交流滤波器保护装置误动分析及其改进.pdf

2012 年 第 6 卷 第 3 期 南 方 电 网 技 术 研究与分析 2012，Vol. 6，No. 3 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY Study frequency aliasing; sampling frequency; fourier transform; RTDS 2010 年 8 月 6 日，云广工程在进行升功率试验 （U-mode）的过程中，穗东换流站 563、573、583、 593 交流滤波器的电阻基波过流保护先后动作，且 每组滤波器保护均只有一套保护动作。以上四组交 流滤波器均为 A 型 DT11/24 滤波器， 最终保护动作 跳开相应小组开关，由于所有 A 型滤波器均跳开， 导致直流停运。 本文首先分析了保护装置及故障录波器的录波 波形，揭示采样过程中的频率混叠是导致保护误动 作的根本原因，并分析了两套保护动作行为不一致 现象的原因，提出了两项改进措施，并对改进后的 措施在 RTDS 试验系统上进行了测试验证。 1 交流滤波器保护动作分析 1.1 电阻基波过流保护的原理 云广直流穗东换流站交流滤波器保护功能通过 微机保护装置 SDR-101A 实现。各种类型的交流滤 波器小组配置相同，每一小组由两套保护系统构成 冗余配置1，两套系统在物理和电气上完全独立。 为了保护交流滤波器组中的电阻元件，防止交 流滤波器过电流损坏，交流滤波器保护中配置有电 阻基波过流保护。当电阻上流过较大电流且持续达 整定延时后，该保护动作出口，跳开交流滤波器小 组开关。 电阻基波过流保护的判据为“I Iset” ，其中 I 为经全周傅里叶变换算法2 -4计算得到的电阻侧基 波电流，Iset为动作电流定值。云广直流穗东换流站 电阻基波过流保护 3 段动作电流整定值为 0.24 A， 延时整定值为 50 ms。 1.2 故障录波波形分析 图 1 为 563 交流滤波器保护装置动作后调取的 装置故障录波波形。从图 1 可以看出，电阻 U 相和 W 相基波电流在 0.23 A 左右，而 V 相电流达到 0.244 A，超过保护定值，且持续时间超过 50 ms， 第 3 期 柳明，等：交流滤波器保护装置误动分析及其改进 91 所以保护动作。经分析，573、583、593 交流滤波 器保护装置的电阻电流故障波形与此波形类似，均 为一相或两相电流刚超过保护整定值。 图 2 为从 563 交流滤波器故障录波器调取的录 波波形。从图 2 可以看出，电阻三相电流基波均在 在 0.049 A 左右，远未超过保护定值。573、583、 593 交流滤波器的故障录波器的电阻电流波形与此 相似，也均未超过保护定值。 图 1 563 交流滤波器保护装置电阻电流故障录波 Fig.1 Resistor Current Fault Recording of 563 ACF Protection Device 图 2 563 交流滤波器故障录波器电阻电流故障录波 Fig. 2 Resistor Current Fault Recording of 563 ACF Fault Recorder 1.3 保护装置误动作的原因 从硬件本身来说，保护装置与故障录波器的采 样特性有以下不同： 故障录波器的采样频率为 200 点/周期， 而 保护装置的采样频率为 24 点/周期； 故障录波器的低通滤波回路的截止频率在 50 倍频以上，而保护装置低通滤波回路的截止频率 为 25 倍频。 由于故障录波器的采样频率高，且其滤除高次 谐波的程度低，所以其录波波形更能反应真实的电 流。从图 1 和图 2 波形对比中可以看出，保护装置 对电阻基波的采样计算出现了很大的偏差。 穗东换流站型交流滤波器为 DT11/24 型，该 类型交流滤波器在 11 次和 24 次谐波频率下的阻抗 最小， 因此直流系统中交流侧产生的特征次谐波 （11 次、23 次和 25 次谐波）将通过 A 型交流滤波器流 入大地5 -6。