基于感應(yīng)濾波的繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)方法分析

國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司超高壓分公司 張文婷

繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，在保障電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，長(zhǎng)期運(yùn)行和復(fù)雜的工作環(huán)境可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的失效，進(jìn)而降低了它們的保護(hù)能力。因此，研究繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)方法具有重要的意義。

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 雙調(diào)諧濾波器特性分析

雙調(diào)諧濾波器是一種常用于信號(hào)處理的濾波器，具有獨(dú)特的頻率選擇特性和濾波性能。在基于感應(yīng)濾波的繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)方法中，雙調(diào)諧濾波器被廣泛應(yīng)用于故障信號(hào)和噪聲信號(hào)的分離與提取。因此，對(duì)雙調(diào)諧濾波器的特性進(jìn)行詳細(xì)分析具有重要意義。

雙調(diào)諧濾波器的特性分析主要包括其頻率響應(yīng)和傳輸函數(shù)等方面。頻率響應(yīng)描述了濾波器在不同頻率下的增益特性，可以通過(guò)繪制幅頻特性曲線進(jìn)行表示[1]；傳輸函數(shù)則提供了濾波器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以用于分析濾波器的頻率選擇性能和相位響應(yīng)。為了深入理解雙調(diào)諧濾波器，必須分析其在阻擋特定頻率時(shí)的行為。這要求同時(shí)觀察濾波器中串聯(lián)和并聯(lián)路徑對(duì)信號(hào)的影響。具體來(lái)說(shuō)，濾波器的性能可通過(guò)觀察其在不同諧波頻率點(diǎn)上的反應(yīng)來(lái)評(píng)估，特別是在n1和n2兩個(gè)頻率點(diǎn)上的諧振現(xiàn)象[2],這一點(diǎn)在圖1的曲線中得到了清晰的展現(xiàn)。

1.2 雙調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

在基于感應(yīng)濾波的繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)方法中，雙調(diào)諧濾波器是關(guān)鍵的組成部分，用于有效地分離故障信號(hào)和噪聲信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)濾波器的最佳性能，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾p調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)。

首先，雙調(diào)諧濾波器的中心頻率是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)故障信號(hào)和噪聲信號(hào)的頻率分布情況，可以選擇合適的中心頻率以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效分離；其次，帶寬是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。帶寬決定了濾波器對(duì)信號(hào)的頻率選擇性能，即在所選中心頻率附近的一定范圍內(nèi)的頻率分辨能力。此外，雙調(diào)諧濾波器的增益也需要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[3]。增益決定了濾波器的輸出信號(hào)幅度和對(duì)故障信號(hào)和噪聲信號(hào)的增強(qiáng)程度；最后，濾波器的穩(wěn)定性、抗干擾性和實(shí)時(shí)性也需要考慮在內(nèi)。穩(wěn)定性確保濾波器的輸出始終在合理范圍內(nèi)，并避免不穩(wěn)定引起的誤差。

2 繼電保護(hù)自動(dòng)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 分析感應(yīng)濾波裝置失效響應(yīng)特征

在繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)的研究中，分析感應(yīng)濾波裝置失效的響應(yīng)特征是至關(guān)重要的。感應(yīng)濾波裝置作為繼電保護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行濾波和處理。通過(guò)對(duì)感應(yīng)濾波裝置失效響應(yīng)特征的分析，可以更好地理解失效的模式和特點(diǎn)，從而為失效自動(dòng)檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

依據(jù)二階模型原理，在實(shí)時(shí)工況下獲取感應(yīng)濾波裝置失效后,電力機(jī)組轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方式如公式所示：F（t）=AΔω（t）+BΔω（t）+CΔω（t），式中：F（t）表示實(shí)時(shí)工況下感應(yīng)濾波裝置失效的環(huán)境激勵(lì)，A表示電力機(jī)組轉(zhuǎn)子的慣性時(shí)間常數(shù)，B表示感應(yīng)濾波裝置失效的阻尼系數(shù)，C表示感應(yīng)濾波裝置失效的力矩系數(shù)，Δω表示電力機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生的功率增量[4]。

