基于ATP-EMTP仿真的变电站雷电侵入波过电压保护误动作识别

宋立立， 孙 妍

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

0 引 言

变电站是我国主干网架内的关键构成部分， 变电站中多为价格高昂的设备， 若发生事故势必导致变电站设备的损耗与停电等重大问题. 通过统计我国变电站运行情况得知， 因雷击导致的跳闸所占比例约为35%左右， 而多雷区因雷击导致的故障占比甚至可达80%以上， 故雷击问题成为了当前变电站安全运行急需解决的关键问题[1]. 雷电侵入波属于一种电磁波， 因雷击线路的几率要远高于雷击变电站的几率， 故雷电侵入波沿线路侵入变电站产生的雷电过电压， 成为造成变电站站内设备雷电过电压的关键因素[2-3]. 通常变电站通过在恰当的位置布设避雷器的方式， 对雷电过电压予以保护控制， 避免雷电侵入波造成的变电站设备过电压事故. 但在保护过程中， 会因无法合理区分雷电攻击等高频扰动攻击， 造成保护误动作， 导致过电压保护可靠性的降低， 若不能及时将此类保护误动作识别出来， 会造成变电站事故， 无法保证电力系统的安全运行[4]. 为此， 针对变电站雷电侵入波过电压保护误动作的准确识别， 成为当下众多学者的关键研究课题[5].

分段改进S变换和随机森林的复合识别方法是通过干扰信号特征， 分段S变换频域， 并在各段指定不同的窗宽调节因子值， 该方法所创建的分类器具有较低的泛化误差， 识别结果准确， 但识别结果存在遗漏， 不够理想[6]； EFT/B引起的变压器中性点过电压识别方法是在分析断路器场路关系的基础上， 将不同类型过电压的原因予以明确， 达到识别的目的， 此方法简单便捷， 但其识别结果的准确度稍低[7]. EMTP(Electro Magnetic Transients Program)属于当前全球应用最广泛的电磁暂态分析仿真程序， 而ATP(The Alternative Transients Program)则是EMTP仿真程序中最为普遍运用的版本之一. ATP-EMTP程序可兼容运行于众多类别的计算机系统内， 属于一种通用型电磁暂态仿真软件， 可应用于电力系统的暂态与稳态系统仿真中， 其特点是模拟真实性强、 规模大且功能强大等， 被广泛运用于我国制造、 设计、 科研及高等院校等领域内[8-9].

综合以上分析， 本文研究一种基于ATP-EMTP仿真的变电站雷电侵入波过电压保护误动作识别方法， 通过ATP-EMTP构建变电站输电系统仿真模型， 实现对变电站雷电侵入波过电压保护误动作的有效识别， 为提升保护误动作识别精度提供帮助， 有效保障电力系统的安全平稳运行.

1 变电站雷电侵入波过电压保护误动作识别方法

1.1 基于ATP-EMTP仿真的变电站输电系统模型

采用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件创建500 kV 变电站双电源单回路输电系统模型， 如图 1 所示.

图 1 500 kV变电站输电系统仿真模型

图 1 中， 输电线路运用110 km的JMARTI频率特性架空线， 以440 mm的分裂间距水平排列4LGJ-400/50型号导线； 杆塔所运用的模型为多波阻抗模型， 并运用冲击电阻作为接地电阻； 设两回JLB4-150避雷线于全线架上； 运用48 kHz～500 kHz阻塞频带的XZK-400型号阻波器； 运用Y10W2-200/520型号避雷器， 采用IEEE金属氧化物避雷器模型. 仿真模型中，A,B侧系统参数依次为：La0=82.6 mH,La1=89.0 mH,Lb0=88.3 mH,Lb1=98.7 mH,Ra0=Ra1=0 Ω,Rb0=1.600 13 Ω,Rb1=6.434 39 Ω； 采用0.05 μF的母线杂散电容； 仿真中雷电侵入波电流运用Heiler模型， 可表示为

(1)

式中：τ1与τ2表示前沿时间常数与延迟时间常数；I0表示通道头部电流幅值；m表示常数， 其值域为[2,10]；η表示幅值校正因子； 雷电侵入波阻抗为390 Ω.

