基于ATP-EMTP仿真的變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別

宋立立， 孫 妍

(北京市建筑設(shè)計(jì)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(nèi)的關(guān)鍵構(gòu)成部分， 變電站中多為價(jià)格高昂的設(shè)備， 若發(fā)生事故勢(shì)必導(dǎo)致變電站設(shè)備的損耗與停電等重大問題. 通過統(tǒng)計(jì)我國變電站運(yùn)行情況得知， 因雷擊導(dǎo)致的跳閘所占比例約為35%左右， 而多雷區(qū)因雷擊導(dǎo)致的故障占比甚至可達(dá)80%以上， 故雷擊問題成為了當(dāng)前變電站安全運(yùn)行急需解決的關(guān)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(yuǎn)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(nèi)設(shè)備雷電過電壓的關(guān)鍵因素[2-3]. 通常變電站通過在恰當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)避雷器的方式， 對(duì)雷電過電壓予以保護(hù)控制， 避免雷電侵入波造成的變電站設(shè)備過電壓事故. 但在保護(hù)過程中， 會(huì)因無法合理區(qū)分雷電攻擊等高頻擾動(dòng)攻擊， 造成保護(hù)誤動(dòng)作， 導(dǎo)致過電壓保護(hù)可靠性的降低， 若不能及時(shí)將此類保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別出來， 會(huì)造成變電站事故， 無法保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[4]. 為此， 針對(duì)變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別， 成為當(dāng)下眾多學(xué)者的關(guān)鍵研究課題[5].

分段改進(jìn)S變換和隨機(jī)森林的復(fù)合識(shí)別方法是通過干擾信號(hào)特征， 分段S變換頻域， 并在各段指定不同的窗寬調(diào)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(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確， 但識(shí)別結(jié)果存在遺漏， 不夠理想[6]； EFT/B引起的變壓器中性點(diǎn)過電壓識(shí)別方法是在分析斷路器場路關(guān)系的基礎(chǔ)上， 將不同類型過電壓的原因予以明確， 達(dá)到識(shí)別的目的， 此方法簡單便捷， 但其識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確度稍低[7]. EMTP(Electro Magnetic Transients Program)屬于當(dāng)前全球應(yīng)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(yùn)用的版本之一. ATP-EMTP程序可兼容運(yùn)行于眾多類別的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)， 屬于一種通用型電磁暫態(tài)仿真軟件， 可應(yīng)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(diǎn)是模擬真實(shí)性強(qiáng)、 規(guī)模大且功能強(qiáng)大等， 被廣泛運(yùn)用于我國制造、 設(shè)計(jì)、 科研及高等院校等領(lǐng)域內(nèi)[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(hù)誤動(dòng)作識(shí)別方法， 通過ATP-EMTP構(gòu)建變電站輸電系統(tǒng)仿真模型， 實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的有效識(shí)別， 為提升保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別精度提供幫助， 有效保障電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行.

1 變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)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(yùn)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(hào)導(dǎo)線； 桿塔所運(yùn)用的模型為多波阻抗模型， 并運(yùn)用沖擊電阻作為接地電阻； 設(shè)兩回JLB4-150避雷線于全線架上； 運(yùn)用48 kHz～500 kHz阻塞頻帶的XZK-400型號(hào)阻波器； 運(yùn)用Y10W2-200/520型號(hào)避雷器， 采用IEEE金屬氧化物避雷器模型. 仿真模型中，A,B側(cè)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(yùn)用Heiler模型， 可表示為

(1)

式中：τ1與τ2表示前沿時(shí)間常數(shù)與延遲時(shí)間常數(shù)；I0表示通道頭部電流幅值；m表示常數(shù)， 其值域?yàn)閇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(duì)變電站輸電系統(tǒng)展開雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別之前， 需先對(duì)變電站輸電系統(tǒng)所遭到的攻擊類型實(shí)施有效判別.S變換屬于一種基于短時(shí)傅里葉變換與小波變換的可逆時(shí)頻分析方式[10]， 信號(hào)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(shí)間軸的位置； 信號(hào)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(yīng)用的高斯窗能夠平移， 故信號(hào)S變換的時(shí)頻譜分辨率同頻率息息相關(guān)， 時(shí)間與頻率分辨性能均較強(qiáng)[11].信號(hào)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(guān)聯(lián)為

