宋立立， 孫 妍

(北京市建筑設計研究院有限公司， 北京 100045)

0 引 言

變電站是我國主干網(wǎng)架內的關鍵構成部分， 變電站中多為價格高昂的設備， 若發(fā)生事故勢必導致變電站設備的損耗與停電等重大問題. 通過統(tǒng)計我國變電站運行情況得知， 因雷擊導致的跳閘所占比例約為35%左右， 而多雷區(qū)因雷擊導致的故障占比甚至可達80%以上， 故雷擊問題成為了當前變電站安全運行急需解決的關鍵問題[1]. 雷電侵入波屬于一種電磁波， 因雷擊線路的幾率要遠高于雷擊變電站的幾率， 故雷電侵入波沿線路侵入變電站產(chǎn)生的雷電過電壓， 成為造成變電站站內設備雷電過電壓的關鍵因素[2-3]. 通常變電站通過在恰當?shù)奈恢貌荚O避雷器的方式， 對雷電過電壓予以保護控制， 避免雷電侵入波造成的變電站設備過電壓事故. 但在保護過程中， 會因無法合理區(qū)分雷電攻擊等高頻擾動攻擊， 造成保護誤動作， 導致過電壓保護可靠性的降低， 若不能及時將此類保護誤動作識別出來， 會造成變電站事故， 無法保證電力系統(tǒng)的安全運行[4]. 為此， 針對變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作的準確識別， 成為當下眾多學者的關鍵研究課題[5].

分段改進S變換和隨機森林的復合識別方法是通過干擾信號特征， 分段S變換頻域， 并在各段指定不同的窗寬調節(jié)因子值， 該方法所創(chuàng)建的分類器具有較低的泛化誤差， 識別結果準確， 但識別結果存在遺漏， 不夠理想[6]； EFT/B引起的變壓器中性點過電壓識別方法是在分析斷路器場路關系的基礎上， 將不同類型過電壓的原因予以明確， 達到識別的目的， 此方法簡單便捷， 但其識別結果的準確度稍低[7]. EMTP(Electro Magnetic Transients Program)屬于當前全球應用最廣泛的電磁暫態(tài)分析仿真程序， 而ATP(The Alternative Transients Program)則是EMTP仿真程序中最為普遍運用的版本之一. ATP-EMTP程序可兼容運行于眾多類別的計算機系統(tǒng)內， 屬于一種通用型電磁暫態(tài)仿真軟件， 可應用于電力系統(tǒng)的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)仿真中， 其特點是模擬真實性強、 規(guī)模大且功能強大等， 被廣泛運用于我國制造、 設計、 科研及高等院校等領域內[8-9].

綜合以上分析， 本文研究一種基于ATP-EMTP仿真的變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作識別方法， 通過ATP-EMTP構建變電站輸電系統(tǒng)仿真模型， 實現(xiàn)對變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作的有效識別， 為提升保護誤動作識別精度提供幫助， 有效保障電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行.

1 變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作識別方法

1.1 基于ATP-EMTP仿真的變電站輸電系統(tǒng)模型

采用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件創(chuàng)建500 kV 變電站雙電源單回路輸電系統(tǒng)模型， 如圖 1 所示.

圖 1 500 kV變電站輸電系統(tǒng)仿真模型

圖 1 中， 輸電線路運用110 km的JMARTI頻率特性架空線， 以440 mm的分裂間距水平排列4LGJ-400/50型號導線； 桿塔所運用的模型為多波阻抗模型， 并運用沖擊電阻作為接地電阻； 設兩回JLB4-150避雷線于全線架上； 運用48 kHz～500 kHz阻塞頻帶的XZK-400型號阻波器； 運用Y10W2-200/520型號避雷器， 采用IEEE金屬氧化物避雷器模型. 仿真模型中，A,B側系統(tǒng)參數(shù)依次為：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的母線雜散電容； 仿真中雷電侵入波電流運用Heiler模型， 可表示為

(1)

式中：τ1與τ2表示前沿時間常數(shù)與延遲時間常數(shù)；I0表示通道頭部電流幅值；m表示常數(shù)， 其值域為[2,10]；η表示幅值校正因子； 雷電侵入波阻抗為390 Ω.