通過(guò)對(duì)感應(yīng)濾波裝置失效的響應(yīng)特征進(jìn)行細(xì)致分析，可以提取出失效特征參數(shù)，并將其作為失效自動(dòng)檢測(cè)的依據(jù)。這將有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感應(yīng)濾波裝置的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理裝置的失效問(wèn)題，提高繼電保護(hù)裝置的性能和可靠性?；诟袘?yīng)濾波裝置失效隨機(jī)振蕩理論，計(jì)算裝置失效基于實(shí)時(shí)工況自然激勵(lì)作用下產(chǎn)生的時(shí)域響應(yīng)，其表達(dá)如公式所示：式中：h（λ）表示感應(yīng)濾波裝置失效的單位脈沖響應(yīng)，d表示裝置失效振蕩頻率， 為時(shí)間變量，F(xiàn)（t-λ）表示實(shí)時(shí)工況下感應(yīng)濾波裝置失效的環(huán)境激勵(lì)。

2.2 解析繼電保護(hù)參數(shù)特征

在繼電保護(hù)裝置的失效自動(dòng)檢測(cè)研究中，解析繼電保護(hù)參數(shù)的特征是非常重要的一步。繼電保護(hù)參數(shù)是繼電保護(hù)裝置用于判斷電力系統(tǒng)故障狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)對(duì)參數(shù)特征的分析，可以準(zhǔn)確判斷繼電保護(hù)裝置的性能和健康狀態(tài)。以下是一些常見(jiàn)的繼電保護(hù)參數(shù)特征的解析方法：

幅值變化：觀察繼電保護(hù)參數(shù)的幅值變化情況，包括電流、電壓等。正常情況下這些參數(shù)的幅值應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。如果幅值超出了預(yù)期范圍，可能意味著系統(tǒng)發(fā)生了故障或裝置失效；頻率變化：繼電保護(hù)參數(shù)中的頻率也是一個(gè)重要的特征。通過(guò)監(jiān)測(cè)頻率的變化，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率偏移和頻率擾動(dòng)等異常情況；諧波分析：繼電保護(hù)裝置可以監(jiān)測(cè)電流和電壓諧波成分。通過(guò)對(duì)諧波分析，可以判斷系統(tǒng)中的諧波含量是否超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)限制，進(jìn)而判斷系統(tǒng)是否存在異常情況[4]。

為了降低繼電保護(hù)參數(shù)特征解析的難度，在此基礎(chǔ)上,采用等效建模方法獲取繼電保護(hù)參數(shù)在感應(yīng)濾波裝置失效后的穩(wěn)定性變化，如圖2所示。通過(guò)解析繼電保護(hù)參數(shù)的特征，可以建立參數(shù)的基準(zhǔn)范圍，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓收吓袚?jù)和算法，進(jìn)行繼電保護(hù)裝置的失效自動(dòng)檢測(cè)。這將大大提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和安全性，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 感應(yīng)濾波裝置失效后繼電保護(hù)參數(shù)穩(wěn)定性變化

2.3 基于潮流嫡提取裝置失效繼電保護(hù)參數(shù)

在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，潮流導(dǎo)數(shù)提取裝置是常用的一種方法，用于實(shí)時(shí)計(jì)算電力系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的潮流導(dǎo)數(shù)。根據(jù)感應(yīng)濾波裝置失效繼電保護(hù)參數(shù)權(quán)重分配結(jié)果,計(jì)算參數(shù)的潮流嫡如公式所示：

式中：T表示感應(yīng)濾波裝置失效繼電保護(hù)參數(shù)的潮流嫡,δi表示感應(yīng)濾波裝置失效繼電保護(hù)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(guò)計(jì)算，獲取感應(yīng)濾波裝置失效繼電保護(hù)參數(shù)的潮流嫡結(jié)果，可以有效地提取基于潮流導(dǎo)數(shù)的繼電保護(hù)參數(shù)并檢測(cè)裝置是否失效。這有助于維護(hù)繼電保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并提高對(duì)電力系統(tǒng)故障的檢測(cè)能力。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

