(hù)邏輯動(dòng)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(shí)，本文算法不會(huì)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(kāi)放快速段保護(hù)邏輯動(dòng)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(shí)，圖14 中電流可正確傳變5 ms，本文算法不會(huì)誤判出飛點(diǎn)情況，不影響保護(hù)動(dòng)作行為。

圖15 中，當(dāng)波形總含有較高比例的諧波時(shí)，本文算法不會(huì)誤判出飛點(diǎn)情況，不影響保護(hù)動(dòng)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(guò)對(duì)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(dòng)態(tài)波形識(shí)別及快速開(kāi)放算法可準(zhǔn)確識(shí)別出異常飛點(diǎn)的波形特征，并能動(dòng)態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯動(dòng)作延時(shí)，可靠躲開(kāi)飛點(diǎn)的影響。同時(shí)，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(dòng)作行為。該算法對(duì)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(shí)別度，可解決由于浪涌沖擊導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)作問(wèn)題；同時(shí)在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯，快速動(dòng)作出口切除故障。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種能可靠識(shí)別浪涌電流飛點(diǎn)特征的動(dòng)態(tài)波形識(shí)別及快速開(kāi)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(dòng)作問(wèn)題，同時(shí)在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)可動(dòng)態(tài)調(diào)整快速段保護(hù)邏輯，快速動(dòng)作出口切除故障。

通過(guò)對(duì)各種波形的仿真分析，驗(yàn)證了本文提出的算法比一般的單個(gè)飛點(diǎn)識(shí)別方法具有更高的準(zhǔn)確性及更廣的適用場(chǎng)景。