一種適用于配電自動化終端的遙測采樣異常數(shù)據(jù)甄別方法

張 斌，張文波

(1.積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇 南京 210023)

0 引言

配電網(wǎng)自動化的應(yīng)用對于提高整個電力系統(tǒng)的運行水平，保證電能質(zhì)量和安全可靠供電具有非常重要的意義[1]。近年來，隨著電網(wǎng)公司在配電網(wǎng)自動化領(lǐng)域建設(shè)的深入，無論是對配電自動化終端功能還是性能的要求都有了很大的提高，其中最重要的表現(xiàn)就是從傳統(tǒng)上的“ 三遙” (遙測、遙信、遙控)逐步要求增加短路故障切除功能。配電自動化終端安裝的10 kV 配電網(wǎng)處于供電線路的末端，因此與上級變電站線路保護(hù)的良好配合，成為配電自動化終端短路故障切除功能正確發(fā)揮作用的關(guān)鍵。變電站的保護(hù)定值通常不可以任意改動，因此，如果要滿足發(fā)生短路故障時不擴大停電范圍的需求，只能要求配電自動化終端的短路故障切除動作更快、更準(zhǔn)確。

同一線路配電自動化終端間線路距離較小，終端間短路故障切除功能的配合僅依靠線路阻抗已經(jīng)很難設(shè)定動作定值。通常情況下配電自動化終端只設(shè)置瞬時速斷和過流兩種短路故障切除功能，因此對于配電自動化終端瞬時速斷的可靠性提出了更高的要求，即不允許誤動、也不允許拒動。配電自動化終端長期在較強的電磁環(huán)境下工作，遙測采樣出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)不可避免。如何避免和濾除異常數(shù)據(jù)在廠站保護(hù)設(shè)備的開發(fā)中有較為完善的理論和經(jīng)驗，通常會選用成本高、電磁兼容性能最好的元件作為設(shè)備的硬件，模擬采樣通道、核心單元等都采用雙冗余設(shè)計，MCU 的計算速度、存儲空間都高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計以此適應(yīng)復(fù)雜的數(shù)字濾波運算和功能運算[2]。配網(wǎng)自動化終端的成本較低，無法完全照搬廠站保護(hù)設(shè)備的設(shè)計理論和設(shè)計經(jīng)驗，必須應(yīng)用合適的硬件設(shè)計和計算量較小且可靠的數(shù)字濾波算法。

下面基于配電自動化終端設(shè)計過程中產(chǎn)品電磁兼容測試的實際錄波數(shù)據(jù)分析，設(shè)計出一種具有明確特征量的有效甄別遙測采樣異常數(shù)據(jù)的方法。

1 數(shù)據(jù)特性分析

配電自動化終端設(shè)計過程中要經(jīng)過充分的電磁兼容測試，實踐中發(fā)現(xiàn)僅僅單一地依靠硬件機制防護(hù)，很難完全避免異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。異常數(shù)據(jù)通常與其前面的數(shù)據(jù)是不連貫的，表現(xiàn)出躍變的特性。此類數(shù)據(jù)對于采用有效值判定短路故障切除的終端來說影響極大，誤動率極高；此類數(shù)據(jù)對于頻譜分析會造成極大的影響，對于采用工頻變化量判定短路故障切除的終端來說影響稍小，但所產(chǎn)生的影響也足以升高誤動率。為設(shè)計出適合配電自動化終端使用的數(shù)字濾波算法，有效地抑制短路故障切除誤動的發(fā)生，下面分別對含有故障電流的電流波形和含有異常數(shù)據(jù)的電流波形特性進(jìn)行分析。

供電線路的等效模型中包含電阻、電感和電容。根據(jù)楞次定律，通過電感的電流是不能突變的，即短路前的電流值必須與短路發(fā)生后的瞬時電流相等，因此故障電流的錄波波形應(yīng)該是連續(xù)的，事實也是連續(xù)的。

故障電流的錄波波形特性如圖1 所示。

圖1 故障電流錄波波形

配電自動化終端在強電磁環(huán)境下，由于受到干擾而造成采樣出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。異常數(shù)據(jù)通常與前面的數(shù)據(jù)是不連貫的，因此異常數(shù)據(jù)電流錄波波形表現(xiàn)出了躍變的特性，異常數(shù)據(jù)電流錄波波形特性如圖2 所示。

圖2 異常數(shù)據(jù)電流錄波波形

2 數(shù)據(jù)特征量分析方法與實例分析

2.1 相似性分析方法

為了較少占用MCU 系統(tǒng)資源，選用計算量較小的余弦相似性公式對單周波的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中找出明顯的數(shù)據(jù)特征量。所謂余弦相似性就是利用兩個n維向量的夾角余弦來衡量兩個n維向量的相似程度。夾角余弦的范圍為[-1，1]，夾角余弦越大表示兩個向量的夾角越小，夾角余弦越小表示兩個向量的夾角越大，當(dāng)兩個向量重合時夾角余弦取最大值1，當(dāng)兩個向量完全相反時夾角余弦取最小值-1。其計算公式為：

