王劍宇，張曉莉，艾淑云

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

采樣測量值(Sampled Measured Value，SMV，也稱SV)，是一種用于實時傳輸數(shù)字采樣信息的通信服務(wù)，在智能站的保護(hù)裝置中已得到廣泛采用。實際運行中異常采樣信息可能造成保護(hù)的不正確動作，特別是異常大值(飛點)的出現(xiàn)，對電網(wǎng)的安全運行構(gòu)成了威脅。目前對飛點的理論研究工作相對滯后且缺少有效試驗手段，深入研究智能變電站SV采樣報文異常大值的特征及對保護(hù)的影響可為工程技術(shù)人員找到更為完善的采樣信息解決方案提供理論依據(jù)，為保護(hù)算法的研究工作提供參考，有助于建立并完善相關(guān)測試方法和評價體系。

1 SV采樣報文異常的分類

通過對現(xiàn)場異常數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)資料的梳理，電學(xué)電子式互感器信號異常主要有三種情況：電子式互感器采集器電源異常，其表現(xiàn)形式為采樣數(shù)據(jù)異常，采集器將無效標(biāo)志上送給合并單元(Merging Unit，MU)，合并單元送給保護(hù)的數(shù)據(jù)對應(yīng)通道品質(zhì)標(biāo)注為無效；采集器與合并單元通信中斷，合并單元送給保護(hù)的數(shù)據(jù)為0且對應(yīng)通道品質(zhì)無效；干擾原因的影響。主要是應(yīng)用在氣體絕緣全封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)內(nèi)或主變低壓側(cè)而產(chǎn)生的干擾。

合并單元(MU)環(huán)節(jié)時鐘信號異常主要有兩種情況：MU接收到的時鐘信號從無到有，這可能是同步光纖連接問題恢復(fù)或時鐘信號擴(kuò)展設(shè)備重新上電造成的；主時鐘快速跟蹤衛(wèi)星信號等情況導(dǎo)致MU接收到的時鐘信號發(fā)生跳變。延時和同步是MU的兩個重要指標(biāo)，設(shè)備投運后可能出現(xiàn)延時和同步問題。

此外MU的收發(fā)時序控制邏輯不得當(dāng)會產(chǎn)生“毛刺”現(xiàn)象。

隨著智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device，IED)的廣泛應(yīng)用，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子設(shè)備對暫態(tài)干擾具有更加明顯的敏感性和脆弱性。變電站自動化系統(tǒng)多采用分層分布式結(jié)構(gòu)，繼電保護(hù)裝置“下放”安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)或在超高壓開關(guān)場附近，EMC問題更為突出[4]。電子設(shè)備受強(qiáng)電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)也可能導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

理想的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)其傳輸數(shù)據(jù)和信息信道非常穩(wěn)定，幾乎不受任何電磁干擾，但在實際系統(tǒng)中誤碼卻依然存在。除內(nèi)部的誤碼機(jī)理，更大程度上是因為外界的突發(fā)性擾動：光纖自身折射率隨環(huán)境溫度發(fā)生改變導(dǎo)致的傳輸時延不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生漂移 ；光纖通道受應(yīng)力作用造成的傳輸異常甚至中斷。

另外系統(tǒng)中大量電子元器件的采用對工藝和穩(wěn)定性都提出了更高要求，長期運行中可能暴露出潛在的設(shè)計缺陷，導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

綜上可將異常報文分為四類：①雙A/D采樣報文不一致；②品質(zhì)位異常；③報文丟幀；④異常大值(飛點)。目前，保護(hù)廠家已有較為成熟的技術(shù)方法來甄別前三類異常報文并可靠閉鎖保護(hù)，但對異常大值(飛點)的特征及對保護(hù)算法的影響研究相對滯后，嚴(yán)重阻礙了保護(hù)及相關(guān)檢測工作的開展。

異常大值(飛點)是隨機(jī)出現(xiàn)且數(shù)值極大的采樣值，可以是孤立的單個飛點，也可以是連續(xù)的多個飛點，且沒有嚴(yán)格的周期特征。考慮到保護(hù)算法的基本原理及實驗需要可將異常大值作為周期性的脈沖序列進(jìn)行研究，通?？煞譃椋孩匐S機(jī)出現(xiàn)的單點大值；②連續(xù)幾點大值；③一直連續(xù)產(chǎn)生的大值，呈現(xiàn)直流特性。

