基于RTDS的配電網(wǎng)單相接地選線(xiàn)方法驗(yàn)證

張建偉 張 然 龔棟梁 楊 芳

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基于RTDS的配電網(wǎng)單相接地選線(xiàn)方法驗(yàn)證

張建偉 張 然 龔棟梁 楊 芳

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

針對(duì)配電網(wǎng)單相接地選線(xiàn)方法缺乏系統(tǒng)驗(yàn)證的現(xiàn)況，本文闡述了基于RTDS實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的試驗(yàn)研究方法。在RTDS中依據(jù)配電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)建立仿真模型，模擬典型的單相接地故障并將仿真系統(tǒng)的模擬信號(hào)輸出，通過(guò)自動(dòng)化裝置構(gòu)成系統(tǒng)性的閉環(huán)試驗(yàn)環(huán)境。改進(jìn)了群體比幅比相法的3C方案，對(duì)選線(xiàn)方案中故障分量較小的“時(shí)針效應(yīng)”，改進(jìn)了測(cè)量算法和判線(xiàn)邏輯兩個(gè)方面，有效提高了小信號(hào)的測(cè)量精度和故障判斷冗余性。實(shí)驗(yàn)對(duì)架空出線(xiàn)金屬性單相接地、電纜出線(xiàn)經(jīng)過(guò)渡電阻單相接地這兩種故障進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，此試驗(yàn)方法切實(shí)可行，驗(yàn)證了選線(xiàn)方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

配電網(wǎng)；接地選線(xiàn)；RTDS；群體比幅比相；3C；時(shí)針效應(yīng)

配電網(wǎng)單相接地選線(xiàn)一直是影響我國(guó)配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性與經(jīng)濟(jì)性的實(shí)際問(wèn)題，現(xiàn)行的選線(xiàn)方法實(shí)用性能有待提高。本文通過(guò)建立試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)選線(xiàn)方法進(jìn)行了全面客觀的驗(yàn)證，為相關(guān)理論研究和性能提升提供了分析和支撐。

本文依據(jù)配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)搭建仿真模型，基于RTDS仿真環(huán)境模擬各類(lèi)典型的接地故障，并測(cè)試分析改進(jìn)后的選線(xiàn)方法，為選線(xiàn)方法的實(shí)際應(yīng)用提供可靠性分析。

1 RTDS配電網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

1.1 RTDS簡(jiǎn)介

RTDS的全稱(chēng)是實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀（real time digital simulator），是專(zhuān)門(mén)用于研究電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)現(xiàn)象的裝置。RTDS由RSCAD程序、數(shù)據(jù)工作站、RACK接口等組成，可實(shí)時(shí)地模擬電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)現(xiàn)象。仿真步長(zhǎng)通常為50～80ms。因?yàn)镽TDS可以連續(xù)運(yùn)行，所以控制保護(hù)設(shè)備連接到RTDS進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)，就可以分析和研究控制保護(hù)設(shè)備的性能。

RTDS可應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真大型交直流混合電力系統(tǒng)，因此得到廣泛應(yīng)用[1]。

1.2 配電網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為10kV電壓等級(jí)，中性點(diǎn)不接地。為了保證試驗(yàn)的全面性和可信度，出線(xiàn)采用架空線(xiàn)路與電纜線(xiàn)路的混合類(lèi)型[2]。

配電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

模型設(shè)計(jì)說(shuō)明如下：

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用單相線(xiàn)路代表三相線(xiàn)路，系統(tǒng)空載運(yùn)行。

2）主變參數(shù)：110kV/10.5kV，40MVA。

3）出線(xiàn)結(jié)構(gòu)：架空與電纜混合線(xiàn)路，其中4條架空線(xiàn)路（線(xiàn)路1、線(xiàn)路2、線(xiàn)路3、線(xiàn)路4），2條電纜線(xiàn)路（線(xiàn)路5、線(xiàn)路6）。