1.2 變電站輸電系統(tǒng)攻擊類型判別

在對變電站輸電系統(tǒng)展開雷電侵入波過電壓保護誤動作識別之前， 需先對變電站輸電系統(tǒng)所遭到的攻擊類型實施有效判別.S變換屬于一種基于短時傅里葉變換與小波變換的可逆時頻分析方式[10]， 信號h(t)的一維連續(xù)S變換可表示為

(2)

式中：f為頻率；τ為高斯窗在時間軸的位置； 信號h(t)的一維連續(xù)逆變換可表示為

(3)

由于連續(xù)小波變換的相位修正是S變換， 局部化應用的高斯窗能夠平移， 故信號S變換的時頻譜分辨率同頻率息息相關， 時間與頻率分辨性能均較強[11].信號h(t)的S變換函數(shù)和傅里葉變換函數(shù)H(f)之間所具備的關聯(lián)為

(4)

由此即可通過快速傅里葉變換完成對S變換的快速運算. 假設以T作為采樣間隔， 采樣連續(xù)時間信號h(t)所獲取到的離散時間序列以h(kT) 表示， 其中k=0,1,…,N-1， 則此序列的離散傅里葉變換可表示為

(5)

(6)

式中：i,m及n均等于0,1,…,N-1.離散時間序列h(kT)通過S變換之后可獲取到一個復時頻矩陣， 求模之后獲得模時頻矩陣. 此模時頻矩陣的行向量與列向量分別為某一頻率成分幅值隨時間的更替和某一時刻相對的不同頻率成分幅值. 故能夠通過S變換， 得到信號的模時頻矩陣， 以此， 時域與頻域將擾動信號波形特征提取到， 同時， 以所提取特征差異為依據(jù)， 建立變電站輸電系統(tǒng)攻擊類型判別依據(jù)[12].

分別將經(jīng)S變換后所得到的模時頻矩陣內行向量與列向量提取出來， 以此求得擾動信號的關鍵諧波次數(shù)與其相對的最高幅值. 以電壓信號的關鍵諧波次數(shù)與其相對的幅值高低為依據(jù)， 對變電站輸電系統(tǒng)是否遭到雷電侵入波攻擊實施判別， 判別依據(jù)為

(7)

式中:n和Un分別為信號的關鍵諧波次數(shù)與其相對幅值的標幺值；l2為可靠系數(shù)；Ue為母線額定電壓標幺值. 由于雷電侵入波攻擊所形成的信號幅值較高， 而普通噪聲等擾動所形成的信號幅值較低， 故， 為有效劃分雷電侵入波攻擊信號與普通噪聲信號， 可通過設定可靠系數(shù)的方式實現(xiàn). 當式(7)成立時， 判別變電站輸電系統(tǒng)遭到雷電侵入波攻擊； 反之當式(7)不成立時， 判別變電站輸電系統(tǒng)遭到普通噪聲等其它干擾.

1.3 變電站輸電系統(tǒng)雷電侵入波過電壓保護誤動作識別

經(jīng)過對變電站輸電系統(tǒng)攻擊類型的判別， 識別變電站輸電系統(tǒng)所遭受的雷電侵入波攻擊， 展開變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作識別. 識別中， 通過構建變電站輸電系統(tǒng)保護運行監(jiān)測評估架構， 制定變電站雷電侵入波過電壓保護誤動的識別流程， 實現(xiàn)對變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作的識別.

1.3.1 保護監(jiān)測評估架構的構建

依據(jù)以往變電站繼電保護系統(tǒng)的分層分布式架構， 創(chuàng)建變電站輸電系統(tǒng)層次化保護監(jiān)測評估架構， 如圖 2 所示.

圖 2 變電站輸電系統(tǒng)保護監(jiān)測評估架構圖

變電站輸電系統(tǒng)保護監(jiān)測評估架構在空間維度結構上由變電站間隔層分布式保護裝置、 分別處于調度端與變電站相同電壓等級側的分析處理主站與信息子站構成， 達到對變電站縱向多層次的繼電保護監(jiān)測， 同時經(jīng)過對雷電侵入波攻擊下全網(wǎng)保護動作概率信息的整合， 實現(xiàn)對變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作的監(jiān)測[13]. 各部分主要功能為：

1) 保護裝置部分： 依據(jù)空間維度電壓等級層次， 劃分各種電壓等級為不同區(qū)域， 且各個區(qū)域之間具有互相獨立的保護誤動作監(jiān)測. 從時間維度方面考量， 為保證主站分析相同時刻的保護動作概率， 應對保護采樣信息的同步性予以有效保障， 故而需為各個保護裝置配備一個基準的同步時鐘. 選用當前在變電站應用較為廣泛的GPS同步系統(tǒng)， 通過該系統(tǒng)的GPS時鐘網(wǎng)絡， 將統(tǒng)一對時提供給變電站的全站智能裝置， 達到保護裝置上傳信息的同步性目的[14-15].

