（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程學(xué)院,210031,南京;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,450052,鄭州∥第一作者,副教授）

電流變化率和電流增量保護(hù)濾波算法研究

宋奇吼1李學(xué)武2

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程學(xué)院,210031,南京;2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,450052,鄭州∥第一作者,副教授）

分析了幾種常用濾波算法對(duì)DDL（電流變化率和電流增量）保護(hù)的適用性,提出了濾波算法應(yīng)用的新思路：用中值濾波后的電流波形作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù);用小波濾波后的電流波形作為保護(hù)出口判據(jù),兼顧接觸網(wǎng)短路故障時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作的快速性和可靠性,解決當(dāng)前 DDL保護(hù)存在的問(wèn)題。通過(guò)建立地鐵直流供電系統(tǒng)DDL保護(hù)裝置濾波算法的數(shù)學(xué)模型,在 MATLAB環(huán)境中仿真,通過(guò)系統(tǒng)樣機(jī)模擬試驗(yàn)等手段驗(yàn)證了保護(hù)配置的正確性與合理性。

直流供電;繼電保護(hù);電流變化率和電流增量;濾波算法

First-author’saddress Nanjing Institute of Railway Technology,210031,Nanjing,China

DDL（電流變化率和電流增量）保護(hù)是牽引變電所直流饋線保護(hù)中的主保護(hù),擔(dān)負(fù)著反映接觸網(wǎng)中遠(yuǎn)端短路故障而作用于饋線斷路器跳閘的重要任務(wù),要求它能夠有效識(shí)別接觸網(wǎng)短路故障并能迅速、可靠動(dòng)作,受系統(tǒng)擾動(dòng)不應(yīng)誤動(dòng)。

目前DDL保護(hù)裝置仍采用國(guó)外引進(jìn)的保護(hù)單元,雖然各條地鐵線路應(yīng)用的產(chǎn)品不同,動(dòng)作邏輯也不盡相同,但是動(dòng)作原理基本一致。DDL保護(hù)裝置啟動(dòng)判據(jù)是依據(jù)檢測(cè)饋線電流及其電流變化率d i/ d t,并將d i/d t與設(shè)定值進(jìn)行比較,當(dāng)電流上升率在給定的時(shí)間T1內(nèi)高于設(shè)定值時(shí),則d i/d t保護(hù)啟動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明,由于動(dòng)車(chē)組是靠受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)接觸取流以及城市軌道交通實(shí)際運(yùn)行中動(dòng)車(chē)組頻繁起動(dòng)等原因,電流波動(dòng)極大,毛刺很多,為避免此類電流數(shù)據(jù)采集帶來(lái)的干擾對(duì)DDL保護(hù)動(dòng)作可靠性的影響,采集的原始電流波形必須先進(jìn)行數(shù)字濾波處理,抑制干擾,消除隨機(jī)誤差,平滑處理。均值濾波、中值濾波、小波濾波幾種濾波算法值得采納。

1 濾波算法選擇的仿真分析

本文 選 用 了最廣泛使 用 的 MATLAB7.8.0（R2009a）軟件進(jìn)行仿真。仿真的原始數(shù)據(jù)是從某地鐵運(yùn)營(yíng)線路采集到的饋線原始電流波形。仿真的數(shù)據(jù)以文本形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中,供 MATLAB仿真程序調(diào)用。在 MATLAB進(jìn)行仿真時(shí),已關(guān)閉所有不必要的程序及系統(tǒng)進(jìn)程,以使計(jì)算時(shí)間的統(tǒng)計(jì)有實(shí)際意義。

在對(duì)電流值i（n）經(jīng)過(guò)濾波后,用plot進(jìn)行繪圖。然后進(jìn)行濾波效果的判斷和分析。如果濾波效果好,再計(jì)算d i/d t（n）,并用plot進(jìn)行繪圖。在仿真中,用tic,toc對(duì)計(jì)算主體程序的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行記錄并比較各個(gè)濾波算法的計(jì)算速度。

