基于RTDS的線路非穩(wěn)定性高阻接地故障仿真

徐浩，尹超勇，董國琴，2，王善諾，許立強(qiáng)，2，歐陽帆，朱維鈞

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007；2.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南長沙410004)

0 引言

近兩年來湖南電網(wǎng)發(fā)生了幾起110 kV線路非穩(wěn)定性高阻接地故障下220 kV主變越級跳閘事故。非穩(wěn)定高阻接地故障下，零序電壓和零序電流幅值較小，并呈周期性忽大忽小、整體逐漸增大趨勢，罕見故障特征嚴(yán)重威脅線路距離保護(hù)和零序保護(hù)的正確動作。所述事故線路均采用單端線路保護(hù)，即保護(hù)功能由線路一側(cè)的電氣量和開關(guān)量實(shí)現(xiàn)[1-4]。這幾起非穩(wěn)定性高阻接地故障，主變越級跳閘的主要誘因是，線路保護(hù)裝置在TA斷線計(jì)時(shí)TA斷線判據(jù)、3U0門檻等方面存在對保護(hù)功能有閉鎖作用的隱形判據(jù)。雖然主變保護(hù)和線路保護(hù)整定值存在級差配合關(guān)系，但隱形判據(jù)不一致(特別是上下游設(shè)備采用不同廠家設(shè)備時(shí))，導(dǎo)致實(shí)際上線路保護(hù)動作條件比主變保護(hù)苛刻，違反了上下游保護(hù)級差配合原則。

隱形判據(jù)沒有體現(xiàn)在說明書和定值單中，使設(shè)備運(yùn)維檢修存在盲區(qū)，在廠家疏忽或遇到特殊故障時(shí)，將導(dǎo)致保護(hù)不正確動作，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。一些隱形判據(jù)在上述事故案例中被暴露出來，但不確定是否存在其他導(dǎo)致保護(hù)不正確動作的隱形判據(jù)。在這種特殊工況下，為解決單端線路保護(hù)靈敏性不足而配置的光纖差動保護(hù)是否有足夠的靈敏性和可靠性，缺乏足夠的理論和經(jīng)驗(yàn)支撐，最有效的方式是依靠建模仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證。

伴隨數(shù)值計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展以及對電機(jī)和電力系統(tǒng)暫、穩(wěn)態(tài)過程認(rèn)識的加深，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些應(yīng)用成熟的數(shù)值仿真軟件，如ETAP、EMTDC、PSPICE、PSCAD、Matlab等。這些軟件可定量分析不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)各種電磁物理量的變化情況，但前提是所分析的電力系統(tǒng)及其各元件的數(shù)學(xué)表達(dá)式均已明確，因此應(yīng)用于挖掘保護(hù)裝置隱形判據(jù)時(shí)存在較大建模困難。而電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(Real Time Digital Simulator，RTDS)具備豐富的輸入與輸出接口，能夠與實(shí)際外部設(shè)備接駁構(gòu)筑靈活方便的數(shù)字—物理閉環(huán)試驗(yàn)回路，實(shí)現(xiàn)數(shù)模混合仿真，從而規(guī)避了外部設(shè)備數(shù)學(xué)模型不明確帶來的建模困難，這是單純數(shù)值仿真軟件所無法實(shí)現(xiàn)的[5-9]。

本文基于非穩(wěn)定性高阻接地故障特征，分析出非穩(wěn)定性接地電阻中同時(shí)存在周期性成分和非周期性成分這一特征，并從試驗(yàn)需求、試驗(yàn)平臺、試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、設(shè)備配置等方面詳細(xì)剖析了基于RTDS的非穩(wěn)定性高阻接地仿真建模方式。