2) 子站部分： 由子站創(chuàng)建保護信息矩陣并初始化為全零矩陣， 針對距離保護， 應創(chuàng)建3個單相接地保護信息矩陣與3個相間保護信息矩陣， 分別以Xθ(θ=C,D,E)與Xθθ(θθ=CD,DE,EC)表示. 子站信息矩陣

(8)

3) 主站部分： 將運用于找尋與確準故障線路的遠后備保護系統(tǒng)架構矩陣D儲存， 矩陣

D=

以時間標志信息為依據(jù)， 主站將各個子站所傳輸?shù)耐粫r間的子站信息矩陣實施合并， 并刪掉前 3列均為零動作概率的行， 構成主站信息矩陣C， 同時依據(jù)前3列數(shù)據(jù)總和的降序排列該矩陣， 運用排序之后的主站信息矩陣對保護運行情況實施分析， 將變電站輸電系統(tǒng)雷電侵入波過電壓保護誤動作識別出來.

1.3.2 雷電侵入波過電壓保護誤動作的識別

主站對雷電侵入波過電壓保護誤動作的識別過程如圖 3 所示.

圖 3 主站雷電侵入波過電壓保護誤動作識別過程圖

在主站創(chuàng)建同其信息矩陣格式統(tǒng)一的拒動風險評估矩陣GP1和GP2及誤動風險評估矩陣GV， 并全部初始化成全零矩陣， 為區(qū)分存在拒動與誤動的保護運行情況提供便利.總體識別過程如下：

1) 故障判別： 變電站輸電系統(tǒng)雷電侵入波攻擊下故障線路兩端保護3段的動作概率總和最高.主站信息矩陣的首行保護gP1的編號為C[1,5]， 當首行保護gP1頭3列的和比0高時， 應先以遠后備保護系統(tǒng)架構矩陣D為依據(jù)， 將首行保護gP1的對端保護gP2編號確準， 再以第5列的保護編號為依據(jù)， 對gP2的信息可否存在于矩陣在C內實施搜尋， 若搜尋結果顯示gP2未存在于矩陣C內， 則此時變電站輸電系統(tǒng)無故障； 反之若gP2存在于矩陣C內， 同時Ⅲ段動作概率比0高， 此時代表變電站輸電系統(tǒng)具備沒有切除的故障. 經(jīng)過以上故障判別過程， 能夠有效區(qū)分在雷電侵入波攻擊下變電站輸電系統(tǒng)是否存在故障， 可為有效識別雷電侵入波過電壓保護誤動作奠定基礎.

2) 雷電侵入波攻擊下故障線路保護與其后備保護分析： 以變電站輸電系統(tǒng)運行情況為依據(jù)， 向矩陣GP1和GP2內存入主站信息矩陣C內雷電侵入波攻擊下故障線路兩端保護與其遠后備保護實施單獨分析， 并向矩陣GV內提取非故障線路上的Ⅰ、 Ⅱ段有可能誤動作的保護實施單獨分析， 評估雷電侵入波攻擊下矩陣GP1和GP2內故障線路保護與其遠后備保護以及矩陣GV內非故障線路過電壓誤動作保護的保護運行風險.

3) 存在雷電侵入波過電壓保護誤動作的保護識別： 在主站信息矩陣C內， 將雷電侵入波攻擊下故障線路保護與其后備保護所在行刪除， 余下Ⅲ段動作概率高于0的保護也就是存在雷電侵入波過電壓保護誤動作的保護.

在主站完成雷電侵入波過電壓保護誤動作識別整體過程之后， 將拒動風險評估矩陣GP1和GP2、 誤動風險評估矩陣GV、 主站信息矩陣C全部清零， 為下一個周期子站傳輸數(shù)據(jù)并展開雷電侵入波過電壓誤動作識別做準備.

2 實驗結果分析

以某地區(qū)500 kV變電站的系統(tǒng)架構與其有關參數(shù)為依據(jù)， 運用ATP-EMTP構建該變電站輸電系統(tǒng)仿真模型， 通過本文方法對該變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作實施識別， 檢驗本文方法的識別效果.