如图 2 中显示，563 交流滤波器的电阻 三相电流中基波为 0.049 A， 而 23 次和 25 次谐波电 流则分别达到了 0.14 A 和 0.11 A 左右， 可见 A 型交 流滤波器流过了很大的 23 次和 25 次谐波电流。 系统中的 23 次和 25 次谐波在装置的 24 点/周 期采样下会与基波出现混叠现象7，如图 3 所示， 有效值为 1 A 的 23 次谐波在 24 点/周期的采样频率 （采样间隔为 20 ms/24 = 0.833 ms）下，得到的 24 个采样点如图中圆点所示，将各个点用直线连接起 来之后得到的形状与基波形状完全一样。同样，有 效值为 1A 的 25 次谐波在 24 点/周期的采样频率下 得到的采样结果也出现了与基波形状一样的状况。 进一步分析可以确认7，24k1(k=1、2、3) 次谐波在 24 点/周期的采样频率下均会与基波出现 混叠现象，导致基波计算出现误差。 综上所述，本次保护误动的根本原因在于采样 过程中出现了频率混叠现象，导致基波计算出现误 差。 图 3 23 次和 25 次谐波在 24 点/周期下的采样结果 Fig. 3 23th and 25th Harmonics Sampling with 24-Points per Cycle 至于频率混叠影响会有多大，可以通过如下的 讨论来认识。如图 4（上）所示，有效值均为 1 A、 初相位相同的基波和23 次谐波的叠加波形在24点/ 周期的采样频率下，采出了一组全 0 的数据。该组 数据用全周傅里叶变换算法计算基波有效值得到的 结果为 0，与该波形中基波电流实际有效值为 1 A 的结果相差甚远。 频率混叠的结果不仅与混叠波形中基波和 23 92 南方电网技术 第 6 卷 次谐波的幅值大小有关， 还与基波和 23 次谐波的相 对相位有关系。图 4（下）显示了有效值均为 1 A、 初相位相反的基波和23 次谐波的叠加波形在24 点/ 周期的采样频率下的采样结果，该组数据经全周傅 里叶变换计算得到的基波有效值为 2 A，与同相位 下的结果有很大差别。 图 4 叠加波形在 24 点/周期下的采样结果 Fig. 4 Combined Waveform Sampling with 24-Points per Cycle 1.4 两套保护系统动作不一致的原因 在本次事件中，每个交流滤波器的双套冗余保 护系统均只有一套保护动作， 而另一套保护不动作。 对于不同的保护装置来说，尽管其采样频率均 为 24 点/周期，但由于其 AD 采样是独立的，不同 的保护装置不可能在完全相同的时间点进行采样， 所以两个保护装置得到的采样点会有相对时差。 图 5（上）显示了有效值为 1 A 的 23 次谐波在 两个采样频率同为 24 点/周期、但采样相对时差为 0.1 ms 的保护装置内的采样结果，得到两个有效值 均为 1 A、但相位有较大差别的基波波形。 由于频率混叠的结果对相位敏感，基波和 23 次谐波相叠加的波形在两个保护装置内进行采样时 得到的结果差别较大，如图 5（下）所示，一个得 到的基波有效值为 0 A，而另一个得到的基波有效 值约为 0.7 A。因此，不同保护装置采样的相对时差 使得采样结果中频率混叠程度有差异，从而造成了 双套保护动作行为的不一致。 2 改进措施及试验验证 2.1 对保护装置的改进措施 引起本次保护装置误动作的频率混叠现象，其 产生的原因一方面在于直流系统中的 23 次和 25 次 电流谐波成分较大，另一方面在于装置的采样频率 恰好是 24 点/周期。因此，可以通过以下两方面措 施对保护装置进行改进： 1） 增大保护装置的采样频率，如将采样频率 由 24 点/周期修改为 48 点/周期，这样 23 次和 25 次谐波将不会再对基波计算造成影响； 2） 降低装置低通滤波回路的截止频率8， 如通 过修改滤波回路的电阻电容参数将装置的截止频率 由 25 倍频降低到 3.5 倍频，这样可以将 23 次和 25 次谐波在采样之前尽可能地滤除干净，也能减少对 基波计算造成的干扰。 