1.2 变电站输电系统攻击类型判别

在对变电站输电系统展开雷电侵入波过电压保护误动作识别之前， 需先对变电站输电系统所遭到的攻击类型实施有效判别.S变换属于一种基于短时傅里叶变换与小波变换的可逆时频分析方式[10]， 信号h(t)的一维连续S变换可表示为

(2)

式中：f为频率；τ为高斯窗在时间轴的位置； 信号h(t)的一维连续逆变换可表示为

(3)

由于连续小波变换的相位修正是S变换， 局部化应用的高斯窗能够平移， 故信号S变换的时频谱分辨率同频率息息相关， 时间与频率分辨性能均较强[11].信号h(t)的S变换函数和傅里叶变换函数H(f)之间所具备的关联为

(4)

由此即可通过快速傅里叶变换完成对S变换的快速运算. 假设以T作为采样间隔， 采样连续时间信号h(t)所获取到的离散时间序列以h(kT) 表示， 其中k=0,1,…,N-1， 则此序列的离散傅里叶变换可表示为

(5)

(6)

式中：i,m及n均等于0,1,…,N-1.离散时间序列h(kT)通过S变换之后可获取到一个复时频矩阵， 求模之后获得模时频矩阵. 此模时频矩阵的行向量与列向量分别为某一频率成分幅值随时间的更替和某一时刻相对的不同频率成分幅值. 故能够通过S变换， 得到信号的模时频矩阵， 以此， 时域与频域将扰动信号波形特征提取到， 同时， 以所提取特征差异为依据， 建立变电站输电系统攻击类型判别依据[12].

分别将经S变换后所得到的模时频矩阵内行向量与列向量提取出来， 以此求得扰动信号的关键谐波次数与其相对的最高幅值. 以电压信号的关键谐波次数与其相对的幅值高低为依据， 对变电站输电系统是否遭到雷电侵入波攻击实施判别， 判别依据为

(7)

式中:n和Un分别为信号的关键谐波次数与其相对幅值的标幺值；l2为可靠系数；Ue为母线额定电压标幺值. 由于雷电侵入波攻击所形成的信号幅值较高， 而普通噪声等扰动所形成的信号幅值较低， 故， 为有效划分雷电侵入波攻击信号与普通噪声信号， 可通过设定可靠系数的方式实现. 当式(7)成立时， 判别变电站输电系统遭到雷电侵入波攻击； 反之当式(7)不成立时， 判别变电站输电系统遭到普通噪声等其它干扰.

1.3 变电站输电系统雷电侵入波过电压保护误动作识别

经过对变电站输电系统攻击类型的判别， 识别变电站输电系统所遭受的雷电侵入波攻击， 展开变电站雷电侵入波过电压保护误动作识别. 识别中， 通过构建变电站输电系统保护运行监测评估架构， 制定变电站雷电侵入波过电压保护误动的识别流程， 实现对变电站雷电侵入波过电压保护误动作的识别.

1.3.1 保护监测评估架构的构建

依据以往变电站继电保护系统的分层分布式架构， 创建变电站输电系统层次化保护监测评估架构， 如图 2 所示.

