張振華，牛志雷，陳干杰，張紅躍，古領(lǐng)先

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

特高壓直流輸電輸送距離遠(yuǎn)，輸送容量大，電壓等級(jí)高，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的異步聯(lián)網(wǎng)[1-2]。在“十二五”建設(shè)期間得到了重點(diǎn)發(fā)展，多項(xiàng)特高壓直流輸電工程相繼建成投運(yùn)，緩解了我國(guó)西部電網(wǎng)大量清潔能源發(fā)電送出問(wèn)題[3-4]。特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流閥組采用高端閥組和低端閥組直流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成雙十二脈動(dòng)閥組，在不增加單閥承受電壓的前提下提升了直流側(cè)電壓等級(jí)，規(guī)劃建設(shè)的特高壓直流工程電壓等級(jí)已達(dá)到±1 100 kV[5]。

為了簡(jiǎn)化特高壓直流輸電工程中二次保護(hù)系統(tǒng)所需的CT、二次電纜等設(shè)備配置，而且考慮到換流閥和換流變?cè)趯?shí)現(xiàn)交直流變換時(shí)的整體性，工程實(shí)施中將換流閥組和換流變作為整體進(jìn)行保護(hù)配置，由一套保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能，即包含了換流閥組所需的直流保護(hù)功能，也包含了換流變所需的交流保護(hù)功能，其數(shù)據(jù)預(yù)處理在同一套保護(hù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集與處理裝置中實(shí)現(xiàn)。在換流變及換流閥組保護(hù)中，需要進(jìn)行采樣的通道較多，對(duì)采樣速率要求高，采樣間隔的縮短，留給CPU進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理、保護(hù)計(jì)算的時(shí)間大大縮短，模擬量通道的增多限制了對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力[6]。

與傳統(tǒng)換流變保護(hù)相比，特高壓直流輸電換流變保護(hù)數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)引入了IIR(Infinite Impulse Response)數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，改變了傳統(tǒng)換流變保護(hù)中采用RC低通濾波回路濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的模式[7]。在發(fā)生故障后，數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)的數(shù)字濾波器的暫態(tài)響應(yīng)速度將影響故障的切除時(shí)間,尤其是故障時(shí)電流中的衰減直流分量，其對(duì)數(shù)字濾波器的暫態(tài)響應(yīng)速度有較大影響，在設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)必需考慮暫態(tài)響應(yīng)速度的問(wèn)題[8-9]。

不同型式數(shù)字濾波器在微機(jī)繼電保護(hù)中的應(yīng)用較多，在保護(hù)算法及保護(hù)數(shù)據(jù)預(yù)處理多方面均有應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]將形態(tài)學(xué)數(shù)字濾波器作為變壓器保護(hù)的前置濾波單元，最大限度地抑制各種干擾的影響, 提出一種基于電流采樣值相關(guān)度的變壓器保護(hù)新判據(jù)，利用變壓器兩側(cè)電流采樣值波形的相關(guān)度來(lái)區(qū)分內(nèi)部故障和外部故障。文獻(xiàn)[11]在利用相差法實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)采樣對(duì)電網(wǎng)瞬時(shí)頻率跟蹤時(shí)，利用有限沖激相應(yīng)濾波器(FIR)濾除諧波和負(fù)序分量，有效地濾除諧波和噪聲干擾。文獻(xiàn)[12]利用IIR濾波器實(shí)現(xiàn)了直流輸電工程交流濾波器保護(hù)中諧波電流流經(jīng)電抗器的等效集膚效應(yīng)濾波，利用IIR濾波器實(shí)現(xiàn)了交流濾波器電抗器熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[13]中將電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)軟件中常用的幾種數(shù)字濾波算法進(jìn)行了比較，研究了幾種數(shù)字濾波算法的特性，以及微機(jī)保護(hù)中數(shù)字濾波算法對(duì)裝置硬件的要求。文獻(xiàn)[14]中分析了繼電保護(hù)信號(hào)處理回路中數(shù)字濾波器的滯后效應(yīng)，結(jié)合實(shí)際案例論述了其對(duì)保護(hù)特性的影響。相關(guān)文獻(xiàn)研究中重點(diǎn)利用了各種類型數(shù)字濾波器在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)可以修改濾波器的參數(shù)，方便地改變?yōu)V波器的特性，但引入數(shù)字濾波器后其響應(yīng)速度對(duì)繼電保護(hù)暫態(tài)性能及故障切除時(shí)間的影響研究較少。通過(guò)仿真，分析了引入IIR數(shù)字濾波器進(jìn)行保護(hù)數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)換流變大差增量差動(dòng)保護(hù)的影響，通過(guò)比較，優(yōu)選了數(shù)字濾波器的濾波型式與濾波器階數(shù)，可以提高其暫態(tài)響應(yīng)速度，降低其對(duì)換流變保護(hù)動(dòng)作切除時(shí)間的影響。

