SV采樣報文異常大值的特征及檢測方案研究

王劍宇，張曉莉，艾淑云

(1.華北電力大學，北京 102206；2.中國電力科學研究院，北京 100192)

采樣測量值(Sampled Measured Value，SMV，也稱SV)，是一種用于實時傳輸數(shù)字采樣信息的通信服務，在智能站的保護裝置中已得到廣泛采用。實際運行中異常采樣信息可能造成保護的不正確動作，特別是異常大值(飛點)的出現(xiàn)，對電網(wǎng)的安全運行構成了威脅。目前對飛點的理論研究工作相對滯后且缺少有效試驗手段，深入研究智能變電站SV采樣報文異常大值的特征及對保護的影響可為工程技術人員找到更為完善的采樣信息解決方案提供理論依據(jù)，為保護算法的研究工作提供參考，有助于建立并完善相關測試方法和評價體系。

1 SV采樣報文異常的分類

通過對現(xiàn)場異常數(shù)據(jù)及相關文獻資料的梳理，電學電子式互感器信號異常主要有三種情況：電子式互感器采集器電源異常，其表現(xiàn)形式為采樣數(shù)據(jù)異常，采集器將無效標志上送給合并單元(Merging Unit，MU)，合并單元送給保護的數(shù)據(jù)對應通道品質標注為無效；采集器與合并單元通信中斷，合并單元送給保護的數(shù)據(jù)為0且對應通道品質無效；干擾原因的影響。主要是應用在氣體絕緣全封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)內(nèi)或主變低壓側而產(chǎn)生的干擾。

合并單元(MU)環(huán)節(jié)時鐘信號異常主要有兩種情況：MU接收到的時鐘信號從無到有，這可能是同步光纖連接問題恢復或時鐘信號擴展設備重新上電造成的；主時鐘快速跟蹤衛(wèi)星信號等情況導致MU接收到的時鐘信號發(fā)生跳變。延時和同步是MU的兩個重要指標，設備投運后可能出現(xiàn)延時和同步問題。

此外MU的收發(fā)時序控制邏輯不得當會產(chǎn)生“毛刺”現(xiàn)象。

隨著智能電子設備(Intelligent Electronic Device，IED)的廣泛應用，以微電子技術為基礎的電子設備對暫態(tài)干擾具有更加明顯的敏感性和脆弱性。變電站自動化系統(tǒng)多采用分層分布式結構，繼電保護裝置“下放”安裝在高壓開關柜內(nèi)或在超高壓開關場附近，EMC問題更為突出[4]。電子設備受強電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)也可能導致異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

理想的光纖傳輸網(wǎng)絡其傳輸數(shù)據(jù)和信息信道非常穩(wěn)定，幾乎不受任何電磁干擾，但在實際系統(tǒng)中誤碼卻依然存在。除內(nèi)部的誤碼機理，更大程度上是因為外界的突發(fā)性擾動：光纖自身折射率隨環(huán)境溫度發(fā)生改變導致的傳輸時延不穩(wěn)定，進而產(chǎn)生漂移 ；光纖通道受應力作用造成的傳輸異常甚至中斷。

另外系統(tǒng)中大量電子元器件的采用對工藝和穩(wěn)定性都提出了更高要求，長期運行中可能暴露出潛在的設計缺陷，導致異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

綜上可將異常報文分為四類：①雙A/D采樣報文不一致；②品質位異常；③報文丟幀；④異常大值(飛點)。目前，保護廠家已有較為成熟的技術方法來甄別前三類異常報文并可靠閉鎖保護，但對異常大值(飛點)的特征及對保護算法的影響研究相對滯后，嚴重阻礙了保護及相關檢測工作的開展。

異常大值(飛點)是隨機出現(xiàn)且數(shù)值極大的采樣值，可以是孤立的單個飛點，也可以是連續(xù)的多個飛點，且沒有嚴格的周期特征。考慮到保護算法的基本原理及實驗需要可將異常大值作為周期性的脈沖序列進行研究，通?？煞譃椋孩匐S機出現(xiàn)的單點大值；②連續(xù)幾點大值；③一直連續(xù)產(chǎn)生的大值，呈現(xiàn)直流特性。

2 異常大值的特征參數(shù)

在EMC電磁兼容GB/T14598.10—2007 《電氣繼電器 第22－4部分：量度繼電器和保護裝置的電氣騷擾試驗—電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗》中將數(shù)量有限且清晰可辨的脈沖序列定義為脈沖群(Burst)，從特征上可將異常大值(飛點)視為一種異常干擾信號進行研究。特征參數(shù)是用于表征物質或現(xiàn)象特性的參數(shù)信息，表征異常大值(飛點)的特征參數(shù)包括：均勻度、初相角、交變度、連續(xù)飛點個數(shù)、單個飛點、峰值和頻率。

3 異常大值對保護算法的影響

通過對典型飛點情況的比較分析，得到異常大值飛點各特征參數(shù)對保護算法的影響規(guī)律。

3.1 均勻度

均勻度是指一周波內(nèi)至少兩個飛點(≥2點/周波)且相鄰每點的時間間隔的接近程度。若其他特征參數(shù)不變，均勻度越高對基波增量Δ影響越小，均勻度越低影響越大。

以一周波內(nèi)兩個飛點為例，一點初相角90°，另一點初相角270°，此時恰為均勻分布，均勻度最大，見圖1。

圖1 均勻度

作為特例直流均勻分布是指一周波內(nèi)至少有兩點(≥2點/周波)且相鄰每點的時間間隔均相等、幅值相等、極性相同。此類特征的飛點呈現(xiàn)直流特性，其對基波增量Δ無影響。