图 2 变电站输电系统保护监测评估架构图

变电站输电系统保护监测评估架构在空间维度结构上由变电站间隔层分布式保护装置、 分别处于调度端与变电站相同电压等级侧的分析处理主站与信息子站构成， 达到对变电站纵向多层次的继电保护监测， 同时经过对雷电侵入波攻击下全网保护动作概率信息的整合， 实现对变电站雷电侵入波过电压保护误动作的监测[13]. 各部分主要功能为：

1) 保护装置部分： 依据空间维度电压等级层次， 划分各种电压等级为不同区域， 且各个区域之间具有互相独立的保护误动作监测. 从时间维度方面考量， 为保证主站分析相同时刻的保护动作概率， 应对保护采样信息的同步性予以有效保障， 故而需为各个保护装置配备一个基准的同步时钟. 选用当前在变电站应用较为广泛的GPS同步系统， 通过该系统的GPS时钟网络， 将统一对时提供给变电站的全站智能装置， 达到保护装置上传信息的同步性目的[14-15].

2) 子站部分： 由子站创建保护信息矩阵并初始化为全零矩阵， 针对距离保护， 应创建3个单相接地保护信息矩阵与3个相间保护信息矩阵， 分别以Xθ(θ=C,D,E)与Xθθ(θθ=CD,DE,EC)表示. 子站信息矩阵

(8)

3) 主站部分： 将运用于找寻与确准故障线路的远后备保护系统架构矩阵D储存， 矩阵

D=

以时间标志信息为依据， 主站将各个子站所传输的同一时间的子站信息矩阵实施合并， 并删掉前 3列均为零动作概率的行， 构成主站信息矩阵C， 同时依据前3列数据总和的降序排列该矩阵， 运用排序之后的主站信息矩阵对保护运行情况实施分析， 将变电站输电系统雷电侵入波过电压保护误动作识别出来.

1.3.2 雷电侵入波过电压保护误动作的识别

主站对雷电侵入波过电压保护误动作的识别过程如图 3 所示.

图 3 主站雷电侵入波过电压保护误动作识别过程图

在主站创建同其信息矩阵格式统一的拒动风险评估矩阵GP1和GP2及误动风险评估矩阵GV， 并全部初始化成全零矩阵， 为区分存在拒动与误动的保护运行情况提供便利.总体识别过程如下：

1) 故障判别： 变电站输电系统雷电侵入波攻击下故障线路两端保护3段的动作概率总和最高.主站信息矩阵的首行保护gP1的编号为C[1,5]， 当首行保护gP1头3列的和比0高时， 应先以远后备保护系统架构矩阵D为依据， 将首行保护gP1的对端保护gP2编号确准， 再以第5列的保护编号为依据， 对gP2的信息可否存在于矩阵在C内实施搜寻， 若搜寻结果显示gP2未存在于矩阵C内， 则此时变电站输电系统无故障； 反之若gP2存在于矩阵C内， 同时Ⅲ段动作概率比0高， 此时代表变电站输电系统具备没有切除的故障. 经过以上故障判别过程， 能够有效区分在雷电侵入波攻击下变电站输电系统是否存在故障， 可为有效识别雷电侵入波过电压保护误动作奠定基础.

2) 雷电侵入波攻击下故障线路保护与其后备保护分析： 以变电站输电系统运行情况为依据， 向矩阵GP1和GP2内存入主站信息矩阵C内雷电侵入波攻击下故障线路两端保护与其远后备保护实施单独分析， 并向矩阵GV内提取非故障线路上的Ⅰ、 Ⅱ段有可能误动作的保护实施单独分析， 评估雷电侵入波攻击下矩阵GP1和GP2内故障线路保护与其远后备保护以及矩阵GV内非故障线路过电压误动作保护的保护运行风险.

3) 存在雷电侵入波过电压保护误动作的保护识别： 在主站信息矩阵C内， 将雷电侵入波攻击下故障线路保护与其后备保护所在行删除， 余下Ⅲ段动作概率高于0的保护也就是存在雷电侵入波过电压保护误动作的保护.

在主站完成雷电侵入波过电压保护误动作识别整体过程之后， 将拒动风险评估矩阵GP1和GP2、 误动风险评估矩阵GV、 主站信息矩阵C全部清零， 为下一个周期子站传输数据并展开雷电侵入波过电压误动作识别做准备.