4）線(xiàn)路參數(shù)：依據(jù)實(shí)際配電網(wǎng)出線(xiàn)參數(shù)設(shè)置，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 線(xiàn)路詳細(xì)參數(shù)

1.3 RTDS仿真驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證配電網(wǎng)單相接地選線(xiàn)方法，需要進(jìn)行針對(duì)性的配置RTDS仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成：RACK、RTDS工作站、選線(xiàn)自動(dòng)化裝置、功率放大器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 RTDS仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

RTDS工作站是通過(guò)運(yùn)行RSCAD軟件完成建模計(jì)算、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)分析等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的高性能計(jì)算機(jī)。RSCAD軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由圖形用戶(hù)界面、編譯程序、元件模型庫(kù)三部分組成。RTDS工作站建立的仿真配電網(wǎng)可視作實(shí)際一次配電系統(tǒng)。當(dāng)仿真配電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，母線(xiàn)電壓、線(xiàn)路電流可以反映實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行的真實(shí)狀況[3]。

仿真模型的RACK主要與工作站的數(shù)據(jù)交換通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。仿真系統(tǒng)模擬量通過(guò)3PC卡中的DAC通道輸出，每一塊3PC卡有24個(gè)DAC通道。

RACK輸出的交流模擬信號(hào)幅值范圍僅為-10～ +10V，因此需要配置功率放大器，使輸出的交流模擬量趨近于電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)[4]。

選線(xiàn)自動(dòng)化裝置采用嵌入式硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，集成接地選線(xiàn)算法，能夠?qū)崟r(shí)采集RTDS輸出的模擬量并完成分析判斷。當(dāng)仿真系統(tǒng)模擬單相接地故障時(shí)，該裝置可以依據(jù)選線(xiàn)算法進(jìn)行故障判別，達(dá)到驗(yàn)證選線(xiàn)算法準(zhǔn)確性、選線(xiàn)裝置實(shí)用性的目標(biāo)[5]。

2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)選線(xiàn)方法改進(jìn)

針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的選線(xiàn)方法，目前常見(jiàn)的有比幅法、比相法、群體比幅比相法、小波法等。從選線(xiàn)方法的準(zhǔn)確性、實(shí)用性和應(yīng)用范圍等方向考慮，選擇群體比幅比相法進(jìn)行深入分析。因?yàn)樵摲椒ňC合利用幅值和相位的故障特征，可以對(duì)所有出線(xiàn)的零序電流進(jìn)行幅值和相位的比較，出現(xiàn)幅值最大且相位相反的，即為故障線(xiàn)路。但是，若故障電流較小，則采用此方法測(cè)量出的相位誤差較大，裝置也會(huì)出現(xiàn)誤選的情況。

行業(yè)內(nèi)有許多已實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，包括3C、2C1V、2C、1C1V、1C等選線(xiàn)方案[6]。這類(lèi)方案結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裝置應(yīng)用情況，特別是以零序電壓作為參考時(shí)，要求電壓互感器（PT）與電流互感器（CT）的同名端一致。本文著重對(duì)3C方案進(jìn)行分析，并且通過(guò)比較全部線(xiàn)路零序電流的最大值與電流零門(mén)檻設(shè)定值，有效提高對(duì)非單相接地故障造成母線(xiàn)零序電壓抬高的識(shí)別功能，減少保護(hù)裝置誤動(dòng)作[7]。

改進(jìn)后的選線(xiàn)方法流程如圖3所示。

圖3 選線(xiàn)流程圖

1）通過(guò)信號(hào)處理方法和濾波技術(shù)，抑制外部干擾，提高信號(hào)測(cè)量精度，保證特征量提取精確度。

2）邏輯選線(xiàn)判斷時(shí)，若相位結(jié)果不能滿(mǎn)足嚴(yán)格的相位條件，就需要結(jié)合幅值進(jìn)行綜合判斷，保證判斷的冗余性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，改進(jìn)上述問(wèn)題可降低因故障分量較小而產(chǎn)生的“時(shí)針效應(yīng)”對(duì)保護(hù)裝置準(zhǔn)確性的影響[8]。