單個飛點可以認為是多點重疊后的特例，是均勻度最小的極限情況。

3.2 單個飛點

單個飛點未被保護采樣抽取到則對保護算法沒影響，抽取到則與未經(jīng)數(shù)據(jù)預處理時計算結果近似(影響可忽略)。綜上數(shù)據(jù)預處理過程(數(shù)字低通濾波和抽取插值算法)對單個飛點沒有明顯影響。單個飛點初相角為90°時對原始信號的基波影響最大。

3.3 初相角

單個飛點初相角90°對原始信號的基波影響最大，見圖2。初相角0°對原始信號的基波影響最小。

圖2 初相角

3.4 交變度

交變度(基頻交變相似程度)是指一周波內(nèi)至少有兩個極性相反的點(≥2點/周波)，其相位接近基頻交變的程度(基頻交變即間隔180°且極性相反)，其他特征參數(shù)不變，交變度越高對基波增量Δ影響越大，交變度越低影響越小。

以一周波內(nèi)兩個飛點為例，一點初相角90°，另一點初相角270°，此時飛點對基波影響最大，恰好為基頻交變相似度最大，見圖3。

當兩個飛點同相位且極性相反時，基頻交變相似度最小(極限情況)，此時飛點可相互抵消。

圖3 交變度(基頻交變相似程度)

3.5 連續(xù)飛點

連續(xù)飛點是指一周波內(nèi)以最小時間間隔彼此相鄰的各點(≥2點/周波)。

將連續(xù)幾個同極性飛點以中間一點為中心縮小尺度后觀察，其影響規(guī)律與單個飛點相似。對于連續(xù)幾個同極性飛點，中間一點的初相角為90°時對原始信號的基波影響最大，見圖4。

圖4 連續(xù)飛點

3.6 峰值

在飛點極性與峰谷極性相同且非均勻分布的情況下，當其他特征參數(shù)不變時，峰值對基波增量Δ影響呈正相關，且在一些情況下呈線性或在某一范圍內(nèi)近似線性關系。另外對于同極性且均勻分布的飛點，因呈現(xiàn)直流特性峰值變化對基波增量Δ無影響(見3.1結論)。

4 疊加原理

上面對特征參數(shù)的分析均滿足疊加原理，非典型的異常飛點的特征可等效于典型飛點特征參數(shù)的疊加效果。

5 建模及數(shù)字仿真

利用MATLAB Simulink仿真模塊庫構建SV異常大值(飛點)仿真系統(tǒng)，可對飛點特征參數(shù)的作用機理和關鍵影響因素進行理論研究和仿真驗證。該系統(tǒng)由異常大值(飛點)、MU采樣報文、保護采樣數(shù)據(jù)預處理、典型保護算法等模塊組成，見圖5。

5.1 MU采樣報文模塊

采用連續(xù)正弦波作為信號源并通過采樣脈沖將信號離散化，數(shù)據(jù)采樣點間隔設置為250 μs，即80點/周波，見圖6。

圖5 SV異常大值(飛點)仿真系統(tǒng)

圖6 MU采樣報文模塊

5.2 異常大值(飛點)模塊

該模塊含兩級子系統(tǒng)模塊，可模擬一周期內(nèi)(80點)任意形式的飛點情況，圖7。

5.3 保護采樣數(shù)據(jù)預處理模塊

將MU采樣報文(80點/周波)作為輸入，經(jīng)數(shù)字低通濾波后進行抽取與插值得到采樣數(shù)據(jù)預處理后的報文(20點/周波)。

5.4 典型保護算法模塊

將采樣數(shù)據(jù)預處理后的保護采樣報文(20點/周波)作為輸入，經(jīng)傅里葉變換得到基波幅值，當基波值大于保護定值即滿足動作邏輯時保護動作。

6 SV異常報文(異常大值)試驗檢測方案

基于異常大值飛點特征參數(shù)對保護算法的影響規(guī)律，提出SV異常大數(shù)據(jù)的試驗檢測方案，見表1～表5。

測試目的：考核被保護設備未發(fā)生故障的正常狀態(tài)下，保護設備(受試設備EUT，equipment under test)對異常大值(飛點)的抗擾動能力。

測試要求：要求EUT至少能承受嚴酷等級為D級的抗擾度試驗。受試設備投入所有保護。對裝置不施加任何激勵，裝置不應誤動；對裝置施加120%的的電流、電壓，裝置不應拒動。裝置應正常工作，功能和性能應符合標準要求。

表1 檢測方案1

圖7 異常大值(飛點)二級子模塊(80點/周波)

表2 檢測方案2

表3 檢測方案3

表4 檢測方案4

表5 檢測方案5

利用光數(shù)字繼電保護測試儀對保護裝置進行靜態(tài)模擬試驗。采用一臺ONLLY F系列光數(shù)字繼電保護測試儀進行測試，被試裝置為一臺220kV變壓器保護。試驗結果驗證了特征參數(shù)對保護算法的影響規(guī)律，上述基于特征參數(shù)的測試方案可以真實反映保護裝置對異常大值(飛點)的抗擾度能力。

7 結語

本文對SV采樣異常報文的種類和產(chǎn)生機理做了分類歸納，重點對直接影響算法的SV采樣異常大值(飛點)的特征參數(shù)進行了深入研究，充分比較了各類飛點對典型保護算法的影響，揭示了特征參數(shù)對算法的影響并作了量化分析。最后提出了針對異常大數(shù)據(jù)(飛點)的試驗檢測方案。對于改進算法，完善相關標準，提高智能站保護的可靠性具有重要意義。

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