原始電流波形仿真繪圖如圖1所示。

1.1 均值濾波仿真結(jié)果及分析

本文進(jìn)行均值濾波4點(diǎn)、8點(diǎn)、15點(diǎn)的仿真。并統(tǒng)計(jì)了計(jì)算時(shí)間。濾波電流波形如圖2所示,濾波計(jì)算時(shí)間見(jiàn)表1。

圖1 原始采集電流波形圖

圖2 均值濾波電流波形圖

表1 均值濾波計(jì)算時(shí)間統(tǒng)計(jì) s

如圖3所示,將原始波形和15點(diǎn)均值濾波電流波形繪制在一起,可以看出沒(méi)有任何“滯后”或者“超前”的情況。對(duì)15點(diǎn)均值濾波的電流序列求一階導(dǎo)數(shù),并繪圖,如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)該數(shù)據(jù)讀入DDL保護(hù)時(shí),可以很精準(zhǔn)地捕捉到饋線故障發(fā)生時(shí)間,給出正確的跳閘信號(hào)。

圖3 原始電流與15點(diǎn)均值濾波（改進(jìn)算法）電流波形圖

圖4 15點(diǎn)均值濾波后電流的一階導(dǎo)數(shù)波形圖

1.2 中值濾波仿真結(jié)果及分析

本文進(jìn)行中值濾波3點(diǎn)、7點(diǎn)、15點(diǎn)的仿真,并統(tǒng)計(jì)了計(jì)算時(shí)間。濾波電流波形如圖5所示,濾波計(jì)算時(shí)間見(jiàn)表2。

圖5 中值濾波電流波形圖

表2 中值濾波計(jì)算時(shí)間統(tǒng)計(jì) s

如圖6所示,將原始波形和15點(diǎn)中值濾波電流波形繪制在一起,可以看出沒(méi)有任何“滯后”或者“超前”的情況。對(duì)15點(diǎn)中值濾波的電流序列求一階導(dǎo)數(shù),并繪圖,如圖7所示。由圖可知,當(dāng)該數(shù)據(jù)讀入DDL保護(hù)時(shí),可以很精準(zhǔn)地捕捉到饋線故障發(fā)生時(shí)間,給出正確的跳閘信號(hào)。

圖6 原始電流與15點(diǎn)中值濾波電流波形圖

圖7 15點(diǎn)中值濾波后采集電流的一階導(dǎo)數(shù)波形圖

從圖4和圖7的比較可以看出,同樣濾波窗口寬度的情況下,中值濾波的效果沒(méi)有均值濾波好。這是因?yàn)橹兄禐V波時(shí),干擾信號(hào)分量并沒(méi)有從信號(hào)中完全真正濾除。濾波窗口滑動(dòng)時(shí),排序選出的中值信號(hào)所包含的干擾信號(hào)沒(méi)有任何變化。但從整個(gè)序列看,波形的平滑效果還是比較明顯的。這對(duì)DDL保護(hù)裝置判斷故障電流的幫助不大。從計(jì)算時(shí)間的統(tǒng)計(jì)可以看出,同樣濾波窗口寬度的情況下,中值濾波的速度要比均值濾波快的多,基本是快了一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果DDL保護(hù)裝置實(shí)時(shí)性很難達(dá)到要求時(shí),在舍棄一定濾波效果的情況下,采用中值濾波這樣的快速算法,能夠很好解決系統(tǒng)的主要矛盾。

1.3 小波濾波仿真結(jié)果及分析

本文采用默認(rèn)閾值去噪處理。該方法利用小波分析工具箱中函數(shù)ddencmp（）生成信號(hào)的默認(rèn)閾值,然后利用函數(shù)wdencmp（）進(jìn)行去噪處理。根據(jù)電流值的特點(diǎn),小波變換消噪后的電流波形如圖8所示,計(jì)算時(shí)間為0.412 669 s。

圖8 小波變換默認(rèn)閾值消噪后的電流波形圖

將原始波形和小波濾波后的電流波形繪制在一起,可以看出沒(méi)有任何“滯后”或者“超前”的情況,如圖9。小波變換默認(rèn)閾值消噪后的電流波形已經(jīng)較為平滑。對(duì)其濾波后的電路值進(jìn)行d i/d t計(jì)算,再繪圖,如圖10。