分析余弦相似性公式可知，如果簡單成對調(diào)換任何x、y在數(shù)據(jù)組內(nèi)的相對位置不會影響相似性的計算值。當(dāng)應(yīng)用到此處時，如果將原始數(shù)據(jù)交替等分為兩組計算相似系數(shù)判定波形是否連續(xù)，可能會出現(xiàn)原本不連續(xù)的波形數(shù)據(jù)與連續(xù)波形數(shù)據(jù)具有一樣的相似系數(shù)的現(xiàn)象。為盡可能避免因異常數(shù)據(jù)位置和數(shù)值的巧合造成相似性很高而使判據(jù)失效的情況，此處將原始采樣的單周波128 點數(shù)據(jù)交替等分為8 組，依次計算相鄰組數(shù)據(jù)的相似性。

2.2 實例分析

基于以上方法，分析數(shù)據(jù)依次選取圖1 中AB之間(即短路電流上升時刻)的錄波數(shù)據(jù)、圖2 中AB 之間(即出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)前時刻)的錄波數(shù)據(jù)、圖2 中BC 之間(即出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的時刻)的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

假定將單周波128 點數(shù)據(jù)表示為a0～a127，將其分為8 組后數(shù)據(jù)表示為aij，其含義為第j組數(shù)據(jù)的第i個數(shù)據(jù)。j的取值范圍為0 ～7；i的取值范圍為0～15。

首先，按照上述原則對圖1 中AB 之間原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分組并根據(jù)相似性計算公式獲得相鄰組數(shù)據(jù)的相似系數(shù)。原始采樣數(shù)據(jù)分組及分析結(jié)果見表1。

表1 故障時刻采樣數(shù)據(jù)分組及分析結(jié)果

其次，按照上述原則對圖2 中AB 之間原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分組并根據(jù)相似性計算公式獲得相鄰組數(shù)據(jù)的相似系數(shù)。原始采樣數(shù)據(jù)分組及分析結(jié)果見表2。

表2 正常時刻采樣數(shù)據(jù)分組及分析結(jié)果

最后，按照上述原則對圖2 中BC 之間原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分組并根據(jù)相似性計算公式獲得相鄰組數(shù)據(jù)的相似系數(shù)。原始采樣數(shù)據(jù)分組及分析結(jié)果見表3。

表3 異常時刻采樣數(shù)據(jù)分組及分析結(jié)果

從上述三種類型數(shù)據(jù)對比分析可以看出，故障時刻及正常時刻相鄰組采樣數(shù)據(jù)具有較高的相似性（所有數(shù)據(jù)均大于0.998），并且各組相似性系數(shù)的收斂性較好；異常時刻相鄰組數(shù)據(jù)的相似性系數(shù)將會表現(xiàn)出較大的離散性，出現(xiàn)部分相似性系數(shù)較小的情況(例如：0.917 232、0.914 359)。在對大量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與以上呈現(xiàn)的三種類型數(shù)據(jù)有著相同的表現(xiàn)。

因此，可以按照上述的數(shù)據(jù)分析方法，將單周波128 點采樣數(shù)據(jù)交替等分為8 組，依次計算相鄰組數(shù)據(jù)的相似性系數(shù)，根據(jù)設(shè)定的相似性系數(shù)定值判定相似性數(shù)據(jù)是否越限，如果含有越限相似性數(shù)據(jù)，就可以斷定該周波內(nèi)含有異常數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

以上提出了一種適用于配電自動化終端，利用計算遙測采樣同一周波原始數(shù)據(jù)內(nèi)部分組間相似性系數(shù)，根據(jù)其是否越限甄別是否存在異常數(shù)據(jù)的方法。該方法在當(dāng)前電網(wǎng)公司對配電自動化終端功能性能要求逐步提高以及終端生產(chǎn)企業(yè)控制成本的背景下，具有顯著的特點。

1) 特征量選取合理，特性明顯。

2) 特征量計算方法選取合理，計算量較小。

3) 特征量計算僅靠單周波采樣數(shù)據(jù)，存儲空間需求較小。

對于配電自動化終端的MCU 系統(tǒng)資源緊張、存儲空間受限的狀況來說較為合適。該方法實際使用中在模擬通道低通濾波器的配合下獲得了良好的使用效果，提高了強電磁環(huán)境下配電自動化終端的測量精度以及短路故障切除的可靠性。