電流變化率和電流增量保護濾波算法研究

（1.南京鐵道職業(yè)技術學院動力工程學院,210031,南京;2.鄭州鐵路職業(yè)技術學院,450052,鄭州∥第一作者,副教授）

電流變化率和電流增量保護濾波算法研究

宋奇吼1李學武2

（1.南京鐵道職業(yè)技術學院動力工程學院,210031,南京;2.鄭州鐵路職業(yè)技術學院,450052,鄭州∥第一作者,副教授）

分析了幾種常用濾波算法對DDL（電流變化率和電流增量）保護的適用性,提出了濾波算法應用的新思路：用中值濾波后的電流波形作為保護啟動判據(jù);用小波濾波后的電流波形作為保護出口判據(jù),兼顧接觸網(wǎng)短路故障時保護裝置動作的快速性和可靠性,解決當前 DDL保護存在的問題。通過建立地鐵直流供電系統(tǒng)DDL保護裝置濾波算法的數(shù)學模型,在 MATLAB環(huán)境中仿真,通過系統(tǒng)樣機模擬試驗等手段驗證了保護配置的正確性與合理性。

直流供電;繼電保護;電流變化率和電流增量;濾波算法

First-author’saddress Nanjing Institute of Railway Technology,210031,Nanjing,China

DDL（電流變化率和電流增量）保護是牽引變電所直流饋線保護中的主保護,擔負著反映接觸網(wǎng)中遠端短路故障而作用于饋線斷路器跳閘的重要任務,要求它能夠有效識別接觸網(wǎng)短路故障并能迅速、可靠動作,受系統(tǒng)擾動不應誤動。

目前DDL保護裝置仍采用國外引進的保護單元,雖然各條地鐵線路應用的產(chǎn)品不同,動作邏輯也不盡相同,但是動作原理基本一致。DDL保護裝置啟動判據(jù)是依據(jù)檢測饋線電流及其電流變化率d i/ d t,并將d i/d t與設定值進行比較,當電流上升率在給定的時間T1內(nèi)高于設定值時,則d i/d t保護啟動。

現(xiàn)場應用經(jīng)驗表明,由于動車組是靠受電弓與接觸網(wǎng)滑動接觸取流以及城市軌道交通實際運行中動車組頻繁起動等原因,電流波動極大,毛刺很多,為避免此類電流數(shù)據(jù)采集帶來的干擾對DDL保護動作可靠性的影響,采集的原始電流波形必須先進行數(shù)字濾波處理,抑制干擾,消除隨機誤差,平滑處理。均值濾波、中值濾波、小波濾波幾種濾波算法值得采納。

1 濾波算法選擇的仿真分析

本文 選 用 了最廣泛使 用 的 MATLAB7.8.0（R2009a）軟件進行仿真。仿真的原始數(shù)據(jù)是從某地鐵運營線路采集到的饋線原始電流波形。仿真的數(shù)據(jù)以文本形式存儲在計算機中,供 MATLAB仿真程序調用。在 MATLAB進行仿真時,已關閉所有不必要的程序及系統(tǒng)進程,以使計算時間的統(tǒng)計有實際意義。

在對電流值i（n）經(jīng)過濾波后,用plot進行繪圖。然后進行濾波效果的判斷和分析。如果濾波效果好,再計算d i/d t（n）,并用plot進行繪圖。在仿真中,用tic,toc對計算主體程序的運行時間進行記錄并比較各個濾波算法的計算速度。

原始電流波形仿真繪圖如圖1所示。

1.1 均值濾波仿真結果及分析

本文進行均值濾波4點、8點、15點的仿真。并統(tǒng)計了計算時間。濾波電流波形如圖2所示,濾波計算時間見表1。

圖1 原始采集電流波形圖

圖2 均值濾波電流波形圖

表1 均值濾波計算時間統(tǒng)計 s

如圖3所示,將原始波形和15點均值濾波電流波形繪制在一起,可以看出沒有任何“滯后”或者“超前”的情況。對15點均值濾波的電流序列求一階導數(shù),并繪圖,如圖4所示。由圖4可知,當該數(shù)據(jù)讀入DDL保護時,可以很精準地捕捉到饋線故障發(fā)生時間,給出正確的跳閘信號。