2 異常大值的特征參數(shù)

在EMC電磁兼容GB/T14598.10—2007 《電氣繼電器 第22－4部分：量度繼電器和保護(hù)裝置的電氣騷擾試驗—電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗》中將數(shù)量有限且清晰可辨的脈沖序列定義為脈沖群(Burst)，從特征上可將異常大值(飛點)視為一種異常干擾信號進(jìn)行研究。特征參數(shù)是用于表征物質(zhì)或現(xiàn)象特性的參數(shù)信息，表征異常大值(飛點)的特征參數(shù)包括：均勻度、初相角、交變度、連續(xù)飛點個數(shù)、單個飛點、峰值和頻率。

3 異常大值對保護(hù)算法的影響

通過對典型飛點情況的比較分析，得到異常大值飛點各特征參數(shù)對保護(hù)算法的影響規(guī)律。

3.1 均勻度

均勻度是指一周波內(nèi)至少兩個飛點(≥2點/周波)且相鄰每點的時間間隔的接近程度。若其他特征參數(shù)不變，均勻度越高對基波增量Δ影響越小，均勻度越低影響越大。

以一周波內(nèi)兩個飛點為例，一點初相角90°，另一點初相角270°，此時恰為均勻分布，均勻度最大，見圖1。

圖1 均勻度

作為特例直流均勻分布是指一周波內(nèi)至少有兩點(≥2點/周波)且相鄰每點的時間間隔均相等、幅值相等、極性相同。此類特征的飛點呈現(xiàn)直流特性，其對基波增量Δ無影響。

單個飛點可以認(rèn)為是多點重疊后的特例，是均勻度最小的極限情況。

3.2 單個飛點

單個飛點未被保護(hù)采樣抽取到則對保護(hù)算法沒影響，抽取到則與未經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理時計算結(jié)果近似(影響可忽略)。綜上數(shù)據(jù)預(yù)處理過程(數(shù)字低通濾波和抽取插值算法)對單個飛點沒有明顯影響。單個飛點初相角為90°時對原始信號的基波影響最大。

3.3 初相角

單個飛點初相角90°對原始信號的基波影響最大，見圖2。初相角0°對原始信號的基波影響最小。

圖2 初相角

3.4 交變度

交變度(基頻交變相似程度)是指一周波內(nèi)至少有兩個極性相反的點(≥2點/周波)，其相位接近基頻交變的程度(基頻交變即間隔180°且極性相反)，其他特征參數(shù)不變，交變度越高對基波增量Δ影響越大，交變度越低影響越小。

以一周波內(nèi)兩個飛點為例，一點初相角90°，另一點初相角270°，此時飛點對基波影響最大，恰好為基頻交變相似度最大，見圖3。

當(dāng)兩個飛點同相位且極性相反時，基頻交變相似度最小(極限情況)，此時飛點可相互抵消。

圖3 交變度(基頻交變相似程度)

3.5 連續(xù)飛點

連續(xù)飛點是指一周波內(nèi)以最小時間間隔彼此相鄰的各點(≥2點/周波)。

將連續(xù)幾個同極性飛點以中間一點為中心縮小尺度后觀察，其影響規(guī)律與單個飛點相似。對于連續(xù)幾個同極性飛點，中間一點的初相角為90°時對原始信號的基波影響最大，見圖4。

圖4 連續(xù)飛點

3.6 峰值

在飛點極性與峰谷極性相同且非均勻分布的情況下，當(dāng)其他特征參數(shù)不變時，峰值對基波增量Δ影響呈正相關(guān)，且在一些情況下呈線性或在某一范圍內(nèi)近似線性關(guān)系。另外對于同極性且均勻分布的飛點，因呈現(xiàn)直流特性峰值變化對基波增量Δ無影響(見3.1結(jié)論)。

4 疊加原理

上面對特征參數(shù)的分析均滿足疊加原理，非典型的異常飛點的特征可等效于典型飛點特征參數(shù)的疊加效果。

5 建模及數(shù)字仿真

利用MATLAB Simulink仿真模塊庫構(gòu)建SV異常大值(飛點)仿真系統(tǒng)，可對飛點特征參數(shù)的作用機(jī)理和關(guān)鍵影響因素進(jìn)行理論研究和仿真驗證。該系統(tǒng)由異常大值(飛點)、MU采樣報文、保護(hù)采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理、典型保護(hù)算法等模塊組成，見圖5。