1 試驗(yàn)需求

以某220 kV變電站2號主變跳閘事故為例。該變電站220 kV系統(tǒng)包含兩臺主變，跳閘前兩臺主變并列運(yùn)行，1號主變中性點(diǎn)接地運(yùn)行，2號主變中性點(diǎn)不接地運(yùn)行。故障原因?yàn)殍駱涓脖鶖嗔汛罱佑?10 kVⅡ母某出線A相，造成該相線路非穩(wěn)定性高阻接地。故障發(fā)生后，故障出線A相電流、零序電流及對應(yīng)母線零序電壓均周期性忽大忽小變化，且整體趨勢緩慢增大，如圖1所示。通過逆向分析可知，對應(yīng)該故障特征的接地電阻周期性忽小忽大變化，且整體趨勢也呈緩慢減小。換言之，該接地電阻是漸變電阻，包含周期性變化成分和非周期性遞減成分，且最終阻值為周期性成分和非周期性成分之和。由于故障特征罕見，該線路所配置的單端線路保護(hù)未能正確動作，最終由上游主變中壓側(cè)零序過流保護(hù)越級動作，造成事故停電范圍擴(kuò)大。

圖1 110 kV故障線路故障錄波圖

基于RTDS的仿真試驗(yàn)是在模擬上述事故案例電氣量特征的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同的故障點(diǎn)、不同故障程度以及恒定高阻接地故障，進(jìn)一步挖掘線路保護(hù)裝置(單端和光纖差動)的動作盲區(qū)，為探索提升單端線路保護(hù)裝置動作可靠性和靈敏性的技術(shù)措施和管理措施，進(jìn)一步提高繼電保護(hù)正確動作率提供決策支撐。因此，本試驗(yàn)的需求包括準(zhǔn)確模擬恒定和非穩(wěn)定性高阻接地故障，將RTDS故障特征反饋至有直接級差配合關(guān)系的主變保護(hù)裝置和線路保護(hù)裝置，并將單端線路保護(hù)裝置和光差線路保護(hù)裝置串接。

2 試驗(yàn)平臺及建模仿真

2.1 RTDS概述

簡單來講，RTDS主要由RSCAD工作站、用于計(jì)算的RACK以及輸入輸出板卡等構(gòu)成。RSCAD工作站是實(shí)時(shí)仿真電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程的用戶接口，RACK負(fù)責(zé)系統(tǒng)計(jì)算，輸入輸出板卡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與外部設(shè)備互聯(lián)。RSCAD常用的模塊包括Draft、Runtime、T-Line和Cable模塊等。其中，Draft模塊主要功能是從給定的元件庫中選擇元器件繪制和編譯被仿真電力系統(tǒng)的電路圖，編譯成功后將自動生成Runtime文件；Runtime主要功能是運(yùn)行電路，并使用圖形化的表計(jì)、滑桿、按鈕以及平面坐標(biāo)圖來顯示系統(tǒng)模型中的各個(gè)系統(tǒng)或變量；T-Line和Cable分別用于架空線和電纜的建模，本試驗(yàn)主要采用架空線[10-13]。

為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，RTDS包含四類輸入輸出接口，分別是GTAO(Analogue Output Card)卡，模擬量輸出卡，用以輸出模擬量；GTAI(Analogue Input Card)卡，模擬量輸入卡，用以采集各種模擬量信號；GTDO(DIgital Output Card)卡，開關(guān)量輸出卡，用于控制外接開關(guān)設(shè)備保護(hù)設(shè)備；GTDI(Digital Iutput Card)卡，開關(guān)量輸入卡，用于采集各種開關(guān)量信號。本試驗(yàn)需要用到GTDO、GTDI和GTAO三類板卡。其中，GTDO的電路原理如圖2所示，GTDO只能輸出高低電平，當(dāng)有觸發(fā)信號時(shí)輸出高電平，且板卡單路輸出信號能夠承受的最大電壓為35 V。試驗(yàn)所用保護(hù)裝置開入電源電壓高于35 V，為適應(yīng)保護(hù)裝置開入插件，還需另行為GTDO板卡配置繼電器，將高低電平信號轉(zhuǎn)換為干接點(diǎn)信號。

