一種浪涌電流的飛點檢測算法

（長園深瑞繼保自動化有限公司，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，繼電保護設備采樣中容易出現(xiàn)類似飛點的數(shù)據(jù)。在繼電保護設備采樣回路RC低通濾波的處理下，飛點數(shù)值受到抑制，但衰減時間則會延長，衰減時間由濾波參數(shù)確定，一般在3～5 ms。目前較為主流的飛點判別方法是濾波前的4 kHz 采樣率下單個或連續(xù)飛點檢測，主要適用于智能變電站SV（采樣值）模式[1-3]。但上述飛點檢測方法在1.2 kHz 采樣率、采樣回路有RC 低通濾波的模式下無法可靠應用。

繼電保護設備需要快速識別浪涌干擾的異常波形，避免因干擾帶來的飛點影響采樣而誤動作，同時在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時能快速正確動作出口。針對上述問題，本文提出一種抗浪涌沖擊的動態(tài)波形識別及快速開放算法，能快速識別浪涌沖擊干擾的異常波形，同時在區(qū)內(nèi)故障時可快速開放保護設備動作。

1 飛點的影響

當電流產(chǎn)生飛點數(shù)據(jù)時，經(jīng)RC 低通濾波后的波形如圖1 所示。

圖1 中，實線波形為工頻電流由于干擾出現(xiàn)了一點飛點數(shù)據(jù)，經(jīng)過RC 低通濾波后可抑制飛點數(shù)值，但是飛點衰減時間會延長。從圖1 可以看出，1 個飛點影響了電流全周基波幅值約23 ms。

圖1 1 點飛點數(shù)據(jù)經(jīng)RC 低通濾波

繼電保護設備快速段保護動作時間一般不超過5 ms，若對因干擾出現(xiàn)的飛點數(shù)據(jù)不做處理，則繼電保護設備可能發(fā)生誤動作[4]。若簡單地延長快速段保護動作時間，則在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時出口時間過長，不能滿足技術規(guī)范要求。為解決飛點引起的誤動作問題，需可靠識別飛點并主動消除其對基波幅值的影響，同時在區(qū)內(nèi)故障時應能快速開放繼電保護動作出口。

目前較為主流的飛點判別方法要求采樣率一般不低于2 kHz，且通?？紤]能識別出單個飛點，或不超過1 ms 時間的飛點，其主要應用場景為智能變電站SV 模式[1-3]。

使用上述常規(guī)飛點識別方法，可從圖1 中的原始飛點波形中準確識別出飛點特征。但經(jīng)過RC低通濾波后的波形，由于飛點衰減時間延長，一般的飛點識別方法并不能可靠識別出此類衰減的飛點數(shù)據(jù)特征。

當前電力系統(tǒng)內(nèi)的大部分繼電保護設備為傳統(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。當系統(tǒng)受到浪涌沖擊等干擾，電流中出現(xiàn)飛點數(shù)據(jù)時，若不做防護處理，則繼電保護設備很可能發(fā)生誤動作。至今，電力系統(tǒng)內(nèi)已發(fā)生多起由飛點導致的繼電保護設備誤動作情況。

2 浪涌干擾波形特征分析

浪涌抗擾作為電磁兼容的標準測試項目，可快速檢驗繼電保護設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 種模式的測試過程中，繼電保護設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，負荷電流出現(xiàn)峰值約2 A 的飛點數(shù)據(jù)，飛點數(shù)據(jù)衰減時間約3 ms。

圖3 中，在共模方式下施加浪涌干擾，負荷電流出現(xiàn)峰值約1.5 A 的飛點數(shù)據(jù)，且出現(xiàn)2 個極值點，飛點數(shù)據(jù)衰減時間約6 ms。

在上述2 種浪涌抗擾測試模式下，均出現(xiàn)了明顯的飛點數(shù)據(jù)。其中，在共模浪涌干擾下，電流波形性能更差，飛點衰減時間6 ms，影響工頻基波26 ms，若繼電保護不做處理，其快速邏輯段的保護將誤動作出口。

為解決浪涌沖擊等干擾對傳統(tǒng)變電站繼電保護設備采樣的影響，本文提出一種新的抗浪涌沖擊的動態(tài)波形識別及快速開放算法，在有浪涌干擾時快速識別浪涌飛點波形特征，動態(tài)調(diào)整快速邏輯段動作延時以避免誤動作；當發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時快速開放快速段保護邏輯，快速動作出口。

