基于感應濾波的繼電保護裝置失效自動檢測方法分析

國網遼寧省電力有限公司超高壓分公司 張文婷

繼電保護裝置作為電力系統的重要組成部分，在保障電力系統安全和穩定運行方面發揮著關鍵作用。然而，長期運行和復雜的工作環境可能導致繼電保護裝置的失效，進而降低了它們的保護能力。因此，研究繼電保護裝置失效自動檢測方法具有重要的意義。

1 濾波器設計

1.1 雙調諧濾波器特性分析

雙調諧濾波器是一種常用于信號處理的濾波器，具有獨特的頻率選擇特性和濾波性能。在基于感應濾波的繼電保護裝置失效自動檢測方法中，雙調諧濾波器被廣泛應用于故障信號和噪聲信號的分離與提取。因此，對雙調諧濾波器的特性進行詳細分析具有重要意義。

雙調諧濾波器的特性分析主要包括其頻率響應和傳輸函數等方面。頻率響應描述了濾波器在不同頻率下的增益特性，可以通過繪制幅頻特性曲線進行表示[1]；傳輸函數則提供了濾波器的輸入信號和輸出信號之間的數學關系，可以用于分析濾波器的頻率選擇性能和相位響應。為了深入理解雙調諧濾波器，必須分析其在阻擋特定頻率時的行為。這要求同時觀察濾波器中串聯和并聯路徑對信號的影響。具體來說，濾波器的性能可通過觀察其在不同諧波頻率點上的反應來評估，特別是在n1和n2兩個頻率點上的諧振現象[2],這一點在圖1的曲線中得到了清晰的展現。

1.2 雙調諧濾波器參數設計

在基于感應濾波的繼電保護裝置失效自動檢測方法中，雙調諧濾波器是關鍵的組成部分，用于有效地分離故障信號和噪聲信號。為了實現濾波器的最佳性能，需要進行適當的雙調諧濾波器參數設計。

首先，雙調諧濾波器的中心頻率是一個重要的設計參數。根據故障信號和噪聲信號的頻率分布情況，可以選擇合適的中心頻率以實現信號的有效分離；其次，帶寬是另一個關鍵參數。帶寬決定了濾波器對信號的頻率選擇性能，即在所選中心頻率附近的一定范圍內的頻率分辨能力。此外，雙調諧濾波器的增益也需要進行合理設計[3]。增益決定了濾波器的輸出信號幅度和對故障信號和噪聲信號的增強程度；最后，濾波器的穩定性、抗干擾性和實時性也需要考慮在內。穩定性確保濾波器的輸出始終在合理范圍內，并避免不穩定引起的誤差。

2 繼電保護自動檢測方法設計

2.1 分析感應濾波裝置失效響應特征

在繼電保護裝置失效自動檢測的研究中，分析感應濾波裝置失效的響應特征是至關重要的。感應濾波裝置作為繼電保護系統中的關鍵組件，負責對故障信號進行濾波和處理。通過對感應濾波裝置失效響應特征的分析，可以更好地理解失效的模式和特點，從而為失效自動檢測方法的設計提供依據。

依據二階模型原理，在實時工況下獲取感應濾波裝置失效后,電力機組轉子的運動方式如公式所示：F（t）=AΔω（t）+BΔω（t）+CΔω（t），式中：F（t）表示實時工況下感應濾波裝置失效的環境激勵，A表示電力機組轉子的慣性時間常數，B表示感應濾波裝置失效的阻尼系數，C表示感應濾波裝置失效的力矩系數，Δω表示電力機組運行中產生的功率增量[4]。

通過對感應濾波裝置失效的響應特征進行細致分析，可以提取出失效特征參數，并將其作為失效自動檢測的依據。這將有助于實時監測感應濾波裝置的工作狀態，及時發現并處理裝置的失效問題，提高繼電保護裝置的性能和可靠性?；诟袘獮V波裝置失效隨機振蕩理論，計算裝置失效基于實時工況自然激勵作用下產生的時域響應，其表達如公式所示：式中：h（λ）表示感應濾波裝置失效的單位脈沖響應，d表示裝置失效振蕩頻率， 為時間變量，F（t-λ）表示實時工況下感應濾波裝置失效的環境激勵。

2.2 解析繼電保護參數特征

在繼電保護裝置的失效自動檢測研究中，解析繼電保護參數的特征是非常重要的一步。繼電保護參數是繼電保護裝置用于判斷電力系統故障狀態的關鍵指標，通過對參數特征的分析，可以準確判斷繼電保護裝置的性能和健康狀態。以下是一些常見的繼電保護參數特征的解析方法：

幅值變化：觀察繼電保護參數的幅值變化情況，包括電流、電壓等。正常情況下這些參數的幅值應保持在一定范圍內。如果幅值超出了預期范圍，可能意味著系統發生了故障或裝置失效；頻率變化：繼電保護參數中的頻率也是一個重要的特征。通過監測頻率的變化，可以發現系統的頻率偏移和頻率擾動等異常情況；諧波分析：繼電保護裝置可以監測電流和電壓諧波成分。通過對諧波分析，可以判斷系統中的諧波含量是否超過了標準限制，進而判斷系統是否存在異常情況[4]。