圖2 GTDO原理圖

2.2 試驗(yàn)平臺

整個(gè)試驗(yàn)平臺由RTDS、功率放大器和保護(hù)裝置三個(gè)部分構(gòu)成，如圖3所示。其中，RTDS搭建一次系統(tǒng)模型，通過外設(shè)接口模塊GTAO以直流小信號形式輸出母線電壓、線路電流二次值至功率放大器；通過外設(shè)接口模塊GTDO輸出斷路器位置信號至保護(hù)裝置；通過外設(shè)接口模塊GTDI接收保護(hù)裝置跳閘信號。功率放大器接收RTDS傳遞的直流小信號，并轉(zhuǎn)換、放大為與一次系統(tǒng)相匹配的三相交流電壓和三相交流電流后，輸出至保護(hù)裝置。保護(hù)裝置接收功率放大器輸出的電壓、電流量以及GTDO輸出的開關(guān)位置信號，根據(jù)投入的保護(hù)功能執(zhí)行既定動作邏輯，并將動作結(jié)果通過GTDI反饋至RTDS，控制斷路器跳閘。圖3中一次系統(tǒng)模型包含兩條110 kV線路、一臺發(fā)電機(jī)、兩個(gè)無窮大系統(tǒng)，通過BRK01—BRK06六個(gè)斷路器的通斷改變系統(tǒng)運(yùn)行工況；保護(hù)裝置所用電流從功率放大器依次串接，所用電壓從功率放大器并接，所用斷路器分合閘位置信號相互獨(dú)立，沒有寄生回路。

圖3 非穩(wěn)定性高阻接地仿真試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)對象為線路2的變壓器保護(hù)、單端線路保護(hù)及光差線路保護(hù)，共設(shè)置六個(gè)故障點(diǎn)，分別是F11、F12、F13、F21、F22和F23。其中，F(xiàn)11和F21在線路首端，F(xiàn)12和F22在線路中間，F(xiàn)13和F23在線路末端。對于線路2而言，F(xiàn)11、F12、F13為區(qū)外故障。每個(gè)故障點(diǎn)均模擬不同阻值恒定電阻的單相接地故障以及漸變阻值的單相接地故障，其中漸變電阻呈忽大忽小且逐漸變大趨勢。

試驗(yàn)期間，通過BRK01—BRK06六個(gè)斷路器可設(shè)置各種工況，每一種工況下分別模擬六個(gè)故障點(diǎn)的單相接地故障。本試驗(yàn)共設(shè)定了線路空載、雙側(cè)電源、背側(cè)系統(tǒng)零序阻抗大、背側(cè)系統(tǒng)零序阻抗小等六種工況，見表1。

表1 試驗(yàn)工況列表

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

基于圖3，搭建如圖4所示的仿真模型，其中漸變電阻模型如圖5所示。由圖5可知，漸變電阻主要由非周期性遞增電阻和周期性電阻兩部分組成，具體邏輯如下:

1)非周期性電阻由選擇器1、積分器、加法器1、選擇器2構(gòu)成。選擇器1有A、B兩個(gè)輸入和Ctrl一個(gè)控制信號；當(dāng)Ctrl=0時(shí)，選擇器1輸出A，否則輸出B。積分器主要參數(shù)為周期T，當(dāng)T=1時(shí)，表示其輸出每1 s增加一次，每次增幅為積分器輸入值。加法器1包含兩個(gè)輸入，每個(gè)輸入對應(yīng)一個(gè)運(yùn)算符號“+”或“-”，其輸出結(jié)果為各輸入經(jīng)運(yùn)算符號運(yùn)算后的代數(shù)和。選擇器1的輸出作為積分器的輸入，積分器的輸出作為加法器1的一個(gè)輸入，加法器輸出作為選擇器2的一個(gè)輸入。

2)周期性電阻主要由正弦信號發(fā)生器、絕對值運(yùn)算器、限幅器、除法器1、選擇器4、比較器、選擇器3和除法器2構(gòu)成。正弦信號發(fā)生器有三個(gè)輸入，Mag為幅值，F(xiàn)req為頻率，AbsPhase為相位。比較器有A和B兩個(gè)輸入，當(dāng)A大于等于B時(shí)，比較器輸出0，否則輸出1。