3 動態(tài)波形識別及快速開放算法

動態(tài)波形識別及快速算法流程如圖4 所示。

圖4 動態(tài)波形及快速開放算法流程

如圖4 所示，該算法分兩步：第一步為浪涌波形動態(tài)波形識別；第二步為采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放。

若動態(tài)波形識別出飛點特征，則動態(tài)調(diào)整快速邏輯段延時，延長快速段動作時間。僅當動態(tài)波形識別未產(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，才開放快速段快速動作。

3.1 浪涌動態(tài)波形識別

如圖5 所示，以波形特征更差的共模浪涌沖擊為例進行分析。

圖5 浪涌干擾波形識別

設f（x）為當前點數(shù)據(jù)，f（x-1）為前一點數(shù)據(jù)、f（x-2）為前兩點數(shù)據(jù)、f（x-3）為前三點數(shù)據(jù)。

令：如式（1）所述，y1（x）為前一點與前兩點的采樣值之差，y2（x）為當前點與前一點的采樣值之差，y3（x）為前一點與前三點的采樣值之差。

令：

式中：y4（x）和y5（x）為對應采樣點采樣差矢量之積，根據(jù)乘積的正負方向來定位極值點的位置；y6（x）為飛點的門檻判斷，本文考慮浪涌沖擊干擾產(chǎn)生的飛點不應小于額定電流。

鑒于工頻情況下波形的連續(xù)性，在50 Hz 工頻下相鄰采樣點之差與其數(shù)值成比率關系。y7（x），y8（x），y9（x）為相鄰采樣值之差與f（x-1）點采樣值大小的關系判斷?？紤]到工頻情況下波形的連續(xù)性，設置一定的比較折算系數(shù)k1，k2，k3 來判斷f（x-1）點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）為相鄰兩點采樣值之差，y3（x）為間隔一點的采樣值之差?？紤]到工頻波形的連續(xù)性及飛點的影響，除峰值左右點采樣值之差的絕對值較相鄰兩點采樣值之差的絕對值小，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，可提高波形識別靈敏度。

令：

式中：“‖”表示“或”邏輯；“&&”表示“與”邏輯。

式（3）中，q1（x）檢測極值點數(shù)據(jù)所處的位置，極值點位置左右的采樣值之差矢量方向應相反，且極值數(shù)據(jù)需大于額定電流。當q1（x）滿足條件，則定位（x-1）采樣點為波形極值點。

q2（x）檢測極值點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q2（x）滿足條件，則定位（x-1）采樣點數(shù)值為大于正常工頻波形連續(xù)性的極值點。

h（x）函數(shù)根據(jù)上述結果判斷前一點是否為異常數(shù)據(jù)飛點，當h（x）滿足條件，則判斷（x-1）采樣點為飛點所處的位置。

以浪涌沖擊波形為例，分析得到h（x）的結果如圖6、圖7 所示，其中h（x）非0 則表示已判斷出前一點（x-1）點為異常飛點。

如圖6、圖7 所示，動態(tài)波形識別算法可識別出浪涌干擾波形的飛點特征，在當前點x 時，可準確識別出前一點，即（x-1）點為飛點極值點。當檢測出前一點為異常飛點數(shù)據(jù)時，則閉鎖采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放，閉鎖展寬5 ms 返回。

圖6 共模波形飛點識別

圖7 差模波形飛點識別

3.2 采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放

采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放算法如式（4）所示。

令：

式（4）中，“！”表示“非”邏輯。samFlag（x）函數(shù)檢測當前時刻無浪涌動態(tài)波形識別展寬閉鎖標志，即浪涌動態(tài)波形識別未產(chǎn)生飛點閉鎖條件。

samDir（x）函數(shù)，檢測當前點與上一點的采樣值方向是否同向。檢測需滿足連續(xù)4 ms 時間內(nèi)，采樣值數(shù)據(jù)方向同向?？紤]到工頻電流波形一個完整的半周內(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)，同時兼顧存在一定直流偏置的工頻電流波形的快速開放。

samAm（x）函數(shù)檢測本點采樣值需滿足一定比率的動作定值門檻，避免小電流未達動作定值門檻時誤開放。其中k4 取值按照一個半周波形內(nèi)應有足夠采樣點滿足動作門檻，并預留一定裕度。按照5 ms 動作延時則可取峰值的折算系數(shù)sin40°，即0.908。Iset取動作定值門檻。