圖9 原始電流與小波變換默認(rèn)閾值消噪后的電流波形圖

圖10 小波濾波后電流的一階導(dǎo)數(shù)波形圖

1.4 對(duì)比分析

對(duì)均值濾波、中值濾波、小波濾波的仿真結(jié)果分析對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 均值濾波、中值濾波、小波濾波的仿真結(jié)果分析

（1）濾波效果最好的是小波濾波。小波濾波后的電流波形平滑度最好,與原信號(hào)相比也沒(méi)有延遲和滯后的情況。d i/d t的波形對(duì)于準(zhǔn)確判斷是否饋線短路故障的情況是很有利的。

（2）濾波速度最快的是中值濾波,其次是均值濾波,最后是小波濾波。在后續(xù)算法硬件化的工作中,要充分考慮到算法的速度對(duì)于DDL保護(hù)裝置工作速度的影響。

（3）采用實(shí)時(shí)性最好中值濾波后的電流波形提供給DDL保護(hù)裝置作為啟動(dòng)判據(jù),保證保護(hù)裝置動(dòng)作的快速性;采用濾波效果最好的小波濾波提供給DDL保護(hù)裝置作為最終出口動(dòng)作判據(jù)作用于保護(hù)裝置的跳閘,可以滿足保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文在以基于中值濾波作為啟動(dòng)判據(jù),小波濾波作為出口跳閘判據(jù)的直流牽引保護(hù)測(cè)控裝置的系統(tǒng)樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn),包括在動(dòng)車(chē)組進(jìn)級(jí)、短路以及接觸不良導(dǎo)致的拉弧等各種工況下進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 短路工況試驗(yàn)

試驗(yàn)線路如圖11所示,試驗(yàn)動(dòng)作情況如下。

圖11 短路工況試驗(yàn)接線圖

（1）電流速斷保護(hù)。故障開(kāi)始后9 ms啟動(dòng),12 ms保護(hù)出口;

（2）d i/d t 保護(hù)。Ⅰ段：故障開(kāi) 始 后 4 ms啟動(dòng),27 ms后增量達(dá)到定值,然后5 ms出口跳閘動(dòng)作;Ⅱ段、Ⅲ段類似,動(dòng)作正確。

（3）電流增量保護(hù)。Ⅰ段：30 ms內(nèi)增量沒(méi)有達(dá)到5 k A,保護(hù)不啟動(dòng),不出口;Ⅱ段：80 ms內(nèi)增量達(dá)到了4.5 k A,故障后61 ms保護(hù)啟動(dòng),然后經(jīng)60 ms延時(shí)出口;Ⅲ段：100 ms內(nèi)增量達(dá)到了4 k A,故障后52 ms保護(hù)啟動(dòng),然后經(jīng)150 ms延時(shí)出口。

2.2 動(dòng)車(chē)組進(jìn)級(jí)工況試驗(yàn)

地鐵絕大部分動(dòng)車(chē)的啟動(dòng)采用調(diào)阻方式,且電流變化最大值ΔI多發(fā)生在列車(chē)進(jìn)級(jí)從牽引Ⅱ位轉(zhuǎn)Ⅲ位時(shí),其最大值約為每88 ms增加1 250 A。為模擬上述進(jìn)級(jí)工況,搭建試驗(yàn)回路如圖12所示,試驗(yàn)結(jié)果表明,僅有d i/d t 保護(hù)啟動(dòng)但沒(méi)有動(dòng)作,保護(hù)行為正確。

圖12 動(dòng)車(chē)組進(jìn)級(jí)工況實(shí)驗(yàn)接線圖

2.3 受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良工況下試驗(yàn)