3 RTDS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 架空出線(xiàn)金屬性單相接地

選用模型中出線(xiàn)2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，出線(xiàn)2的A相首端發(fā)生金屬性單相接地故障，實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出各條線(xiàn)路零序電流的向量圖如圖5所示。

圖4 出線(xiàn)2金屬性接地，各出線(xiàn)零序電流波形

圖5 出線(xiàn)2金屬性接地，各出線(xiàn)零序電流向量圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析，針對(duì)架空出線(xiàn)金屬性單相接地故障，故障線(xiàn)路2的零序電流測(cè)量值為6條線(xiàn)路中最大值，相位落在第一象限，明顯與其他線(xiàn)路相反。同時(shí)，對(duì)最短的線(xiàn)路3和線(xiàn)路4的零序電流相位測(cè)量也非常精確，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)選線(xiàn)[9]。而表2中裝置測(cè)量幅值與RTDS仿真值數(shù)據(jù)之間存在一定的誤差，導(dǎo)致該誤差的原因主要有以下兩點(diǎn)：

1）RTDS系統(tǒng)的功率放大器的處理誤差及測(cè)量誤差。

2）數(shù)據(jù)選取點(diǎn)不同，仿真值數(shù)據(jù)為一次值，裝置采樣輸入為CT二次值，CT變比造成誤差[10]。

3.2 電纜出線(xiàn)經(jīng)過(guò)渡電阻單相接地

選用模型中的出線(xiàn)5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，出線(xiàn)5的A相末端經(jīng)300W過(guò)渡電阻接地，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖6 出線(xiàn)5經(jīng)電阻接地，各出線(xiàn)零序電流波形

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

各條線(xiàn)路的零序電流向量圖如圖7所示。

圖7 出線(xiàn)5經(jīng)電阻接地，各出線(xiàn)零序電流向量圖

通過(guò)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖7的零序電流向量可以分析得出結(jié)論，對(duì)于電纜線(xiàn)路經(jīng)電阻單相接地故障，采用改進(jìn)后的選線(xiàn)原理，保護(hù)裝置可以精確測(cè)量零序電流幅值和相位，從而更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)選線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選線(xiàn)算法的要求。

4 結(jié)論

本文基于在RTDS仿真平臺(tái)上搭建配電網(wǎng)模型與實(shí)際選線(xiàn)自動(dòng)化裝置構(gòu)成仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，從而針對(duì)不同類(lèi)型的出線(xiàn)，模擬出不同類(lèi)型的單相接地故障。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真驗(yàn)證系統(tǒng)能夠真實(shí)地模擬配電網(wǎng)的各類(lèi)單相接地故障，且改進(jìn)后的選線(xiàn)方法測(cè)量精度更高，準(zhǔn)確率得到有效提升，能夠滿(mǎn)足項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用的要求。

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The verification based on RTDS of fault line selection method for distribution power system

Zhang Jianwei Zhang Ran Gong Dongliang Yang Fang

(NARI Technology Development Co., Ltd, Nanjing 210061)

The current situation of system verification for the single-phase grounding of distribution network is lacking, it puts forward a test and research method based on RTDS. A systemic closed-loop experimental enviroment consists of simulation models and automatic equipment, and the simulation models are built on the actual data of RTDS. This paper improves the 3C scheme of amplitude and phase comparison and the " hour hand effect" when the fault component is small in the line selection scheme, and improves the measurement precision and the measurement precision of the small signal Redundancy of fault judgment. Two kinds of faults, single-phase grounding and cable-out of single-phase earthing are studied. Through many types of tests, the test methods are proved feasible, and the algorithm of fault line selection are also proved exact and practical.

distribute power system; fault line selection; RTDS; amplitude and phase comparison; 3C; hour hand effect

2018-03-16

張建偉（1985-），男，山東省濰坊市人，碩士研究生，主要從事配電網(wǎng)技術(shù)以及電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)研究工作。