图 5 同样波形在不同保护装置下的采样结果 Fig. 5 The Samplings of Same Waveform in Different Protections 2.2 试验验证 为了验证以上两方面改进措施的效果，本文将 563 交流滤波器故障录波器的波形在装置上进行了 回放，分别在原装置、采样频率修改为 48 点/周期、 低通滤波回路截止频率修改为 3.5 倍频、同时修改 采样频率及低通滤波回路截止频率这 4 种情况下进 行了对比验证试验，试验结果见表 1。 表 1 波形回放情况 Tab.1 The Result of Waveform Playback 48 点/周期 截止频率 24 点/周期 基波 基波 23 次谐波 截止频率 25 倍频 0.24 A 0.05 A 0.07 A 截止频率 3.5 倍频 0.06 A 0.05 A 0.01 A 与原始波形中基波含量为 0.05 A，23 次谐波含 量为 0.14 A 比较，从表 1 中可以看出： 第 3 期 柳明，等：交流滤波器保护装置误动分析及其改进 93 1） 在仅改变截止频率而不改变采样频率的情 况下，装置计算得到的基波为 0.06 A，表明频率混 叠现象依然存在，只是由于降低了低通滤波回路的 截止频率，23 次谐波和 25 次谐波被滤除的程度加 重，从而使频率混叠的程度减弱； 2） 在将采样频率修改为 48 点/周期之后， 装置 计算得到的基波结果准确，说明已经消除了频率混 叠现象； 3） 在改变滤波回路的截止频率后， 48 点/周期 采样计算出的 23 次谐波由 0.07 A 减小为 0.01 A， 表明低通滤波回路有效地滤除了高次谐波。 以上验证结果表明，上述两项改进措施能够有 效地改善频率混叠现象。 3 RTDS 仿真试验 为了验证经过上述两项措施改进后的新装置能 有效避免功率调整时的保护误动，在南网科研院仿 真实验室对新装置进行了多项 RTDS 仿真试验。 3.1 RTDS 数据回放仿真结果 将本次事件中的故障数据波形通过 RTDS 进行 回放，试验结果如表 2 所示。 3.2 RTDS 数字仿真结果 利用 RTDS 实时仿真系统模拟升直流功率试 验。试验过程显示，在直流功率上升的过程中，A 型交流滤波器上流过的特征次谐波（如 23 和 25 次 谐波）会逐渐增大，但电阻上流过的基波电流基本 保持在 0.05 A 左右，变化不大。此时原装置由于频 率混叠问题会重现误动现象， 而新装置则可靠不动， 且新装置电阻基波电流准确显示为 0.05 A。 此外，还模拟了直流功率下降、区外故障、换 流变空充以及交流滤波器投切等一系列工况，改进 后的新装置均可靠不动作。 表 2 RTDS 数据回放结果 Tab. 2 The Result of Data Playback on RTDS 回放数据 原装置保护行为 新装置保护行为 563 交流滤波器数据 误动作 不动作 573 交流滤波器数据 误动作 不动作 583 交流滤波器数据 误动作 不动作 593 交流滤波器数据 误动作 不动作 4 结语 本文在对比分析保护装置和故障录波器的录波 波形的基础上，指出引起本次保护装置误动作的频 率混叠现象，其产生的原因一方面在于直流系统中 的 23 次和 25 次电流谐波成分较大，另一方面在于 装置的采样频率恰好是 24 点/周期。对此提出了两 项改进措施并验证其效果，然后利用 RTDS 数字仿 真系统进行了数据回放及各种工况验证。 试验结果和现场的实际运行情况表明，保护装 置经改进后能够有效地消除频率混叠现象，并能可 靠地避免功率调整等冲击过程导致的保护误动。 参考文献： 1 SDR-100A 系列微机型交流滤波器成套保护装置技术说明书Z. 许昌：许继日立电气有限公司，2008. 2 高婧，郑建勇，潘震东.电力系统微机保