在某些情況下（例如過(guò)斷電區(qū)）,機(jī)車(chē)受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良,經(jīng)常引起保護(hù)誤動(dòng)。本試驗(yàn)就是模擬這種情況來(lái)檢驗(yàn)裝置的可靠性。試驗(yàn)接線用0.5 m 長(zhǎng)銅板模擬接觸網(wǎng),用滑動(dòng)接觸頭（箭頭處）模擬受電弓。回路中固定串入5Ω電阻和平波電感,試驗(yàn)接線如圖13所示,試驗(yàn)結(jié)果表明,僅有d i/ d t保護(hù)啟動(dòng)但沒(méi)有動(dòng)作,保護(hù)行為正確。

3 結(jié)語(yǔ)

圖13 受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良工況下試驗(yàn)接線圖

本文建立了地鐵直流供電系統(tǒng)DDL保護(hù)裝置濾波算法的數(shù)學(xué)模型,并在 MATLAB環(huán)境中進(jìn)行了仿真計(jì)算。提出了兼顧DDL保護(hù)的快速性和可靠性的濾波方案：采用實(shí)時(shí)性好的中值濾波后的電流波形提供給 DDL保護(hù)裝置作為啟動(dòng)判據(jù),保證保護(hù)裝置動(dòng)作的快速性;采用濾波效果最好的小波濾波后的電流波形提供給DDL保護(hù)裝置作為最終出口動(dòng)作判據(jù),滿足保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性。

通過(guò)搭建物理模型對(duì)基于以上濾波方案的數(shù)字式直流牽引保護(hù)測(cè)控裝置的系統(tǒng)樣機(jī)上進(jìn)行了模擬試驗(yàn),在短路、機(jī)車(chē)進(jìn)級(jí)工況、接觸軌接觸不良導(dǎo)致的拉弧等情況下,動(dòng)作情況符合設(shè)計(jì)要求。

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2014年鐵路將投資建設(shè)新線超6 600 km

據(jù)新華社消息2014年1月9日,中國(guó)鐵路總公司黨組書(shū)記、總經(jīng)理盛光祖表示,2014年,國(guó)家鐵路計(jì)劃安排固定資產(chǎn)投資6 300億元,建設(shè)鐵路新線6 600 km以上,并以中西部鐵路建設(shè)為重點(diǎn)。

當(dāng)日,中國(guó)鐵路總公司工作會(huì)議在北京召開(kāi)。這是中國(guó)鐵路總公司成立后召開(kāi)的第一次年度工作會(huì)議。

2013年,鐵路建設(shè)進(jìn)一步加快,完成固定資產(chǎn)投資6 638億元,建設(shè)鐵路新線5 586 km。截至2013年年底,中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程突破10萬(wàn)km,其中高鐵運(yùn)營(yíng)里程突破1萬(wàn)km。

盛光祖表示,2014年,鐵路將加快向社會(huì)資本放開(kāi)城際鐵路、市域鐵路、資源開(kāi)發(fā)性鐵路和支線鐵路的所有權(quán)和經(jīng)營(yíng)權(quán),支持地方政府、社會(huì)企業(yè)以股權(quán)投資、資產(chǎn)重組、特許經(jīng)營(yíng)等方式,投資鐵路建設(shè)或參與鐵路經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)。

2014年,國(guó)家鐵路預(yù)期發(fā)送旅客22.7億人次,同比增長(zhǎng)10%;貨物發(fā)送量爭(zhēng)取達(dá)到32.8億t,增長(zhǎng)2%。

On DDL Protect Filter Algorithm

Song Qihou,Li Xuewu

Some common filtering algorithms are analyzed, which are proposed for the applicability of DDL protection,and a new idea of filter algorithm application is put forward.It takes the current waveform passing through a median filter as the criterion of protection starting,and the current waveform that passes through a wavelet filter as the criterion of protection exit.At the same time,when a short -circuit fault of the overhead contact line equipment occurres,both the rapidity and the reliability of the protection device action should be considered,thus the existing problems in current DDL protection could be solved.In this paper,a mathematic model of filter algorithm for DDL protection device in DC traction power supply system of metro is established and simulated by using MATLAB, and a system prototype modeling experiment is also adopted,which verifies the correctness and rationality of the protection configuration.

direct current power supply;relay protection; di/dt and DI location（DDL）;filter algorithm

TM 588;U 231.8

2012-05-28）