1 IIR數(shù)字濾波器原理及濾波參數(shù)設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)理念即采用由乘法器、加法器和單位延時(shí)器等組成的特定運(yùn)算過(guò)程，對(duì)輸入離散信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，代替模擬濾波器的物理功能，得到能滿足給定頻率特性指標(biāo)要求的系統(tǒng)傳輸函數(shù)，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜或進(jìn)行特定頻率篩選的目的。

IIR數(shù)字濾波器為無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，可以根據(jù)系統(tǒng)頻域特性要求設(shè)計(jì)為低、高通、帶通和帶阻四個(gè)基本類型[15]。IIR數(shù)字濾波器一般采用遞歸型的結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。系統(tǒng)的輸入與輸出服從N階差分方程:

(1)

進(jìn)行z變換，可得到IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

(2)

文中利用仿真軟件的濾波器輔助設(shè)計(jì)工具采用直接法根據(jù)繼電保護(hù)數(shù)據(jù)預(yù)處理程序中對(duì)特定通道的頻率要求，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

考慮到換流變保護(hù)中相關(guān)電流通道主要參與差動(dòng)保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，距離保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)計(jì)算等以基頻參量為主的計(jì)算，且考慮到差動(dòng)保護(hù)勵(lì)磁涌流識(shí)別判據(jù)中采用二次諧波算法，過(guò)勵(lì)磁保護(hù)中采用三次諧波算法等因素，因此換流變保護(hù)相關(guān)電流通道采用低通200 Hz進(jìn)行濾波，利用濾波器輔助設(shè)計(jì)工具，以1 200 Hz為采樣頻率的保護(hù)系統(tǒng)為例，進(jìn)行了濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)。

為了比較IIR濾波器參數(shù)對(duì)換流變?cè)隽坎顒?dòng)暫態(tài)特性的影響，利用濾波器輔助設(shè)計(jì)工具分別設(shè)計(jì)出了不同濾波器型式的低通200 Hz數(shù)字濾波器以及同為巴特沃斯型式，但不同階數(shù)的低通200 Hz數(shù)字濾波器進(jìn)行比較分析。表1、表2分別為設(shè)計(jì)出濾波器參數(shù)，圖1、圖2所示為各濾波器幅頻響應(yīng)特性與相頻響應(yīng)特性。

表1 不同濾波器型式4階低通200 Hz濾波器參數(shù)

圖1 不同濾波器型式4階低通200 Hz濾波器頻率特性

圖2 不同階數(shù)巴特沃斯低通200 Hz濾波器頻率特性

2階巴特沃斯分子分母4階巴特沃斯分子分母6階巴特沃斯分子分母8階巴特沃斯分子分母0.155 0511.000 0000.026 0781.000 0000.004 3101.000 0000.000 7091.000 0000.310 102-0.620 2040.104 311-1.306 6050.025 863-1.981 6110.005 674-2.652 7140.155 0510.240 4080.156 4661.030 4540.064 6572.252 3800.019 8593.914 857——————0.104 311-0.362 3690.086 210-1.469 2830.039 717-3.608 835——————0.026 0780.055 7640.064 6570.596 2630.049 6472.259 673————————————0.025 863-0.135 4400.039 717-0.957 025————————————0.004 3100.013 5640.019 8590.266 349——————————————————0.005 674-0.044 041——————————————————0.000 7090.003 301

2 換流變大差增量差動(dòng)保護(hù)原理

比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)是換流變壓器的主保護(hù)，能反映換流變壓器內(nèi)部相間短路故障、高壓側(cè)單相接地短路及匝間層間短路故障。為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)的要求，換流變壓器主保護(hù)由比率差動(dòng)、增量差動(dòng)、差流速斷和差流越限告警組成。

增量差動(dòng)不受正常運(yùn)行的負(fù)荷電流的影響，具有比比率差動(dòng)更高的靈敏度，由于比率差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流的選取包括正常的負(fù)荷電流，變壓器發(fā)生弱故障時(shí)，比率差動(dòng)保護(hù)由于制動(dòng)電流大，可能延時(shí)動(dòng)作或者不動(dòng)作。增量差動(dòng)主要解決變壓器輕微的匝間故障，高阻接地故障。

圖3 換流變及引線差動(dòng)保護(hù)配置圖

Iop>0.2Ie

(3)

Iop>0.65Ires

(4)

