引入IIR滤波器对换流变增量差动暂态性能的影响分析

2018-07-30张振华牛志雷陈干杰张红跃古领先

电测与仪表 2018年2期

张振华，牛志雷，陈干杰，张红跃，古领先

(许继集团有限公司，河南许昌 461000)

0 引言

特高压直流输电输送距离远，输送容量大，电压等级高，可实现电力系统的异步联网[1-2]。在“十二五”建设期间得到了重点发展，多项特高压直流输电工程相继建成投运，缓解了我国西部电网大量清洁能源发电送出问题[3-4]。特高压直流输电系统中，换流阀组采用高端阀组和低端阀组直流侧串联构成双十二脉动阀组，在不增加单阀承受电压的前提下提升了直流侧电压等级，规划建设的特高压直流工程电压等级已达到±1 100 kV[5]。

为了简化特高压直流输电工程中二次保护系统所需的CT、二次电缆等设备配置，而且考虑到换流阀和换流变在实现交直流变换时的整体性，工程实施中将换流阀组和换流变作为整体进行保护配置，由一套保护系统实现其保护功能，即包含了换流阀组所需的直流保护功能，也包含了换流变所需的交流保护功能，其数据预处理在同一套保护系统中的数据采集与处理装置中实现。在换流变及换流阀组保护中，需要进行采样的通道较多，对采样速率要求高，采样间隔的缩短，留给CPU进行采样数据预处理、保护计算的时间大大缩短，模拟量通道的增多限制了对数据的处理能力[6]。

与传统换流变保护相比，特高压直流输电换流变保护数据预处理时引入了IIR(Infinite Impulse Response)数字滤波器进行滤波，改变了传统换流变保护中采用RC低通滤波回路滤波进行数据预处理的模式[7]。在发生故障后，数据预处理环节的数字滤波器的暂态响应速度将影响故障的切除时间,尤其是故障时电流中的衰减直流分量，其对数字滤波器的暂态响应速度有较大影响，在设计数字滤波器时必需考虑暂态响应速度的问题[8-9]。

不同型式数字滤波器在微机继电保护中的应用较多，在保护算法及保护数据预处理多方面均有应用。文献[10]将形态学数字滤波器作为变压器保护的前置滤波单元，最大限度地抑制各种干扰的影响, 提出一种基于电流采样值相关度的变压器保护新判据，利用变压器两侧电流采样值波形的相关度来区分内部故障和外部故障。文献[11]在利用相差法实现继电保护采样对电网瞬时频率跟踪时，利用有限冲激相应滤波器(FIR)滤除谐波和负序分量，有效地滤除谐波和噪声干扰。文献[12]利用IIR滤波器实现了直流输电工程交流滤波器保护中谐波电流流经电抗器的等效集肤效应滤波，利用IIR滤波器实现了交流滤波器电抗器热过负荷保护的设计。文献[13]中将电力系统微机继电保护软件中常用的几种数字滤波算法进行了比较，研究了几种数字滤波算法的特性，以及微机保护中数字滤波算法对装置硬件的要求。文献[14]中分析了继电保护信号处理回路中数字滤波器的滞后效应，结合实际案例论述了其对保护特性的影响。相关文献研究中重点利用了各种类型数字滤波器在进行数据处理时可以修改滤波器的参数，方便地改变滤波器的特性，但引入数字滤波器后其响应速度对继电保护暂态性能及故障切除时间的影响研究较少。通过仿真，分析了引入IIR数字滤波器进行保护数据预处理，对换流变大差增量差动保护的影响，通过比较，优选了数字滤波器的滤波型式与滤波器阶数，可以提高其暂态响应速度，降低其对换流变保护动作切除时间的影响。

1 IIR数字滤波器原理及滤波参数设计

数字滤波器的设计理念即采用由乘法器、加法器和单位延时器等组成的特定运算过程，对输入离散信号进行运算，代替模拟滤波器的物理功能，得到能满足给定频率特性指标要求的系统传输函数，以达到改变信号频谱或进行特定频率筛选的目的。

IIR数字滤波器为无限长单位冲激响应滤波器，可以根据系统频域特性要求设计为低、高通、带通和带阻四个基本类型[15]。IIR数字滤波器一般采用递归型的结构，即结构上带有反馈环路。系统的输入与输出服从N阶差分方程:

(1)

进行z变换，可得到IIR数字滤波器的系统传递函数：

(2)

文中利用仿真软件的滤波器辅助设计工具采用直接法根据继电保护数据预处理程序中对特定通道的频率要求，对其进行参数设计。

考虑到换流变保护中相关电流通道主要参与差动保护，过流保护，距离保护，过负荷保护计算等以基频参量为主的计算，且考虑到差动保护励磁涌流识别判据中采用二次谐波算法，过励磁保护中采用三次谐波算法等因素，因此换流变保护相关电流通道采用低通200 Hz进行滤波，利用滤波器辅助设计工具，以1 200 Hz为采样频率的保护系统为例，进行了滤波器参数设计。

为了比较IIR滤波器参数对换流变增量差动暂态特性的影响，利用滤波器辅助设计工具分别设计出了不同滤波器型式的低通200 Hz数字滤波器以及同为巴特沃斯型式，但不同阶数的低通200 Hz数字滤波器进行比较分析。表1、表2分别为设计出滤波器参数，图1、图2所示为各滤波器幅频响应特性与相频响应特性。

表1 不同滤波器型式4阶低通200 Hz滤波器参数

图1 不同滤波器型式4阶低通200 Hz滤波器频率特性

图2 不同阶数巴特沃斯低通200 Hz滤波器频率特性

2阶巴特沃斯分子分母4阶巴特沃斯分子分母6阶巴特沃斯分子分母8阶巴特沃斯分子分母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 换流变大差增量差动保护原理

