SV采样报文异常大值的特征及检测方案研究

王剑宇，张晓莉，艾淑云

(1.华北电力大学，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192)

采样测量值(Sampled Measured Value，SMV，也称SV)，是一种用于实时传输数字采样信息的通信服务，在智能站的保护装置中已得到广泛采用。实际运行中异常采样信息可能造成保护的不正确动作，特别是异常大值(飞点)的出现，对电网的安全运行构成了威胁。目前对飞点的理论研究工作相对滞后且缺少有效试验手段，深入研究智能变电站SV采样报文异常大值的特征及对保护的影响可为工程技术人员找到更为完善的采样信息解决方案提供理论依据，为保护算法的研究工作提供参考，有助于建立并完善相关测试方法和评价体系。

1 SV采样报文异常的分类

通过对现场异常数据及相关文献资料的梳理，电学电子式互感器信号异常主要有三种情况：电子式互感器采集器电源异常，其表现形式为采样数据异常，采集器将无效标志上送给合并单元(Merging Unit，MU)，合并单元送给保护的数据对应通道品质标注为无效；采集器与合并单元通信中断，合并单元送给保护的数据为0且对应通道品质无效；干扰原因的影响。主要是应用在气体绝缘全封闭组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)内或主变低压侧而产生的干扰。

合并单元(MU)环节时钟信号异常主要有两种情况：MU接收到的时钟信号从无到有，这可能是同步光纤连接问题恢复或时钟信号扩展设备重新上电造成的；主时钟快速跟踪卫星信号等情况导致MU接收到的时钟信号发生跳变。延时和同步是MU的两个重要指标，设备投运后可能出现延时和同步问题。

此外MU的收发时序控制逻辑不得当会产生“毛刺”现象。

随着智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)的广泛应用，以微电子技术为基础的电子设备对暂态干扰具有更加明显的敏感性和脆弱性。变电站自动化系统多采用分层分布式结构，继电保护装置“下放”安装在高压开关柜内或在超高压开关场附近，EMC问题更为突出[4]。电子设备受强电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)也可能导致异常数据的产生。

理想的光纤传输网络其传输数据和信息信道非常稳定，几乎不受任何电磁干扰，但在实际系统中误码却依然存在。除内部的误码机理，更大程度上是因为外界的突发性扰动：光纤自身折射率随环境温度发生改变导致的传输时延不稳定，进而产生漂移 ；光纤通道受应力作用造成的传输异常甚至中断。

另外系统中大量电子元器件的采用对工艺和稳定性都提出了更高要求，长期运行中可能暴露出潜在的设计缺陷，导致异常数据的出现。

综上可将异常报文分为四类：①双A/D采样报文不一致；②品质位异常；③报文丢帧；④异常大值(飞点)。目前，保护厂家已有较为成熟的技术方法来甄别前三类异常报文并可靠闭锁保护，但对异常大值(飞点)的特征及对保护算法的影响研究相对滞后，严重阻碍了保护及相关检测工作的开展。

异常大值(飞点)是随机出现且数值极大的采样值，可以是孤立的单个飞点，也可以是连续的多个飞点，且没有严格的周期特征。考虑到保护算法的基本原理及实验需要可将异常大值作为周期性的脉冲序列进行研究，通常可分为：①随机出现的单点大值；②连续几点大值；③一直连续产生的大值，呈现直流特性。

2 异常大值的特征参数

在EMC电磁兼容GB/T14598.10—2007 《电气继电器 第22－4部分：量度继电器和保护装置的电气骚扰试验—电快速瞬变/脉冲群抗扰度试验》中将数量有限且清晰可辨的脉冲序列定义为脉冲群(Burst)，从特征上可将异常大值(飞点)视为一种异常干扰信号进行研究。特征参数是用于表征物质或现象特性的参数信息，表征异常大值(飞点)的特征参数包括：均匀度、初相角、交变度、连续飞点个数、单个飞点、峰值和频率。

3 异常大值对保护算法的影响

通过对典型飞点情况的比较分析，得到异常大值飞点各特征参数对保护算法的影响规律。

3.1 均匀度

均匀度是指一周波内至少两个飞点(≥2点/周波)且相邻每点的时间间隔的接近程度。若其他特征参数不变，均匀度越高对基波增量Δ影响越小，均匀度越低影响越大。

以一周波内两个飞点为例，一点初相角90°，另一点初相角270°，此时恰为均匀分布，均匀度最大，见图1。

图1 均匀度

作为特例直流均匀分布是指一周波内至少有两点(≥2点/周波)且相邻每点的时间间隔均相等、幅值相等、极性相同。此类特征的飞点呈现直流特性，其对基波增量Δ无影响。

单个飞点可以认为是多点重叠后的特例，是均匀度最小的极限情况。

3.2 单个飞点

单个飞点未被保护采样抽取到则对保护算法没影响，抽取到则与未经数据预处理时计算结果近似(影响可忽略)。综上数据预处理过程(数字低通滤波和抽取插值算法)对单个飞点没有明显影响。单个飞点初相角为90°时对原始信号的基波影响最大。