(5)

3 IIR濾波器對(duì)增量差動(dòng)動(dòng)作時(shí)間影響

為了比較IIR濾波器參數(shù)對(duì)換流變?cè)隽坎顒?dòng)暫態(tài)性能的影響，分別從不同數(shù)字濾波器型式及不同濾波器階數(shù)兩方面進(jìn)行了仿真分析。

將某特高壓直流工程RTDS試驗(yàn)時(shí)，兩種典型的故障錄播波形進(jìn)行回放，分析經(jīng)過(guò)IIR數(shù)字濾波器與不經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波兩種情況下，換流變及引線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的差異。

故障I：?jiǎn)螛O金屬回線1.0 pu功率傳輸，逆變站換流變引線K點(diǎn)A相單相金屬性接地100 ms;

故障II：?jiǎn)螛O大地回線0.1 pu輕載功率傳輸時(shí)，逆變站星角變網(wǎng)側(cè)A相15%繞組接地故障100 ms。

圖4、圖5為兩種典型故障未經(jīng)IIR濾波處理時(shí)引線1電流互感器TA5、引線2電流互感器TA6、星角變閥側(cè)首端電流互感器TA4、星星變閥側(cè)首端電流互感器TA2電流、及增量差動(dòng)電流有效值、增量制動(dòng)電流有效值變化規(guī)律及保護(hù)動(dòng)作情況。

圖4 故障I保護(hù)動(dòng)作波形

圖5 故障II保護(hù)動(dòng)作波形

3.1 濾波器型式對(duì)增量差動(dòng)動(dòng)作時(shí)間影響

分別設(shè)計(jì)了4階巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型及橢圓型低通200 Hz數(shù)字濾波器，并對(duì)其其幅頻、相頻響應(yīng)特性進(jìn)行比較。

將換流變及引線大差增量差動(dòng)相關(guān)的電流通道波形先經(jīng)IIR數(shù)字濾波進(jìn)行濾波后，再進(jìn)行大差增量差邏輯計(jì)算驗(yàn)證，下圖為電流經(jīng)過(guò)幾種不同型式IIR濾波器濾波后增量差動(dòng)電流波形，其中圖6為發(fā)生故障I時(shí)增量差動(dòng)電流波形比較圖，圖7為發(fā)生故障II時(shí)增量差動(dòng)電流波形比較圖。

圖6 故障I時(shí)不同型式濾波器增量差動(dòng)電流比較

圖7 故障II時(shí)不同型式濾波器增量差動(dòng)電流比較

圖8、圖9以發(fā)生故障I時(shí)保護(hù)故障錄波為分析對(duì)象，換流變及引線差動(dòng)保護(hù)相關(guān)電流通道經(jīng)過(guò)IIR濾波和未經(jīng)IIR濾波處理時(shí)增量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間差異，可以看出經(jīng)過(guò)IIR濾波處理后，增量差動(dòng)動(dòng)作時(shí)間比未經(jīng)IIR濾波處理時(shí)均有所延遲，影響最大的為經(jīng)過(guò)4階切比雪夫I型濾波器濾波時(shí)，保護(hù)延時(shí)達(dá)到4.17 ms以上。

以切比雪夫I型濾波發(fā)生故障I為例，其保護(hù)相關(guān)各通道相位延遲及保護(hù)動(dòng)作時(shí)間影響如圖9所示。

表3中為兩種典型故障類型，經(jīng)過(guò)不同型式4階IIR濾波器進(jìn)行濾波時(shí)，其增量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間受相位延遲影響所延遲的動(dòng)作時(shí)間。

圖8 故障I時(shí)不同型式濾波器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間比較

圖9 切比雪夫I型濾波器濾波時(shí)波形延時(shí)

濾波器型式故障I保護(hù)延時(shí)故障II保護(hù)延時(shí)切比雪夫II型0.83 ms1.67 ms橢圓型1.67 ms2.50 ms巴特沃斯型2.50 ms4.17 ms切比雪夫I型4.17 ms5.00 ms

從仿真結(jié)果可以看出，幾種不同濾波器型式的數(shù)字濾波器進(jìn)行仿真分析比較時(shí)，由于幾種型式濾波器在低頻段相頻特性較為一致，保護(hù)動(dòng)作后高頻含量較少，因此對(duì)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間影響不大，但是對(duì)于繞組接地，匝間短路等弱故障，因IIR濾波器的滯后效應(yīng)，其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間受影響程度略大于變壓器出線金屬性接地等強(qiáng)故障。