通過(guò)設(shè)計(jì)和搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以對(duì)提出的繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的可行性,進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。本文選取X 感應(yīng)濾波裝置失效為研究目標(biāo)，該裝置失效包含15臺(tái)電力機(jī)組，其中4臺(tái)為大型等值電力機(jī)組，形成一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行區(qū)域，整個(gè)感應(yīng)濾波裝置失效含有80條輸電線路，整體運(yùn)行狀況良好，將本文設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)自動(dòng)檢測(cè)方法應(yīng)用到該裝置失效中[5]。本次實(shí)驗(yàn)中繼電保護(hù)自動(dòng)檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 繼電保護(hù)自動(dòng)檢測(cè)的流程

為了驗(yàn)證提出的繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)方法的可行性，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)流程。

分區(qū)處理電力系統(tǒng)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，將電力系統(tǒng)按照一定的規(guī)則進(jìn)行分區(qū)處理，將電力系統(tǒng)劃分為若干子區(qū)域。每個(gè)子區(qū)域包含若干電力設(shè)備和線路，構(gòu)建起一個(gè)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型；構(gòu)建參數(shù)提取節(jié)點(diǎn)集：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和參數(shù)要求，在每個(gè)子區(qū)域中選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)作為參數(shù)提取節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將用于測(cè)量和獲取繼電保護(hù)參數(shù)，如電流、電壓、頻率等。

高斯消除電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)：通過(guò)應(yīng)用高斯消元法處理電網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，消除電網(wǎng)參數(shù)之間的相關(guān)性和冗余性。這樣可以得到更準(zhǔn)確和獨(dú)立的繼電保護(hù)參數(shù)；查找線路保護(hù)定值：根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，查找適當(dāng)?shù)木€路保護(hù)定值用于繼電保護(hù)裝置。這些定值根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以確保裝置的準(zhǔn)確性和性能。

提取繼電保護(hù)參數(shù)：利用實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的參數(shù)提取節(jié)點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和提取繼電保護(hù)參數(shù)。這些參數(shù)包括電流幅值、相角、電壓變化等，用于后續(xù)的故障檢測(cè)和分析；校核無(wú)誤后輸出結(jié)果：對(duì)提取的繼電保護(hù)參數(shù)進(jìn)行校核和驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。如果數(shù)據(jù)無(wú)誤，則將結(jié)果輸出，用于后續(xù)的失效自動(dòng)檢測(cè)和分析[6]。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)流程，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行分區(qū)處理，并構(gòu)建參數(shù)提取節(jié)點(diǎn)集。通過(guò)高斯消元法處理數(shù)據(jù)，查找線路保護(hù)定值，并提取繼電保護(hù)參數(shù)。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核后，輸出相應(yīng)的結(jié)果用于后續(xù)的分析和檢測(cè)。這個(gè)流程能夠幫助驗(yàn)證繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)方法的可行性和有效性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用對(duì)比分析的實(shí)驗(yàn)方法[5],對(duì)比本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)方法與傳統(tǒng)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝置失效繼電保護(hù)自動(dòng)檢測(cè)方法。其對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可知,在兩種自動(dòng)檢測(cè)方法中,本文設(shè)計(jì)方法的自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果的阻尼比均值和標(biāo)準(zhǔn)差與參考值相比偏差較小，表明提取結(jié)果精度較高，且與傳統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)方法相比優(yōu)勢(shì)顯著。

表1 兩種方法參數(shù)與阻尼比均值和方差對(duì)比

綜上所述，本文針對(duì)繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題，提出了基于感應(yīng)濾波的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)雙調(diào)諧濾波器并分析感應(yīng)濾波裝置失效響應(yīng)特征，成功獲得了失效的特征參數(shù)。通過(guò)解析繼電保護(hù)參數(shù)特征和利用潮流提取裝置，得到了失效繼電保護(hù)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法在失效自動(dòng)檢測(cè)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(tǒng)繼電保護(hù)裝置失效自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和方法，對(duì)于提升電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。