3.3 初相角

单个飞点初相角90°对原始信号的基波影响最大，见图2。初相角0°对原始信号的基波影响最小。

图2 初相角

3.4 交变度

交变度(基频交变相似程度)是指一周波内至少有两个极性相反的点(≥2点/周波)，其相位接近基频交变的程度(基频交变即间隔180°且极性相反)，其他特征参数不变，交变度越高对基波增量Δ影响越大，交变度越低影响越小。

以一周波内两个飞点为例，一点初相角90°，另一点初相角270°，此时飞点对基波影响最大，恰好为基频交变相似度最大，见图3。

当两个飞点同相位且极性相反时，基频交变相似度最小(极限情况)，此时飞点可相互抵消。

图3 交变度(基频交变相似程度)

3.5 连续飞点

连续飞点是指一周波内以最小时间间隔彼此相邻的各点(≥2点/周波)。

将连续几个同极性飞点以中间一点为中心缩小尺度后观察，其影响规律与单个飞点相似。对于连续几个同极性飞点，中间一点的初相角为90°时对原始信号的基波影响最大，见图4。

图4 连续飞点

3.6 峰值

在飞点极性与峰谷极性相同且非均匀分布的情况下，当其他特征参数不变时，峰值对基波增量Δ影响呈正相关，且在一些情况下呈线性或在某一范围内近似线性关系。另外对于同极性且均匀分布的飞点，因呈现直流特性峰值变化对基波增量Δ无影响(见3.1结论)。

4 叠加原理

上面对特征参数的分析均满足叠加原理，非典型的异常飞点的特征可等效于典型飞点特征参数的叠加效果。

5 建模及数字仿真

利用MATLAB Simulink仿真模块库构建SV异常大值(飞点)仿真系统，可对飞点特征参数的作用机理和关键影响因素进行理论研究和仿真验证。该系统由异常大值(飞点)、MU采样报文、保护采样数据预处理、典型保护算法等模块组成，见图5。

5.1 MU采样报文模块

采用连续正弦波作为信号源并通过采样脉冲将信号离散化，数据采样点间隔设置为250 μs，即80点/周波，见图6。

图5 SV异常大值(飞点)仿真系统

图6 MU采样报文模块

5.2 异常大值(飞点)模块

该模块含两级子系统模块，可模拟一周期内(80点)任意形式的飞点情况，图7。

5.3 保护采样数据预处理模块

将MU采样报文(80点/周波)作为输入，经数字低通滤波后进行抽取与插值得到采样数据预处理后的报文(20点/周波)。

5.4 典型保护算法模块

将采样数据预处理后的保护采样报文(20点/周波)作为输入，经傅里叶变换得到基波幅值，当基波值大于保护定值即满足动作逻辑时保护动作。

6 SV异常报文(异常大值)试验检测方案

基于异常大值飞点特征参数对保护算法的影响规律，提出SV异常大数据的试验检测方案，见表1～表5。

测试目的：考核被保护设备未发生故障的正常状态下，保护设备(受试设备EUT，equipment under test)对异常大值(飞点)的抗扰动能力。

测试要求：要求EUT至少能承受严酷等级为D级的抗扰度试验。受试设备投入所有保护。对装置不施加任何激励，装置不应误动；对装置施加120%的的电流、电压，装置不应拒动。装置应正常工作，功能和性能应符合标准要求。

表1 检测方案1

图7 异常大值(飞点)二级子模块(80点/周波)

表2 检测方案2

表3 检测方案3

表4 检测方案4

表5 检测方案5

利用光数字继电保护测试仪对保护装置进行静态模拟试验。采用一台ONLLY F系列光数字继电保护测试仪进行测试，被试装置为一台220kV变压器保护。试验结果验证了特征参数对保护算法的影响规律，上述基于特征参数的测试方案可以真实反映保护装置对异常大值(飞点)的抗扰度能力。

7 结语

本文对SV采样异常报文的种类和产生机理做了分类归纳，重点对直接影响算法的SV采样异常大值(飞点)的特征参数进行了深入研究，充分比较了各类飞点对典型保护算法的影响，揭示了特征参数对算法的影响并作了量化分析。最后提出了针对异常大数据(飞点)的试验检测方案。对于改进算法，完善相关标准，提高智能站保护的可靠性具有重要意义。

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[2]彭澄，周勇，王天锷．智能变电站中合并单元采样值的抖动测试 [J]．中国高新技术企业(中旬刊)，2013，(1)．

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