為了降低繼電保護參數特征解析的難度，在此基礎上,采用等效建模方法獲取繼電保護參數在感應濾波裝置失效后的穩定性變化，如圖2所示。通過解析繼電保護參數的特征，可以建立參數的基準范圍，并設計適當的故障判據和算法，進行繼電保護裝置的失效自動檢測。這將大大提高繼電保護系統的可靠性和安全性，保障電力系統的穩定運行。

圖2 感應濾波裝置失效后繼電保護參數穩定性變化

2.3 基于潮流嫡提取裝置失效繼電保護參數

在繼電保護系統中，潮流導數提取裝置是常用的一種方法，用于實時計算電力系統中各個節點的潮流導數。根據感應濾波裝置失效繼電保護參數權重分配結果,計算參數的潮流嫡如公式所示：

式中：T表示感應濾波裝置失效繼電保護參數的潮流嫡,δi表示感應濾波裝置失效繼電保護元件的潮流分布率,Mi表示裝置失效支路的初始潮流,Ma表示裝置失效所有支路的潮流和。通過計算，獲取感應濾波裝置失效繼電保護參數的潮流嫡結果，可以有效地提取基于潮流導數的繼電保護參數并檢測裝置是否失效。這有助于維護繼電保護系統的穩定性和可靠性，并提高對電力系統故障的檢測能力。

3 實驗分析

3.1 實驗流程

通過設計和搭建實驗平臺，可以對提出的繼電保護裝置失效自動檢測方法進行實驗驗證。為進一步驗證本文設計方法的可行性,進行了以下實驗。本文選取X 感應濾波裝置失效為研究目標，該裝置失效包含15臺電力機組，其中4臺為大型等值電力機組，形成一個獨立的運行區域，整個感應濾波裝置失效含有80條輸電線路，整體運行狀況良好，將本文設計的繼電保護自動檢測方法應用到該裝置失效中[5]。本次實驗中繼電保護自動檢測流程如圖3所示。

圖3 繼電保護自動檢測的流程

為了驗證提出的繼電保護裝置失效自動檢測方法的可行性，設計了以下實驗流程。

分區處理電力系統：根據實驗需求，將電力系統按照一定的規則進行分區處理，將電力系統劃分為若干子區域。每個子區域包含若干電力設備和線路，構建起一個簡化的系統模型；構建參數提取節點集：根據實驗目標和參數要求，在每個子區域中選擇適當的節點作為參數提取節點，這些節點將用于測量和獲取繼電保護參數，如電流、電壓、頻率等。

高斯消除電網信息數據：通過應用高斯消元法處理電網信息數據，消除電網參數之間的相關性和冗余性。這樣可以得到更準確和獨立的繼電保護參數；查找線路保護定值：根據實驗的需要，查找適當的線路保護定值用于繼電保護裝置。這些定值根據電力系統的特點和要求進行優化和調整，以確保裝置的準確性和性能。

提取繼電保護參數：利用實驗中設置的參數提取節點，對電力系統中的實時數據進行測量和提取繼電保護參數。這些參數包括電流幅值、相角、電壓變化等，用于后續的故障檢測和分析；校核無誤后輸出結果：對提取的繼電保護參數進行校核和驗證，確保數據的準確性和一致性。如果數據無誤，則將結果輸出，用于后續的失效自動檢測和分析[6]。

通過以上實驗流程，能夠對電力系統進行分區處理，并構建參數提取節點集。通過高斯消元法處理數據，查找線路保護定值，并提取繼電保護參數。最后，對數據進行校核后，輸出相應的結果用于后續的分析和檢測。這個流程能夠幫助驗證繼電保護裝置失效自動檢測方法的可行性和有效性。

3.2 實驗結果

采用對比分析的實驗方法[5],對比本文設計的自動檢測方法與傳統的基于神經網絡的裝置失效繼電保護自動檢測方法。其對比結果如表1所示。由表1可知,在兩種自動檢測方法中,本文設計方法的自動檢測結果的阻尼比均值和標準差與參考值相比偏差較小，表明提取結果精度較高，且與傳統自動檢測方法相比優勢顯著。

表1 兩種方法參數與阻尼比均值和方差對比

綜上所述，本文針對繼電保護裝置失效自動檢測問題，提出了基于感應濾波的方法。通過設計雙調諧濾波器并分析感應濾波裝置失效響應特征，成功獲得了失效的特征參數。通過解析繼電保護參數特征和利用潮流提取裝置，得到了失效繼電保護參數的準確獲取方法。實驗結果表明，所提出的方法在失效自動檢測方面具有良好的可行性和有效性。本論文的研究成果為電力系統繼電保護裝置失效自動檢測領域提供了寶貴的經驗和方法，對于提升電力系統的安全性和穩定性具有重要的實際應用價值。