圖3 原始電流與15點均值濾波（改進算法）電流波形圖

圖4 15點均值濾波后電流的一階導數(shù)波形圖

1.2 中值濾波仿真結果及分析

本文進行中值濾波3點、7點、15點的仿真,并統(tǒng)計了計算時間。濾波電流波形如圖5所示,濾波計算時間見表2。

圖5 中值濾波電流波形圖

表2 中值濾波計算時間統(tǒng)計 s

如圖6所示,將原始波形和15點中值濾波電流波形繪制在一起,可以看出沒有任何“滯后”或者“超前”的情況。對15點中值濾波的電流序列求一階導數(shù),并繪圖,如圖7所示。由圖可知,當該數(shù)據(jù)讀入DDL保護時,可以很精準地捕捉到饋線故障發(fā)生時間,給出正確的跳閘信號。

圖6 原始電流與15點中值濾波電流波形圖

圖7 15點中值濾波后采集電流的一階導數(shù)波形圖

從圖4和圖7的比較可以看出,同樣濾波窗口寬度的情況下,中值濾波的效果沒有均值濾波好。這是因為中值濾波時,干擾信號分量并沒有從信號中完全真正濾除。濾波窗口滑動時,排序選出的中值信號所包含的干擾信號沒有任何變化。但從整個序列看,波形的平滑效果還是比較明顯的。這對DDL保護裝置判斷故障電流的幫助不大。從計算時間的統(tǒng)計可以看出,同樣濾波窗口寬度的情況下,中值濾波的速度要比均值濾波快的多,基本是快了一個數(shù)量級。如果DDL保護裝置實時性很難達到要求時,在舍棄一定濾波效果的情況下,采用中值濾波這樣的快速算法,能夠很好解決系統(tǒng)的主要矛盾。

1.3 小波濾波仿真結果及分析

本文采用默認閾值去噪處理。該方法利用小波分析工具箱中函數(shù)ddencmp（）生成信號的默認閾值,然后利用函數(shù)wdencmp（）進行去噪處理。根據(jù)電流值的特點,小波變換消噪后的電流波形如圖8所示,計算時間為0.412 669 s。

圖8 小波變換默認閾值消噪后的電流波形圖

將原始波形和小波濾波后的電流波形繪制在一起,可以看出沒有任何“滯后”或者“超前”的情況,如圖9。小波變換默認閾值消噪后的電流波形已經(jīng)較為平滑。對其濾波后的電路值進行d i/d t計算,再繪圖,如圖10。

圖9 原始電流與小波變換默認閾值消噪后的電流波形圖

圖10 小波濾波后電流的一階導數(shù)波形圖

1.4 對比分析

對均值濾波、中值濾波、小波濾波的仿真結果分析對比,結果見表3。

表3 均值濾波、中值濾波、小波濾波的仿真結果分析

（1）濾波效果最好的是小波濾波。小波濾波后的電流波形平滑度最好,與原信號相比也沒有延遲和滯后的情況。d i/d t的波形對于準確判斷是否饋線短路故障的情況是很有利的。

（2）濾波速度最快的是中值濾波,其次是均值濾波,最后是小波濾波。在后續(xù)算法硬件化的工作中,要充分考慮到算法的速度對于DDL保護裝置工作速度的影響。

（3）采用實時性最好中值濾波后的電流波形提供給DDL保護裝置作為啟動判據(jù),保證保護裝置動作的快速性;采用濾波效果最好的小波濾波提供給DDL保護裝置作為最終出口動作判據(jù)作用于保護裝置的跳閘,可以滿足保護裝置動作的可靠性。

2 試驗結果及分析

本文在以基于中值濾波作為啟動判據(jù),小波濾波作為出口跳閘判據(jù)的直流牽引保護測控裝置的系統(tǒng)樣機上進行了試驗,包括在動車組進級、短路以及接觸不良導致的拉弧等各種工況下進行驗證。

2.1 短路工況試驗

試驗線路如圖11所示,試驗動作情況如下。

圖11 短路工況試驗接線圖

（1）電流速斷保護。故障開始后9 ms啟動,12 ms保護出口;

（2）d i/d t 保護。Ⅰ段：故障開 始 后 4 ms啟動,27 ms后增量達到定值,然后5 ms出口跳閘動作;Ⅱ段、Ⅲ段類似,動作正確。

（3）電流增量保護。Ⅰ段：30 ms內(nèi)增量沒有達到5 k A,保護不啟動,不出口;Ⅱ段：80 ms內(nèi)增量達到了4.5 k A,故障后61 ms保護啟動,然后經(jīng)60 ms延時出口;Ⅲ段：100 ms內(nèi)增量達到了4 k A,故障后52 ms保護啟動,然后經(jīng)150 ms延時出口。