3)選擇器2的輸出和選擇器3的輸出經(jīng)過乘法處理后，輸出為最終的非穩(wěn)定性接地電阻。啟動開關(guān)啟動后，輸出60 s的高電位脈沖，啟動整個(gè)非穩(wěn)定性接地故障過程。

圖4 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

圖5 漸變電阻模型

2.4 設(shè)備配置

試驗(yàn)所用保護(hù)裝置型號見表2。其中，PSL621U保護(hù)裝置TA斷線判據(jù):負(fù)序電流大于0.02 In，且任一相相電流小于0.02 In。

表2 設(shè)備型號列表

試驗(yàn)期間，主變保護(hù)僅投入零序過流保護(hù)，光纖差動線路保護(hù)僅投入差動保護(hù)，單端線路保護(hù)僅投入距離保護(hù)和零序過流保護(hù)(分帶方向和不帶方向兩種情況)。主變零序過流保護(hù)和單端線路保護(hù)零序過流保護(hù)動作值均為0.55 A，時(shí)間均為3.6 s，即不考慮主變和線路零序過流保護(hù)整定值固有的級差配合，專注于分析隱形判據(jù)的影響。

2.5 試驗(yàn)結(jié)論

仿真獲得如圖6所示非穩(wěn)定性高阻接地故障波形。對比圖6和圖1可知，試驗(yàn)方法基本能夠模擬出非穩(wěn)定性高阻接地這一個(gè)特殊故障特征。試驗(yàn)中系統(tǒng)工況、故障點(diǎn)、接地電阻、線路保護(hù)方向元件狀態(tài)等可排列組合出為數(shù)眾多的試驗(yàn)項(xiàng)目，通過對試驗(yàn)記錄的整理和分析，得出以下試驗(yàn)結(jié)論:

圖6 非穩(wěn)定性高阻接地仿真波形

1)除線路兩側(cè)有壓、一側(cè)斷開、且斷開側(cè)TWJ回路故障無開入這一特殊工況外，光差線路保護(hù)在各種恒阻抗高阻接地、非穩(wěn)定性高阻接地等工況下均具有較高的靈敏性，動作性能明顯優(yōu)于單端線路保護(hù)。

2)在線路兩側(cè)有壓、一側(cè)斷開、且斷開側(cè)TWJ回路故障無開入時(shí)，光差線路保護(hù)在高阻接地故障下靈敏性低于單端線路保護(hù)的零序過流保護(hù)。工程實(shí)際中，該工況主要出現(xiàn)在線路空充和重合閘期間。一般來講，線路空充前不會允許保護(hù)裝置出現(xiàn)控回?cái)嗑€告警，而重合于故障再動作不依賴差動保護(hù)，因此導(dǎo)致保護(hù)裝置拒動概率較小。

3)零序電流對高阻接地故障具有較高的靈敏度，主變和線路零序方向過流保護(hù)的靈敏性主要受制于零序方向元件的零序電壓門檻值。未發(fā)現(xiàn)除3U0外其他影響線路保護(hù)動作性能的隱形判據(jù)。

4)線路保護(hù)和主變保護(hù)零序方向元件均存在零序電壓門檻，且均未對用戶開放。試驗(yàn)所用單端線路保護(hù)零序電壓門檻高于主變保護(hù)零序電壓門檻。在高阻接地故障下時(shí)，多次出現(xiàn)零序電壓介于單端線路保護(hù)和主變保護(hù)零序電壓門檻值之間的情況，導(dǎo)致主變保護(hù)先于單端線路保護(hù)動作。

5)主變保護(hù)和單端線路保護(hù)電流采樣回路精度不一致，雖然二者整定值相同，但在零序電流動作邊界上，存在主變零序保護(hù)動作、單端線路保護(hù)裝置零序保護(hù)(不帶方向)未動作的情況。