3.2 濾波器階數(shù)對(duì)增量差動(dòng)動(dòng)作時(shí)間影響

分別設(shè)計(jì)了2階、4階、6階、8階低通200 Hz巴特沃斯濾波器。將換流變及引線大差增量差動(dòng)相關(guān)的電流通道波形先經(jīng)IIR數(shù)字濾波進(jìn)行濾波后，再進(jìn)行大差增量差邏輯計(jì)算驗(yàn)證，下圖為電流經(jīng)過(guò)幾種不同階數(shù)巴特沃斯濾波器濾波后增量差動(dòng)電流波形，其中圖10為發(fā)生故障I時(shí)增量差動(dòng)電流波形比較圖，圖11為發(fā)生故障II時(shí)增量差動(dòng)電流波形比較圖。

圖12、圖13以發(fā)生故障II時(shí)保護(hù)故障錄波為分析對(duì)象，換流變及引線差動(dòng)保護(hù)相關(guān)電流通道經(jīng)過(guò)IIR濾波和未經(jīng)IIR濾波處理時(shí)增量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間差異，可以看出經(jīng)過(guò)IIR濾波處理后，增量差動(dòng)動(dòng)作時(shí)間比未經(jīng)IIR濾波處理時(shí)均有所延遲，且階數(shù)越高的巴特沃斯濾波器因其相頻特性中相位延遲越多對(duì)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間驗(yàn)車也越大，其中8階巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延時(shí)達(dá)到了6.67 ms。

圖10 故障I時(shí)不同階數(shù)濾波器增量差動(dòng)電流比較

圖11 故障II時(shí)不同階數(shù)濾波器增量差動(dòng)電流比較

圖12 故障II時(shí)不同階數(shù)濾波器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間比較

以動(dòng)作時(shí)間延遲最長(zhǎng)的8階巴特沃斯濾波器為例，其保護(hù)相關(guān)各通道相位延遲及保護(hù)動(dòng)作時(shí)間影響如圖13所示。

圖13 8階巴特沃斯濾波器濾波時(shí)波形延時(shí)

表4中為兩種典型故障類型，經(jīng)過(guò)不同階數(shù)巴特沃斯IIR濾波器進(jìn)行濾波時(shí)，其增量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間受相位延遲影響所延遲的動(dòng)作時(shí)間。

從仿真結(jié)果可以看出，幾種不同階數(shù)巴特沃斯數(shù)字濾波器進(jìn)行仿真分析比較時(shí)，由于階數(shù)越高其相頻延遲時(shí)間更長(zhǎng)，使得數(shù)字濾波器輸出跟蹤輸入的時(shí)間相對(duì)較慢，階數(shù)越高對(duì)換流變?cè)隽坎顒?dòng)保護(hù)暫態(tài)性能影響較大，因此在可以滿足系統(tǒng)低通濾波對(duì)數(shù)字濾波器要求的前提下，不宜采用階數(shù)過(guò)高的數(shù)字濾波器，一方面會(huì)增加數(shù)據(jù)預(yù)處理的運(yùn)算量，一方面也會(huì)影響繼電保護(hù)的暫態(tài)性能。

表4 不同階數(shù)巴特沃斯濾波器濾波保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析特高壓直流工程及傳統(tǒng)高壓直流工程中換流變保護(hù)配置的改變，分析了特高壓直流輸電工程中，按照換流閥及換流變壓器組作為整體進(jìn)行保護(hù)配置，引入了數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

分別從濾波器型式和濾波器階數(shù)兩個(gè)角度進(jìn)行了濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析得到以下結(jié)論：

(1)引入IIR數(shù)字濾波器進(jìn)行保護(hù)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，因數(shù)字濾波器自身固有的滯后效應(yīng)，將對(duì)換流變壓器差動(dòng)保護(hù)，尤其是增量差動(dòng)保護(hù)的暫態(tài)性能及動(dòng)作切除時(shí)間造成一定影響，影響保護(hù)動(dòng)作的快速性；

(2)通過(guò)對(duì)幾種不同型式濾波器濾波后保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的仿真分析，得出在低頻段具有平滑特性的巴特沃斯低通濾波器為最優(yōu)選擇；

(3)通過(guò)對(duì)幾種不同階數(shù)巴特沃斯低通濾波器濾波后保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的仿真分析，得出在滿足保護(hù)系統(tǒng)低通濾波對(duì)數(shù)字濾波器要求的前提下，不宜采用階數(shù)過(guò)高的數(shù)字濾波器，過(guò)分追求數(shù)字濾波器的階數(shù)一方面會(huì)增加數(shù)據(jù)預(yù)處理的運(yùn)算量，一方面也會(huì)影響繼電保護(hù)的暫態(tài)性能。