2 实验结果分析

以某地区500 kV变电站的系统架构与其有关参数为依据， 运用ATP-EMTP构建该变电站输电系统仿真模型， 通过本文方法对该变电站雷电侵入波过电压保护误动作实施识别， 检验本文方法的识别效果.

2.1 攻击类型判别结果检验

检验本文方法识别过程中对实验变电站输电系统攻击类型的判别结果， 设可靠系数l2为1.18， 在实验变电站输电系统仿真模型线路上设置雷电攻击扰动， 利用容量为3 000 pF的电容式电压互感器以350 kHz的采样频率对线路上的电压信号实施采集， 并通过S变换后提取出模时频矩阵内的有关数据， 运用本文方法判别攻击扰动类型， 所得判别结果见表 1.

表 1 雷电攻击判别结果

通过表 1 可得出， 运用本文方法所获取到的扰动攻击信号的关键谐波次数均高于60次， 且关键谐波的最高幅值也较高， 依据文中式(7)可判别为该变电站输电系统线路遭到雷电侵入波攻击， 所得判别结果与实际情况相符.

继续在实验变电站输电系统仿真模型线路上设置其它类型扰动攻击， 通过本文方法以相同的采样频率采集线路电压信号并经S变换后提取出模时频矩阵内相关数据后， 所得判别结果详见表 2.

表 2 其它扰动攻击判别结果

从表 2 中结果可看出， 各种扰动攻击的关键谐波次数均低于60次， 同时其关键谐波的最高幅值也较低， 由式(7)可判别为该变电站输电系统线路遭到普通噪声等其它干扰， 判别结果准确.

综合以上检验结果可知， 本文方法可准确判别实验变电站输电系统线路上的攻击类型是否属于雷电攻击， 判据合理有效且灵敏性较高.

2.2 识别结果检验

针对本文方法的整体识别结果实施检验， 检验中选取查全率(Recall)与查准率(Precision)两项指标作为检验指标， 对本文方法的识别结果予以检验. 其中查全率与查准率的表达式分别为

分别采用本文方法、 分段改进S变换和随机森林的复合识别方法(文献[6]方法)、 EFT/B引起的变压器中性点过电压识别方法(文献[7]方法)， 依次识别12个周期内实验变电站输电系统的雷电侵入波过电压保护误动作， 识别中随着识别周期的增长， 对3种方法识别结果的查全率与查准率实施统计， 统计结果如图 4 所示.

由图 4 中各方法识别结果的查全率与查准率统计结果可得出， 随着识别周期的增长， 本文方法识别结果的查全率与查准率无明显变化， 而其它两种方法识别结果的查准率与查全率几乎均呈现降低趋势； 另外， 本文方法识别结果的查全率与查准率均高于其它两种方法， 其中文献[7]方法识别结果的查全率高于文献[6]方法， 而其查准率却低于文献[6]方法， 由此可见， 本文方法的识别结果， 其完整度与准确度更高， 识别结果受识别周期增长的影响较小， 具有十分稳定的识别性能.

(a) 各方法识别结果查全率对比

3 结 论

本文针对基于ATP-EMTP仿真的变电站雷电侵入波过电压保护误动作识别方法展开研究， 通过ATP-EMTP构建变电站输电系统仿真模型， 并运用S变换针对该模型所遭受到的攻击类型实施判别， 构建变电站输电系统保护运行监测评估架构， 识别变电站雷电侵入波过电压保护误动作. 实验结果表明， 本文方法能够判别实验变电站输电系统线路所遭受的攻击是否属于雷电攻击， 且判别结果准确可靠， 整体识别结果精确完整， 几乎不受识别周期增长的影响， 识别性能平稳， 可用于实际变电站输电系统线路雷电侵入波过电压保护误动作识别中， 为变电站及时发现保护误动作并采取相应控制误动作措施奠定基础， 为电力系统安全运行提供有效保障.