6)線路背側(cè)系統(tǒng)阻抗對故障零序電壓具有較大影響，線路背側(cè)系統(tǒng)阻抗小時(shí)更容易出現(xiàn)故障零序電壓介于線路保護(hù)和主變保護(hù)之間的現(xiàn)象。

7)在不發(fā)生TA斷線告警的前提下，漸變接地電阻與恒阻抗接地電阻對于線路保護(hù)和主變保護(hù)零序過流保護(hù)而言并沒有明顯的差別，動作行為均取決于裝置動作計(jì)時(shí)窗口內(nèi)的接地電阻值。

2.6 建議

上述試驗(yàn)結(jié)論基于表2所列型號保護(hù)設(shè)備獲得，對于不同判據(jù)的保護(hù)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果可能不同。本文重點(diǎn)在于提出基于RTDS的高阻接地故障建模方法，并未對多個(gè)型號保護(hù)設(shè)備進(jìn)行仿真。針對上述試驗(yàn)結(jié)論，提出如下建議:

1)110 kV及以上電壓等級線路配置光纖差動保護(hù)，提高線路保護(hù)裝置主保護(hù)動作性能。

2)工程實(shí)際中，盡量減少線路處于單側(cè)開關(guān)合閘工況的時(shí)間。

3)從保護(hù)級差配合的角度看，主變零序過流保護(hù)動作判據(jù)應(yīng)比線路零序過流保護(hù)嚴(yán)苛。光纖化改造過渡期內(nèi)，建議修改主變或線路保護(hù)裝置零序電壓門檻值，使線路保護(hù)零序電壓門檻值小于對應(yīng)主變保護(hù)對應(yīng)側(cè)的零序電壓門檻值。且實(shí)施過程中，優(yōu)先整改線路保護(hù)和對應(yīng)主變保護(hù)不屬同一廠家的站點(diǎn)。

4)主變和線路保護(hù)零序電壓門檻值均較小，設(shè)備調(diào)試檢修時(shí)，保護(hù)裝置電壓采樣測試應(yīng)著重校驗(yàn)0～3 V之間的采樣精度，并盡量多選測試值，避免保護(hù)裝置采樣精度低導(dǎo)致線路保護(hù)實(shí)際零序電壓門檻高于主變保護(hù)的不利影響。

5)工程實(shí)際中，主變零序過流保護(hù)動作值僅略大于線路零序過流保護(hù)。設(shè)備調(diào)試檢修時(shí)，保護(hù)裝置電流采樣精度校驗(yàn)應(yīng)精確到0.05 A(即目前保護(hù)裝置的最小采樣精度)，避免保護(hù)裝置采樣精度低導(dǎo)致主變零序過流保護(hù)和線路零序過流保護(hù)的實(shí)際動作值出現(xiàn)級差失配的不利情況。

6)高阻接地工況下主變保護(hù)越級跳閘的根本原因還是單端線路主保護(hù)(距離Ⅰ段和距離Ⅱ段)靈敏度不夠。因此，提高單端線路保護(hù)靈敏性應(yīng)著重考慮優(yōu)化主保護(hù)的動作靈敏性，如采取零序阻抗繼電器等[14-16]。

7)對于高阻接地故障下可能出現(xiàn)TA斷線告警閉鎖的線路保護(hù)裝置，應(yīng)優(yōu)化其TA斷線判斷邏輯。高阻接地和TA斷線電氣量特征并不相同，理論上是存在較大優(yōu)化空間的。

3 結(jié)論

非穩(wěn)定性高阻接地故障下，基于單端電氣量的線路保護(hù)裝置可能因隱形判據(jù)閉鎖而拒動，因此隱形判據(jù)挖掘和及時(shí)處理是進(jìn)一步提高保護(hù)裝置動作性能的必要舉措，而RTDS是實(shí)現(xiàn)這一舉措的有效手段。本文詳細(xì)介紹基于RTDS的非穩(wěn)定性高阻接地建模仿真方法、流程及項(xiàng)目，總結(jié)提煉了試驗(yàn)結(jié)論，并針對性地提出了工程應(yīng)對建議，以期對工程實(shí)際提供有益參考。