(4)

由此即可通過快速傅里葉變換完成對(duì)S變換的快速運(yùn)算. 假設(shè)以T作為采樣間隔， 采樣連續(xù)時(shí)間信號(hào)h(t)所獲取到的離散時(shí)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(shí)間序列h(kT)通過S變換之后可獲取到一個(gè)復(fù)時(shí)頻矩陣， 求模之后獲得模時(shí)頻矩陣. 此模時(shí)頻矩陣的行向量與列向量分別為某一頻率成分幅值隨時(shí)間的更替和某一時(shí)刻相對(duì)的不同頻率成分幅值. 故能夠通過S變換， 得到信號(hào)的模時(shí)頻矩陣， 以此， 時(shí)域與頻域?qū)_動(dòng)信號(hào)波形特征提取到， 同時(shí)， 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(shí)頻矩陣內(nèi)行向量與列向量提取出來， 以此求得擾動(dòng)信號(hào)的關(guān)鍵諧波次數(shù)與其相對(duì)的最高幅值. 以電壓信號(hào)的關(guān)鍵諧波次數(shù)與其相對(duì)的幅值高低為依據(jù)， 對(duì)變電站輸電系統(tǒng)是否遭到雷電侵入波攻擊實(shí)施判別， 判別依據(jù)為

(7)

式中:n和Un分別為信號(hào)的關(guān)鍵諧波次數(shù)與其相對(duì)幅值的標(biāo)幺值；l2為可靠系數(shù)；Ue為母線額定電壓標(biāo)幺值. 由于雷電侵入波攻擊所形成的信號(hào)幅值較高， 而普通噪聲等擾動(dòng)所形成的信號(hào)幅值較低， 故， 為有效劃分雷電侵入波攻擊信號(hào)與普通噪聲信號(hào)， 可通過設(shè)定可靠系數(shù)的方式實(shí)現(xiàn). 當(dāng)式(7)成立時(shí)， 判別變電站輸電系統(tǒng)遭到雷電侵入波攻擊； 反之當(dāng)式(7)不成立時(shí)， 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(hù)誤動(dòng)作識(shí)別

經(jīng)過對(duì)變電站輸電系統(tǒng)攻擊類型的判別， 識(shí)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(hù)誤動(dòng)作識(shí)別. 識(shí)別中， 通過構(gòu)建變電站輸電系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估架構(gòu)， 制定變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)的識(shí)別流程， 實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的識(shí)別.

1.3.1 保護(hù)監(jiān)測(cè)評(píng)估架構(gòu)的構(gòu)建

依據(jù)以往變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的分層分布式架構(gòu)， 創(chuàng)建變電站輸電系統(tǒng)層次化保護(hù)監(jiān)測(cè)評(píng)估架構(gòu)， 如圖 2 所示.

圖 2 變電站輸電系統(tǒng)保護(hù)監(jiān)測(cè)評(píng)估架構(gòu)圖

變電站輸電系統(tǒng)保護(hù)監(jiān)測(cè)評(píng)估架構(gòu)在空間維度結(jié)構(gòu)上由變電站間隔層分布式保護(hù)裝置、 分別處于調(diào)度端與變電站相同電壓等級(jí)側(cè)的分析處理主站與信息子站構(gòu)成， 達(dá)到對(duì)變電站縱向多層次的繼電保護(hù)監(jiān)測(cè)， 同時(shí)經(jīng)過對(duì)雷電侵入波攻擊下全網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作概率信息的整合， 實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的監(jiān)測(cè)[13]. 各部分主要功能為：