式（5）中，samOpen（x）函數(shù)即作為采樣值動態(tài)調(diào)整快速開放算法的最終結果，即動態(tài)波形識別連續(xù)5 ms 未產(chǎn)生飛點閉鎖條件，同時當前點及往前的連續(xù)4 ms 采樣值方向同向，且采樣點連續(xù)5 ms 滿足門檻，上述綜合判據(jù)滿足，則判斷當前波形正常，動態(tài)開放快速邏輯段保護；若上述綜合判據(jù)不滿足，則判斷當前波形異常，動態(tài)延長快速邏輯段保護動作延時，以躲開飛點影響。

以浪涌沖擊波形為例，得到h（x），samDir（x），samAm（x）的結果如圖8、圖9 所示。

圖8 差模波形動態(tài)波形識別

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

圖9 共模波形動態(tài)波形識別

在浪涌沖擊的干擾下，動態(tài)波形識別及快速開放算法結果如圖8、圖9 所示。

在差模方式下，h（x）點已判出飛點，在飛點附近的采樣值方向和采樣值門檻并不能連續(xù)滿足條件，本文算法將動態(tài)延長快速段保護邏輯動作延時，可靠躲開飛點干擾的影響。

在共模方式下，波形特征較差，在飛點附近，更容易滿足采樣值方向和采樣值門檻條件。由于在h（x）點已判出飛點，閉鎖5 ms 的采樣值調(diào)整快速開放判據(jù)，當閉鎖展寬消失時，采樣值已經(jīng)下降至無法連續(xù)滿足門檻，本文算法將動態(tài)延長快速段保護邏輯動作延時，可靠躲開飛點干擾的影響。

在上述2 種浪涌干擾情況下，本文算法均能可靠檢測出飛點波形特征，并可靠動態(tài)調(diào)整快速段保護邏輯動作延時，以避免誤動作。

4 仿真分析

為驗證本文提出算法的適用性和準確性，對不同異常波形及正常故障波形進行仿真分析，分析結果如圖11—15 所示。

圖10 中，正常工頻波形出現(xiàn)1 個飛點數(shù)據(jù)時，本文算法準確在h（x）判出飛點，由于1 個飛點僅影響1 點采樣值高門檻，本文算法動態(tài)延長快速段邏輯動作延時，可靠躲開飛點干擾的影響。若在出現(xiàn)飛點后，同時出現(xiàn)區(qū)內(nèi)故障，本文算法在飛點短暫閉鎖的5 ms 后快速開放快速段保護邏輯，快速動作出口切除故障。

圖11 中，正常工頻波形時，本文算法不會誤判出飛點情況，h（x）始終為無效狀態(tài)。采樣值方向滿足連續(xù)條件，只要波形采樣點滿足動作條件即可開放快速段保護邏輯。

圖10 1 個飛點波形分析

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，本文算法不會誤判出飛點情況，h（x）始終為無效狀態(tài)。在故障期間采樣值方向及門檻均滿足條件，可快速開放快速段保護邏輯動作出口。

圖13 中，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，當故障波形含較大的直流分量時，本文算法不會誤判出飛點情況，在故障期間采樣值方向及門檻均滿足條件，可快速開放快速段保護邏輯動作出口。

圖14 中，當發(fā)生故障且TA（電流互感器）飽和，電流傳變異常時，圖14 中電流可正確傳變5 ms，本文算法不會誤判出飛點情況，不影響保護動作行為。

圖15 中，當波形總含有較高比例的諧波時，本文算法不會誤判出飛點情況，不影響保護動作行為。

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

通過對上述各種異常波形、工頻波形及故障波形的仿真分析，發(fā)現(xiàn)本文提出的動態(tài)波形識別及快速開放算法可準確識別出異常飛點的波形特征，并能動態(tài)調(diào)整快速段保護邏輯動作延時，可靠躲開飛點的影響。同時，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，不影響保護動作行為。該算法對傳統(tǒng)變電站內(nèi)因浪涌沖擊產(chǎn)生的干擾具有準確的識別度，可解決由于浪涌沖擊導致的保護誤動作問題；同時在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，可動態(tài)調(diào)整快速段保護邏輯，快速動作出口切除故障。

5 結語

本文提出一種能可靠識別浪涌電流飛點特征的動態(tài)波形識別及快速開放算法，有效解決因浪涌沖擊等干擾導致的繼電保護設備誤動作問題，同時在發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時可動態(tài)調(diào)整快速段保護邏輯，快速動作出口切除故障。

通過對各種波形的仿真分析，驗證了本文提出的算法比一般的單個飛點識別方法具有更高的準確性及更廣的適用場景。