比率制动式差动保护是换流变压器的主保护，能反映换流变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地短路及匝间层间短路故障。为了满足电力系统对继电保护的要求，换流变压器主保护由比率差动、增量差动、差流速断和差流越限告警组成。

增量差动不受正常运行的负荷电流的影响，具有比比率差动更高的灵敏度，由于比率差动保护的制动电流的选取包括正常的负荷电流，变压器发生弱故障时，比率差动保护由于制动电流大，可能延时动作或者不动作。增量差动主要解决变压器轻微的匝间故障，高阻接地故障。

图3 换流变及引线差动保护配置图

Iop>0.2Ie

(3)

Iop>0.65Ires

(4)

(5)

3 IIR滤波器对增量差动动作时间影响

为了比较IIR滤波器参数对换流变增量差动暂态性能的影响，分别从不同数字滤波器型式及不同滤波器阶数两方面进行了仿真分析。

将某特高压直流工程RTDS试验时，两种典型的故障录播波形进行回放，分析经过IIR数字滤波器与不经过数字滤波两种情况下，换流变及引线差动保护动作时间的差异。

故障I：单极金属回线1.0 pu功率传输，逆变站换流变引线K点A相单相金属性接地100 ms;

故障II：单极大地回线0.1 pu轻载功率传输时，逆变站星角变网侧A相15%绕组接地故障100 ms。

图4、图5为两种典型故障未经IIR滤波处理时引线1电流互感器TA5、引线2电流互感器TA6、星角变阀侧首端电流互感器TA4、星星变阀侧首端电流互感器TA2电流、及增量差动电流有效值、增量制动电流有效值变化规律及保护动作情况。

图4 故障I保护动作波形

图5 故障II保护动作波形

3.1 滤波器型式对增量差动动作时间影响

分别设计了4阶巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型及椭圆型低通200 Hz数字滤波器，并对其其幅频、相频响应特性进行比较。

将换流变及引线大差增量差动相关的电流通道波形先经IIR数字滤波进行滤波后，再进行大差增量差逻辑计算验证，下图为电流经过几种不同型式IIR滤波器滤波后增量差动电流波形，其中图6为发生故障I时增量差动电流波形比较图，图7为发生故障II时增量差动电流波形比较图。

图6 故障I时不同型式滤波器增量差动电流比较

图7 故障II时不同型式滤波器增量差动电流比较

图8、图9以发生故障I时保护故障录波为分析对象，换流变及引线差动保护相关电流通道经过IIR滤波和未经IIR滤波处理时增量差动保护动作时间差异，可以看出经过IIR滤波处理后，增量差动动作时间比未经IIR滤波处理时均有所延迟，影响最大的为经过4阶切比雪夫I型滤波器滤波时，保护延时达到4.17 ms以上。

以切比雪夫I型滤波发生故障I为例，其保护相关各通道相位延迟及保护动作时间影响如图9所示。

表3中为两种典型故障类型，经过不同型式4阶IIR滤波器进行滤波时，其增量差动保护动作时间受相位延迟影响所延迟的动作时间。

图8 故障I时不同型式滤波器保护动作时间比较

图9 切比雪夫I型滤波器滤波时波形延时

滤波器型式故障I保护延时故障II保护延时切比雪夫II型0.83 ms1.67 ms椭圆型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

从仿真结果可以看出，几种不同滤波器型式的数字滤波器进行仿真分析比较时，由于几种型式滤波器在低频段相频特性较为一致，保护动作后高频含量较少，因此对保护动作时间影响不大，但是对于绕组接地，匝间短路等弱故障，因IIR滤波器的滞后效应，其保护动作时间受影响程度略大于变压器出线金属性接地等强故障。

3.2 滤波器阶数对增量差动动作时间影响

分别设计了2阶、4阶、6阶、8阶低通200 Hz巴特沃斯滤波器。将换流变及引线大差增量差动相关的电流通道波形先经IIR数字滤波进行滤波后，再进行大差增量差逻辑计算验证，下图为电流经过几种不同阶数巴特沃斯滤波器滤波后增量差动电流波形，其中图10为发生故障I时增量差动电流波形比较图，图11为发生故障II时增量差动电流波形比较图。

图12、图13以发生故障II时保护故障录波为分析对象，换流变及引线差动保护相关电流通道经过IIR滤波和未经IIR滤波处理时增量差动保护动作时间差异，可以看出经过IIR滤波处理后，增量差动动作时间比未经IIR滤波处理时均有所延迟，且阶数越高的巴特沃斯滤波器因其相频特性中相位延迟越多对保护的动作时间验车也越大，其中8阶巴特沃斯滤波器进行滤波时，保护动作时间延时达到了6.67 ms。

图10 故障I时不同阶数滤波器增量差动电流比较

图11 故障II时不同阶数滤波器增量差动电流比较

图12 故障II时不同阶数滤波器保护动作时间比较

以动作时间延迟最长的8阶巴特沃斯滤波器为例，其保护相关各通道相位延迟及保护动作时间影响如图13所示。

图13 8阶巴特沃斯滤波器滤波时波形延时

表4中为两种典型故障类型，经过不同阶数巴特沃斯IIR滤波器进行滤波时，其增量差动保护动作时间受相位延迟影响所延迟的动作时间。

从仿真结果可以看出，几种不同阶数巴特沃斯数字滤波器进行仿真分析比较时，由于阶数越高其相频延迟时间更长，使得数字滤波器输出跟踪输入的时间相对较慢，阶数越高对换流变增量差动保护暂态性能影响较大，因此在可以满足系统低通滤波对数字滤波器要求的前提下，不宜采用阶数过高的数字滤波器，一方面会增加数据预处理的运算量，一方面也会影响继电保护的暂态性能。