1) 保護(hù)裝置部分： 依據(jù)空間維度電壓等級(jí)層次， 劃分各種電壓等級(jí)為不同區(qū)域， 且各個(gè)區(qū)域之間具有互相獨(dú)立的保護(hù)誤動(dòng)作監(jiān)測(cè). 從時(shí)間維度方面考量， 為保證主站分析相同時(shí)刻的保護(hù)動(dòng)作概率， 應(yīng)對(duì)保護(hù)采樣信息的同步性予以有效保障， 故而需為各個(gè)保護(hù)裝置配備一個(gè)基準(zhǔn)的同步時(shí)鐘. 選用當(dāng)前在變電站應(yīng)用較為廣泛的GPS同步系統(tǒng)， 通過該系統(tǒng)的GPS時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)， 將統(tǒng)一對(duì)時(shí)提供給變電站的全站智能裝置， 達(dá)到保護(hù)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(hù)信息矩陣并初始化為全零矩陣， 針對(duì)距離保護(hù)， 應(yīng)創(chuàng)建3個(gè)單相接地保護(hù)信息矩陣與3個(gè)相間保護(hù)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(yùn)用于找尋與確準(zhǔn)故障線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)矩陣D儲(chǔ)存， 矩陣

D=

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

1.3.2 雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的識(shí)別

主站對(duì)雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的識(shí)別過程如圖 3 所示.

圖 3 主站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別過程圖

在主站創(chuàng)建同其信息矩陣格式統(tǒng)一的拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣GP1和GP2及誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣GV， 并全部初始化成全零矩陣， 為區(qū)分存在拒動(dòng)與誤動(dòng)的保護(hù)運(yùn)行情況提供便利.總體識(shí)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(hù)3段的動(dòng)作概率總和最高.主站信息矩陣的首行保護(hù)gP1的編號(hào)為C[1,5]， 當(dāng)首行保護(hù)gP1頭3列的和比0高時(shí)， 應(yīng)先以遠(yuǎn)后備保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)矩陣D為依據(jù)， 將首行保護(hù)gP1的對(duì)端保護(hù)gP2編號(hào)確準(zhǔn)， 再以第5列的保護(hù)編號(hào)為依據(jù)， 對(duì)gP2的信息可否存在于矩陣在C內(nèi)實(shí)施搜尋， 若搜尋結(jié)果顯示gP2未存在于矩陣C內(nèi)， 則此時(shí)變電站輸電系統(tǒng)無故障； 反之若gP2存在于矩陣C內(nèi)， 同時(shí)Ⅲ段動(dòng)作概率比0高， 此時(shí)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(shí)別雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作奠定基礎(chǔ).

2) 雷電侵入波攻擊下故障線路保護(hù)與其后備保護(hù)分析： 以變電站輸電系統(tǒng)運(yùn)行情況為依據(jù)， 向矩陣GP1和GP2內(nèi)存入主站信息矩陣C內(nèi)雷電侵入波攻擊下故障線路兩端保護(hù)與其遠(yuǎn)后備保護(hù)實(shí)施單獨(dú)分析， 并向矩陣GV內(nèi)提取非故障線路上的Ⅰ、 Ⅱ段有可能誤動(dòng)作的保護(hù)實(shí)施單獨(dú)分析， 評(píng)估雷電侵入波攻擊下矩陣GP1和GP2內(nèi)故障線路保護(hù)與其遠(yuǎn)后備保護(hù)以及矩陣GV內(nèi)非故障線路過電壓誤動(dòng)作保護(hù)的保護(hù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn).

3) 存在雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的保護(hù)識(shí)別： 在主站信息矩陣C內(nèi)， 將雷電侵入波攻擊下故障線路保護(hù)與其后備保護(hù)所在行刪除， 余下Ⅲ段動(dòng)作概率高于0的保護(hù)也就是存在雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作的保護(hù).

在主站完成雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別整體過程之后， 將拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣GP1和GP2、 誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣GV、 主站信息矩陣C全部清零， 為下一個(gè)周期子站傳輸數(shù)據(jù)并展開雷電侵入波過電壓誤動(dòng)作識(shí)別做準(zhǔn)備.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以某地區(qū)500 kV變電站的系統(tǒng)架構(gòu)與其有關(guān)參數(shù)為依據(jù)， 運(yùn)用ATP-EMTP構(gòu)建該變電站輸電系統(tǒng)仿真模型， 通過本文方法對(duì)該變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作實(shí)施識(shí)別， 檢驗(yàn)本文方法的識(shí)別效果.

