基于EMD的直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)振蕩閉鎖裝置研制

劉軍 等

摘要：為了避免直流牽引供電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動作，并保證繼電保護(hù)裝置的靈敏性，須對振蕩信號和短路故障信號進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）方法對振蕩信號和短路故障信號的特征量進(jìn)行提取，可有效區(qū)分這兩種信號，從而保證繼電保護(hù)裝置有足夠的靈敏性，也實(shí)現(xiàn)不誤動和不拒動的可靠性。

關(guān)鍵詞：直流牽引 繼電保護(hù) 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 電力系統(tǒng)振蕩

0 引言

近年來，我國城市地鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，地鐵供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是地鐵安全運(yùn)行的最基本保障，緊密關(guān)系著人民的生命財產(chǎn)安全及社會穩(wěn)定。但是，由于有關(guān)直流牽引供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展時間較短，仍處于初級階段，相對于比較完善的交流供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)來說，直流牽引供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)還存在著很多問題。例如，對于直流牽引供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的振蕩電流，目前的繼電保護(hù)技術(shù)采取的是“寧誤動、不拒動”的方式，這顯然不能滿足繼電保護(hù)的基本要求，使直流牽引供電系統(tǒng)的可靠性降低。

振蕩是電力系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，系統(tǒng)振蕩時電流、電壓會發(fā)生周期性變化。當(dāng)電流的變化超過繼電保護(hù)的整定值時就會引起繼電保護(hù)裝置誤動作。要想避免誤動作的發(fā)生，并保證繼電保護(hù)裝置的靈敏性，須對振蕩信號和短路故障信號進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，構(gòu)成振蕩閉鎖裝置。振蕩閉鎖裝置須滿足4個基本要求：①供電系統(tǒng)發(fā)生振蕩而沒有出現(xiàn)短路故障時，應(yīng)能可靠地將保護(hù)裝置閉鎖，振蕩不停息，閉鎖不解除；②在繼電保護(hù)裝置的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時，保護(hù)裝置不被閉鎖而能可靠動作；③在振蕩過程中發(fā)生故障時，保護(hù)裝置應(yīng)能不受振蕩影響正確動作；④供電系統(tǒng)先發(fā)生故障又發(fā)生振蕩時，保護(hù)裝置不會誤動作。

1 直流牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)

1.1 di/dt-ΔI保護(hù)

繼電保護(hù)裝置是經(jīng)常應(yīng)用于接觸網(wǎng)電力系統(tǒng)中的主保護(hù)之一，在我國的地鐵供電系統(tǒng)直流側(cè)的繼電保護(hù)中已普遍應(yīng)用。電流上升率 di/dt保護(hù)用于中、遠(yuǎn)端保護(hù)，整定值應(yīng)確定動作值E、返回值F及動作延時時間Δt；電流增量ΔI保護(hù)用于近端保護(hù)，整定值應(yīng)確定電流增量ΔI及動作延時時間Δt。由于地鐵車輛起動時電流上升率和電流增量是地鐵供電系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的最大值，所以di/dt-ΔI繼電保護(hù)裝置的動作值按躲過車輛起動時的電流上升率和電流增量設(shè)置整定值。繼電保護(hù)的動作條件有兩個：①電流的初始上升率di/dt大于列車起動時的電流上升率di/dt；②電流增量ΔI大于列車起動時的電流增量ΔI。

di/dt-ΔI繼電保護(hù)的整定值設(shè)置的較小，所以靈敏度極高。當(dāng)直流牽引供電系統(tǒng)中出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象時，振蕩電流的變化所引起的電流增量和上升率超過整定時也會造成保護(hù)裝置動作。由于振蕩電流出現(xiàn)的時間很短，不會對電氣設(shè)備產(chǎn)生較大影響從而不需要繼電保護(hù)動作，所以由振蕩電流所引起的保護(hù)裝置動作為誤動作，應(yīng)該避免。

1.2 保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動作的原因

di/dt-ΔI繼電保護(hù)裝置容易受到振蕩電流的影響而產(chǎn)生誤動作的原因，是因?yàn)檎袷庪娏鞯淖兓鸬碾娏髟隽亢蜕仙逝c電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的波形十分相似。某站采集到的牽引直流電網(wǎng)發(fā)生振蕩時的振蕩電流波形如圖1所示。

圖1 振蕩電流波形圖

從圖1中可以看出，振蕩電流從0A升至4000A用了5ms時間，電流上升率為800A/ms，超出了di/dt-ΔI保護(hù)裝置設(shè)定的整定值60A/ms，完全能引起保護(hù)裝置動作。振蕩電流的特點(diǎn)是電流的變化幅度大，即電流上升率高，但振蕩電流存在時間短，能迅速恢復(fù)到正常值，不會對直流饋線和列車造成影響。而因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置的誤動作所造成的損失卻是無法估量的，不但影響列車的正常運(yùn)行、造成人民生命財產(chǎn)損失、影響社會穩(wěn)定、還會減短電力系統(tǒng)及繼電保護(hù)的使用壽命，所以必須安裝振蕩閉鎖裝置，對這種誤動作進(jìn)行避免。

由上面的分析不難發(fā)現(xiàn)，要想避免保護(hù)裝置誤動作，需要為保護(hù)裝置安裝振蕩閉鎖裝置。但根據(jù)振蕩閉鎖裝置的基本要求，振蕩閉鎖裝置需要具有區(qū)分由短路電流造成的電流上升率和由振蕩電流造成的電流上升率的能力，才能既保證繼電保護(hù)裝置的靈敏性，又保證繼電保護(hù)不發(fā)生誤動作。基于此，本文提出了利用EMD分解方法來提取直流牽引電網(wǎng)的振蕩電流的特征量以便對振蕩電流和短路電流進(jìn)行識別。