5.1 MU采樣報文模塊

采用連續(xù)正弦波作為信號源并通過采樣脈沖將信號離散化，數(shù)據(jù)采樣點間隔設(shè)置為250 μs，即80點/周波，見圖6。

圖5 SV異常大值(飛點)仿真系統(tǒng)

圖6 MU采樣報文模塊

5.2 異常大值(飛點)模塊

該模塊含兩級子系統(tǒng)模塊，可模擬一周期內(nèi)(80點)任意形式的飛點情況，圖7。

5.3 保護(hù)采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

將MU采樣報文(80點/周波)作為輸入，經(jīng)數(shù)字低通濾波后進(jìn)行抽取與插值得到采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理后的報文(20點/周波)。

5.4 典型保護(hù)算法模塊

將采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理后的保護(hù)采樣報文(20點/周波)作為輸入，經(jīng)傅里葉變換得到基波幅值，當(dāng)基波值大于保護(hù)定值即滿足動作邏輯時保護(hù)動作。

6 SV異常報文(異常大值)試驗檢測方案

基于異常大值飛點特征參數(shù)對保護(hù)算法的影響規(guī)律，提出SV異常大數(shù)據(jù)的試驗檢測方案，見表1～表5。

測試目的：考核被保護(hù)設(shè)備未發(fā)生故障的正常狀態(tài)下，保護(hù)設(shè)備(受試設(shè)備EUT，equipment under test)對異常大值(飛點)的抗擾動能力。

測試要求：要求EUT至少能承受嚴(yán)酷等級為D級的抗擾度試驗。受試設(shè)備投入所有保護(hù)。對裝置不施加任何激勵，裝置不應(yīng)誤動；對裝置施加120%的的電流、電壓，裝置不應(yīng)拒動。裝置應(yīng)正常工作，功能和性能應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 檢測方案1

圖7 異常大值(飛點)二級子模塊(80點/周波)

表2 檢測方案2

表3 檢測方案3

表4 檢測方案4

表5 檢測方案5

利用光數(shù)字繼電保護(hù)測試儀對保護(hù)裝置進(jìn)行靜態(tài)模擬試驗。采用一臺ONLLY F系列光數(shù)字繼電保護(hù)測試儀進(jìn)行測試，被試裝置為一臺220kV變壓器保護(hù)。試驗結(jié)果驗證了特征參數(shù)對保護(hù)算法的影響規(guī)律，上述基于特征參數(shù)的測試方案可以真實反映保護(hù)裝置對異常大值(飛點)的抗擾度能力。

7 結(jié)語

本文對SV采樣異常報文的種類和產(chǎn)生機(jī)理做了分類歸納，重點對直接影響算法的SV采樣異常大值(飛點)的特征參數(shù)進(jìn)行了深入研究，充分比較了各類飛點對典型保護(hù)算法的影響，揭示了特征參數(shù)對算法的影響并作了量化分析。最后提出了針對異常大數(shù)據(jù)(飛點)的試驗檢測方案。對于改進(jìn)算法，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提高智能站保護(hù)的可靠性具有重要意義。

[1]陳建國，等．?dāng)?shù)字化變壓器保護(hù)電子式互感器的應(yīng)用與研究 [J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6(5)．

[2]彭澄，周勇，王天鍔．智能變電站中合并單元采樣值的抖動測試 [J]．中國高新技術(shù)企業(yè)(中旬刊)，2013，(1)．

[3]梁國堅．基于母線差動保護(hù)的電子式與電磁式互感器同步應(yīng)用 [J]．電力系統(tǒng)自動化，2011，35(3)．

[4]黃益莊．變電站智能電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù) [J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(15)．

[5]王春鵬，拜俊鵬．光纖傳輸系統(tǒng)中存在的問題及解決對策[J]．信息通信，2012，(2)．

[6]趙亮，錢玉春，劉宏君．?dāng)?shù)字化變電站抗異常數(shù)據(jù)的方法 [J]．電力系統(tǒng)自動化，2011，19(23)．