2.1 攻擊類型判別結果檢驗

檢驗本文方法識別過程中對實驗變電站輸電系統(tǒng)攻擊類型的判別結果， 設可靠系數(shù)l2為1.18， 在實驗變電站輸電系統(tǒng)仿真模型線路上設置雷電攻擊擾動， 利用容量為3 000 pF的電容式電壓互感器以350 kHz的采樣頻率對線路上的電壓信號實施采集， 并通過S變換后提取出模時頻矩陣內的有關數(shù)據(jù)， 運用本文方法判別攻擊擾動類型， 所得判別結果見表 1.

表 1 雷電攻擊判別結果

通過表 1 可得出， 運用本文方法所獲取到的擾動攻擊信號的關鍵諧波次數(shù)均高于60次， 且關鍵諧波的最高幅值也較高， 依據(jù)文中式(7)可判別為該變電站輸電系統(tǒng)線路遭到雷電侵入波攻擊， 所得判別結果與實際情況相符.

繼續(xù)在實驗變電站輸電系統(tǒng)仿真模型線路上設置其它類型擾動攻擊， 通過本文方法以相同的采樣頻率采集線路電壓信號并經(jīng)S變換后提取出模時頻矩陣內相關數(shù)據(jù)后， 所得判別結果詳見表 2.

表 2 其它擾動攻擊判別結果

從表 2 中結果可看出， 各種擾動攻擊的關鍵諧波次數(shù)均低于60次， 同時其關鍵諧波的最高幅值也較低， 由式(7)可判別為該變電站輸電系統(tǒng)線路遭到普通噪聲等其它干擾， 判別結果準確.

綜合以上檢驗結果可知， 本文方法可準確判別實驗變電站輸電系統(tǒng)線路上的攻擊類型是否屬于雷電攻擊， 判據(jù)合理有效且靈敏性較高.

2.2 識別結果檢驗

針對本文方法的整體識別結果實施檢驗， 檢驗中選取查全率(Recall)與查準率(Precision)兩項指標作為檢驗指標， 對本文方法的識別結果予以檢驗. 其中查全率與查準率的表達式分別為

分別采用本文方法、 分段改進S變換和隨機森林的復合識別方法(文獻[6]方法)、 EFT/B引起的變壓器中性點過電壓識別方法(文獻[7]方法)， 依次識別12個周期內實驗變電站輸電系統(tǒng)的雷電侵入波過電壓保護誤動作， 識別中隨著識別周期的增長， 對3種方法識別結果的查全率與查準率實施統(tǒng)計， 統(tǒng)計結果如圖 4 所示.

由圖 4 中各方法識別結果的查全率與查準率統(tǒng)計結果可得出， 隨著識別周期的增長， 本文方法識別結果的查全率與查準率無明顯變化， 而其它兩種方法識別結果的查準率與查全率幾乎均呈現(xiàn)降低趨勢； 另外， 本文方法識別結果的查全率與查準率均高于其它兩種方法， 其中文獻[7]方法識別結果的查全率高于文獻[6]方法， 而其查準率卻低于文獻[6]方法， 由此可見， 本文方法的識別結果， 其完整度與準確度更高， 識別結果受識別周期增長的影響較小， 具有十分穩(wěn)定的識別性能.

(a) 各方法識別結果查全率對比

3 結 論

本文針對基于ATP-EMTP仿真的變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作識別方法展開研究， 通過ATP-EMTP構建變電站輸電系統(tǒng)仿真模型， 并運用S變換針對該模型所遭受到的攻擊類型實施判別， 構建變電站輸電系統(tǒng)保護運行監(jiān)測評估架構， 識別變電站雷電侵入波過電壓保護誤動作. 實驗結果表明， 本文方法能夠判別實驗變電站輸電系統(tǒng)線路所遭受的攻擊是否屬于雷電攻擊， 且判別結果準確可靠， 整體識別結果精確完整， 幾乎不受識別周期增長的影響， 識別性能平穩(wěn)， 可用于實際變電站輸電系統(tǒng)線路雷電侵入波過電壓保護誤動作識別中， 為變電站及時發(fā)現(xiàn)保護誤動作并采取相應控制誤動作措施奠定基礎， 為電力系統(tǒng)安全運行提供有效保障.