2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，簡稱為EMD），是由美籍華人黃鍔博士率先提出的一種全新的信號處理方法。EMD的原理是根據(jù)被分析波形所具有的時間尺度趨勢信息來分析信號，而不需要額外設(shè)定任何基函數(shù)。通過EMD，能自動將信號分解為僅反映信號局部波動的若干階模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，簡稱IMF）。模態(tài)函數(shù)不需要用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表達(dá)，而是根據(jù)被分析信號的波形發(fā)展趨勢進(jìn)行自我修正，這一優(yōu)點(diǎn)明顯強(qiáng)于需要提前建立基函數(shù)才能對信號進(jìn)行分析的傅里葉變換和小波分解方法。下面簡要描述一下EMD對信號的分解原理。

假設(shè)某平穩(wěn)信號x（t）的傅里葉變換表達(dá)式為x（t）=αcosφ。這種分解方法對平穩(wěn)信號是十分有效的。但當(dāng)信號是不平穩(wěn)信號時，可以用下式來表示其傅里葉變換：

x（t）=α（t）cosφ （1）

式（1）中振幅值和頻率值都隨時間變化（即模態(tài)函數(shù)，IMF），這就是不平穩(wěn)信號的EMD分析結(jié)果表達(dá)式，它用IMF反映了所分析信號的特征，即不穩(wěn)定性。對于一個數(shù)字信號來說，也同樣可用EMD來分析，當(dāng)對一個數(shù)字信號進(jìn)行n階分解后，可得到其n階分解結(jié)果：

x（t）=c（t）+r（t）（2）

即信號被分解為n個模態(tài)函數(shù)c（t），n=1，2，…n和1個余量r（t），余量r（t）表示了原始信號中的變化趨勢或?yàn)橐粋€常數(shù)（無變化趨勢）。

3 信號特征量提取及仿真驗(yàn)證

為了區(qū)分由短路電流造成的電流上升率和由振蕩電流造成的電流上升率，采用EMD方法對采集到的電流進(jìn)行分解，通過分解后的結(jié)果來提取二者的特征量。為了能將此種方法真正應(yīng)用于實(shí)際的繼電保護(hù)裝置中，要求特征量的提取過程簡單可靠，且特征要比較明顯。對某直流牽引電網(wǎng)所采集到的，具有代表性的振蕩電流波形和短路電流波形以及兩種信號采用EMD分解后的波形一起表示在圖2中。

圖2 振蕩電流和短路電流波形及EMD分解結(jié)果

比較圖2中的波形能夠看出，直流牽引電網(wǎng)的振蕩電流和短路故障電流的波形模態(tài)差異明顯，但用計算的方法來區(qū)分這兩種波形并不容易。當(dāng)將兩種波形經(jīng)EMD分解后，兩種波形的特征則更加突顯，基于分解后的波形區(qū)別兩種波形變得十分容易?？偨Y(jié)下來，其特征有兩點(diǎn)：①振蕩電流波形的IMF分量幅值大且多，而短路電流波形的IMF分量幅值少且??；②經(jīng)EMD分解后，振蕩電流波形的余量曲線斜率呈負(fù)數(shù)，表明振蕩發(fā)生后，振蕩電流整體減小的趨勢；而短路電流的余量曲線斜率為正，表明了短路電流整體上升的趨勢。采用將電流信號進(jìn)行 EMD 分解后的余量斜率作為特征量，則可以準(zhǔn)確而容易地識別直流牽引電網(wǎng)中振蕩電流信號與短路故障電流信號。

為驗(yàn)證這種方法在各種情況下均能對振蕩電流和短路電流進(jìn)行很好的區(qū)分，仍取某地鐵供電系統(tǒng)在距離繼電保護(hù)安裝處的1km，2km，3km 處發(fā)生短路時的仿真短路電流波形進(jìn)行分析，經(jīng)EMD分解后，提取3種波形的余量r（t）進(jìn)行對比。分解的結(jié)果明顯顯示了各個短路電流的波形整體變大的趨勢，在和振蕩電流的EMD分解結(jié)果進(jìn)行對比時，并不需要對其電流特征進(jìn)行數(shù)量化。只需要對余量r（t）求斜率就可以進(jìn)行比較，所以比較過程非常簡單方便。其計算結(jié)果如表1所示。

表1 電流波形經(jīng)EMD分解后余量r（t）的斜率計算結(jié)果

[電流波形

余量斜率][負(fù)荷振蕩電流

-0.46][1km短路電流

4.19][2km短路電流

2.45][3km短路電流

1.79]

4 結(jié)論

由于直流牽引電網(wǎng)的振蕩電流存在整體下降的趨勢，導(dǎo)致其波形經(jīng)過EMD分解后的余量r（t）斜率為負(fù)值，而短路電流的EMD分解后余量r（t）斜率為正值。因此可將斜率作為特征量區(qū)分振蕩電流和短路電流，從而構(gòu)成振蕩閉鎖裝置。實(shí)用中，將振蕩閉鎖裝置的整定值設(shè)置為0，當(dāng)余量r（t）斜率為負(fù)值時閉鎖di/dt-ΔI保護(hù)裝置；當(dāng)余量r（t）斜率為正值時，開放繼電保護(hù)裝置，然后按di/dt-ΔI的整定值判斷是否需要繼電保護(hù)動作，動作完成后，立刻再次閉鎖保護(hù)裝置。

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作者簡介：

劉軍（1976-），男，江蘇淮陰人，江蘇長天智遠(yuǎn)交通科技有限公司，主要研究方法為機(jī)電一體化。