2.2 動車組進級工況試驗

地鐵絕大部分動車的啟動采用調阻方式,且電流變化最大值ΔI多發(fā)生在列車進級從牽引Ⅱ位轉Ⅲ位時,其最大值約為每88 ms增加1 250 A。為模擬上述進級工況,搭建試驗回路如圖12所示,試驗結果表明,僅有d i/d t 保護啟動但沒有動作,保護行為正確。

圖12 動車組進級工況實驗接線圖

2.3 受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良工況下試驗

在某些情況下（例如過斷電區(qū)）,機車受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良,經(jīng)常引起保護誤動。本試驗就是模擬這種情況來檢驗裝置的可靠性。試驗接線用0.5 m 長銅板模擬接觸網(wǎng),用滑動接觸頭（箭頭處）模擬受電弓?；芈分泄潭ù?Ω電阻和平波電感,試驗接線如圖13所示,試驗結果表明,僅有d i/ d t保護啟動但沒有動作,保護行為正確。

3 結語

圖13 受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良工況下試驗接線圖

本文建立了地鐵直流供電系統(tǒng)DDL保護裝置濾波算法的數(shù)學模型,并在 MATLAB環(huán)境中進行了仿真計算。提出了兼顧DDL保護的快速性和可靠性的濾波方案：采用實時性好的中值濾波后的電流波形提供給 DDL保護裝置作為啟動判據(jù),保證保護裝置動作的快速性;采用濾波效果最好的小波濾波后的電流波形提供給DDL保護裝置作為最終出口動作判據(jù),滿足保護裝置動作的可靠性。

通過搭建物理模型對基于以上濾波方案的數(shù)字式直流牽引保護測控裝置的系統(tǒng)樣機上進行了模擬試驗,在短路、機車進級工況、接觸軌接觸不良導致的拉弧等情況下,動作情況符合設計要求。

［1］ 宋奇吼,李學武.城市軌道交通供電［M］.北京：中國鐵道出版社,2011.

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2014年鐵路將投資建設新線超6 600 km

據(jù)新華社消息2014年1月9日,中國鐵路總公司黨組書記、總經(jīng)理盛光祖表示,2014年,國家鐵路計劃安排固定資產(chǎn)投資6 300億元,建設鐵路新線6 600 km以上,并以中西部鐵路建設為重點。

當日,中國鐵路總公司工作會議在北京召開。這是中國鐵路總公司成立后召開的第一次年度工作會議。

2013年,鐵路建設進一步加快,完成固定資產(chǎn)投資6 638億元,建設鐵路新線5 586 km。截至2013年年底,中國鐵路營業(yè)里程突破10萬km,其中高鐵運營里程突破1萬km。

盛光祖表示,2014年,鐵路將加快向社會資本放開城際鐵路、市域鐵路、資源開發(fā)性鐵路和支線鐵路的所有權和經(jīng)營權,支持地方政府、社會企業(yè)以股權投資、資產(chǎn)重組、特許經(jīng)營等方式,投資鐵路建設或參與鐵路經(jīng)營開發(fā)。

2014年,國家鐵路預期發(fā)送旅客22.7億人次,同比增長10%;貨物發(fā)送量爭取達到32.8億t,增長2%。

On DDL Protect Filter Algorithm

Song Qihou,Li Xuewu

Some common filtering algorithms are analyzed, which are proposed for the applicability of DDL protection,and a new idea of filter algorithm application is put forward.It takes the current waveform passing through a median filter as the criterion of protection starting,and the current waveform that passes through a wavelet filter as the criterion of protection exit.At the same time,when a short -circuit fault of the overhead contact line equipment occurres,both the rapidity and the reliability of the protection device action should be considered,thus the existing problems in current DDL protection could be solved.In this paper,a mathematic model of filter algorithm for DDL protection device in DC traction power supply system of metro is established and simulated by using MATLAB, and a system prototype modeling experiment is also adopted,which verifies the correctness and rationality of the protection configuration.

direct current power supply;relay protection; di/dt and DI location（DDL）;filter algorithm

TM 588;U 231.8

2012-05-28）