基于RTDSRTDSS的故障指示器外施信號發(fā)生裝置的集成設計

劉 霡，張彥兵

（1.三峽大學國際文化交流學院，湖北宜昌 443000；2.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南許昌 461000）

0 引言

10 kV配電網采用中性點非有效接地方式（包括中性點經消弧線圈接地、中性點經高阻接地或中性點不接地方式）運行，發(fā)生單相接地時接地故障電流小，因此允許帶故障運行兩個小時，提高了供電可靠性[1-5]。配電線路故障指示器的設計初衷是解決配電網單相接地故障故障區(qū)間定位難的現狀，通過“采集單元上送數據、主站進行數據分析”的技術手段，實現配電線路故障區(qū)間的精確定位，提升配電網運維管理水平、降低配網線路運維成本、提高配電網自動化率[5-10]。

根據接地檢測方法的不同，故障指示器可以分為暫態(tài)特征型、穩(wěn)態(tài)特征型以及外施信號型。外施信號型故障指示器的故障區(qū)間定位需要一次設備（外施信號源）的配合，可以大幅提高故障區(qū)間定位的正確率。當配電系統零序電壓升高時，外施信號源投入運行產生特征電流信號，特征電流信號包括工頻正弦波和工頻半波（不對稱電流法）兩種。

通過仿真的技術手段，在實時仿真系統中實現外施信號源的模擬，可以在實驗室環(huán)境下靈活的搭建故障指示器測試系統，對外施信號型故障指示器的接地識別功能進行調試或考核。介紹了外施信號源的系統組成，并在仿真系統中設計了集成兩種外施信號源特征的信號源發(fā)生器，根據不同的測試對象可以便捷的切換信號源的工作模式，對外施信號型故障指示器的調試及測試提供了良好的試驗環(huán)境。

1 外施信號源一次系統的集成設計

中性點非有效性接地運行方式下，系統單相接地故障電流小，不利于故障指示器的精確故障定位。外施信號發(fā)生裝置通過自動投切內部對應的交流真空接觸器，向配電系統提供零序回路，并對零序回路的開通、關斷狀態(tài)進行編碼，協助外施信號型故障指示器實現故障區(qū)間的精確定位。外施信號源如圖1所示，外施信號發(fā)生裝置主要有一次設備和二次測量控制部分組成。根據一次部分接入系統的方式不同，外施信號發(fā)生裝置可以分為經接地變接入型（如虛線框A所示）和直接接入型（如虛線框B所示）；根據所產生特征電流劃分，可以分為工頻正弦波型（如虛線框A-2，B-2所示）和工頻半波型（如虛線框A-1，B-1所示）。

圖1 外施信號源集成系統設計

外施信號發(fā)生裝置的二次測量部分如虛線框C所示，主要有電壓采集模塊、啟動模塊、選相模塊及特征序產生模塊組成。其中KTb、KTq分別為經接地變接入的信號源半波斷路器、經接地變接入的全波信號源斷路器。Kb、Kq分別為直接接入的半波、全波信號源斷路器。

通過特征序列脈沖驅動接地開關，向配電網系統提供間歇性的零序回路通道，外施信號型故障指示識別接地故障時的特征信號，外施信號發(fā)生裝置發(fā)出的特征序列信號如圖2所示，△T1=120 ms（±30 ms），△T2=800 ms（±30 ms），△T3=1 000 ms（±30 ms），△I=I2-I1，最小識別電流不大于10 A。

圖2 外施典型特征信號

2 外施信號源控制邏輯的集成設計

外施信號源控制系統的仿真設計如圖3所示，主要有輸入部分、集成部分、輸出部分組成。其中，輸入部分包括系統相電壓、零序電壓、零序電壓啟動定值、特征電流序列定值、信號源接入方式、特征電流波形選擇。集成部分為信號源不同工作狀態(tài)的仿真集成設計。輸出部分為圖1中各斷路器的驅動控制字，執(zhí)行集成部分的設計輸出。

圖3 控制系統仿真設計框圖

集成部分主要分為兩部分：特征序列發(fā)生系統及中驅動脈沖通道選擇部分。特征序列發(fā)生系統如圖4所示，實時觀測零序電壓，當超過設定值時，產生特征序列使能信號。特征序列產生模塊接收Ty，T1，T2，T3預設定值，當接收到序列使能信號后，發(fā)出特征脈沖信號。

圖4 特征序列發(fā)生系統

驅動脈沖通道選擇部分如圖5所示。信號源接入方式選擇器負責特征脈沖信號的引導，特征電流波形選擇器負責KNA、KNB、KNC、Kb控制信號的解鎖及閉鎖。當信號源接入方式選擇器為直接接入配電網時，通過觀測故障后相電壓的變化趨勢識別故障相，根據預設順序，選擇投切控制斷路器及閉鎖斷路器；當信號源接入方式選擇器為經接地變接入時，特征脈沖信號直接驅動KTb或KTq斷路器。

圖5 驅動脈沖通道選擇系統

對外施信號源的一次系統進行集成設計，并完成對應控制邏輯的封裝設計，可以便捷的實現外施信號源的仿真建模，簡化了外施信號型故障指示器的仿真測試環(huán)境的建設。

3 仿真驗證

為驗證所提出的外施信號源仿真系統集成設計是有效、可行的。在仿真平臺上搭建典型的小電流接地配電系統，并分別搭建一次系統集成模塊及控制邏輯的集成設計模塊。模擬配電系統發(fā)生單相接地故障，觀測所設計的外施信號源在不同工作模式下是否有效工作。圖6所示為外施信號源直接接入配電網系統，注入全波特征電流工作模式下的觀測波形。圖7所示為外施信號源經接地變接入配電網系統，注入半波特征電流工作模式下的觀測波形。

其中U1_3U0為配電系統零序電壓；IL1A1、IL1B1、IL1C1為故障線路電流觀測值；ZJ3I0為信號源提供零序回路流過的零序電流；ZT3I0為信號源經接地變注入的零序電流；SW_ConTyp為信號源接入方式（0：直接注入，1：經接地變注入）；SW_WaveTyp為特征波形類別（0全波，1：半波）；Plus_ws為特征序列脈沖；BRK_X（X=KNA，KNB，KNC，Kq，Kb，KTq，KTb）為對應斷路器的驅動脈沖。

圖6 直接注入全波特征電流

圖7 經接地變接入注入半波特征電流

圖6 所示為出線A相發(fā)生單相接地故障，外施信號源通過C相注入全波型特征電流。即BRK_KNC通道間歇性通斷且BRK_Kq保持導通狀態(tài)，ZJ3I0為全波型特征電流，并疊加到故障相即ILB1呈現特征電流波形。

圖7所示為出線A相發(fā)生單相接地故障，外施信號源經接地變注入半波型特征電流。即BRK_KTb間歇性通斷，ZT3I0為半波型特征電流，并疊加到故障相即TL1B1呈現特征電流波形。

4 結語

采用實時仿真技術手段實現故障指示器外施信號源一次、二次系統的集成設計，為外施型故障指示器裝置的功能調試、性能測試提供了低成本、易操作、高效率的解決思路。在RTDS實時仿真平臺上對所提出的外施信號源一次系統集成設計、外施信號源控制邏輯集成設計進行了仿真建模，并分別在直接注入全波特征電流和經接地變注入半波特征電流兩種工作模式下，模擬線路發(fā)生單相接地故障，外施信號源實現了自動啟動、自動判別故障相、正確驅動斷路器并發(fā)出特征電流脈沖。仿真試驗結果表明所提出的設計方案是有效、可行的。