2.1 攻擊類型判別結(jié)果檢驗(yàn)

檢驗(yàn)本文方法識(shí)別過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)變電站輸電系統(tǒng)攻擊類型的判別結(jié)果， 設(shè)可靠系數(shù)l2為1.18， 在實(shí)驗(yàn)變電站輸電系統(tǒng)仿真模型線路上設(shè)置雷電攻擊擾動(dòng)， 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(duì)線路上的電壓信號(hào)實(shí)施采集， 并通過S變換后提取出模時(shí)頻矩陣內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)， 運(yùn)用本文方法判別攻擊擾動(dòng)類型， 所得判別結(jié)果見表 1.

表 1 雷電攻擊判別結(jié)果

通過表 1 可得出， 運(yùn)用本文方法所獲取到的擾動(dòng)攻擊信號(hào)的關(guān)鍵諧波次數(shù)均高于60次， 且關(guān)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(jié)果與實(shí)際情況相符.

繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)變電站輸電系統(tǒng)仿真模型線路上設(shè)置其它類型擾動(dòng)攻擊， 通過本文方法以相同的采樣頻率采集線路電壓信號(hào)并經(jīng)S變換后提取出模時(shí)頻矩陣內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)后， 所得判別結(jié)果詳見表 2.

表 2 其它擾動(dòng)攻擊判別結(jié)果

從表 2 中結(jié)果可看出， 各種擾動(dòng)攻擊的關(guān)鍵諧波次數(shù)均低于60次， 同時(shí)其關(guān)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(jié)果準(zhǔn)確.

綜合以上檢驗(yàn)結(jié)果可知， 本文方法可準(zhǔn)確判別實(shí)驗(yàn)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(shí)別結(jié)果檢驗(yàn)

針對(duì)本文方法的整體識(shí)別結(jié)果實(shí)施檢驗(yàn)， 檢驗(yàn)中選取查全率(Recall)與查準(zhǔn)率(Precision)兩項(xiàng)指標(biāo)作為檢驗(yàn)指標(biāo)， 對(duì)本文方法的識(shí)別結(jié)果予以檢驗(yàn). 其中查全率與查準(zhǔn)率的表達(dá)式分別為

分別采用本文方法、 分段改進(jìn)S變換和隨機(jī)森林的復(fù)合識(shí)別方法(文獻(xiàn)[6]方法)、 EFT/B引起的變壓器中性點(diǎn)過電壓識(shí)別方法(文獻(xiàn)[7]方法)， 依次識(shí)別12個(gè)周期內(nèi)實(shí)驗(yàn)變電站輸電系統(tǒng)的雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作， 識(shí)別中隨著識(shí)別周期的增長， 對(duì)3種方法識(shí)別結(jié)果的查全率與查準(zhǔn)率實(shí)施統(tǒng)計(jì)， 統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 4 所示.

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

(a) 各方法識(shí)別結(jié)果查全率對(duì)比

3 結(jié) 論

本文針對(duì)基于ATP-EMTP仿真的變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別方法展開研究， 通過ATP-EMTP構(gòu)建變電站輸電系統(tǒng)仿真模型， 并運(yùn)用S變換針對(duì)該模型所遭受到的攻擊類型實(shí)施判別， 構(gòu)建變電站輸電系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估架構(gòu)， 識(shí)別變電站雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 本文方法能夠判別實(shí)驗(yàn)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(jié)果準(zhǔn)確可靠， 整體識(shí)別結(jié)果精確完整， 幾乎不受識(shí)別周期增長的影響， 識(shí)別性能平穩(wěn)， 可用于實(shí)際變電站輸電系統(tǒng)線路雷電侵入波過電壓保護(hù)誤動(dòng)作識(shí)別中， 為變電站及時(shí)發(fā)現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)作并采取相應(yīng)控制誤動(dòng)作措施奠定基礎(chǔ)， 為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供有效保障.