適用于動(dòng)模仿真試驗(yàn)的虛擬線路保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)

姜 光，申留生

（東方電子股份有限公司，山東煙臺(tái)264000）

0 引言

部分電力系統(tǒng)控制與保護(hù)裝置在動(dòng)模試驗(yàn)環(huán)節(jié)中，需要與線路保護(hù)裝置協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)特定的保護(hù)功能[1]。如母線斷路器發(fā)生失靈故障時(shí)，母線保護(hù)與線路保護(hù)之間存在協(xié)同動(dòng)作行為；安裝有串聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的線路上的斷路器發(fā)生失靈故障時(shí)，串補(bǔ)控保裝置與線路保護(hù)之間存在協(xié)同動(dòng)作行為[2-4]。

串補(bǔ)控保裝置部分保護(hù)功能，涉及到與線路保護(hù)裝置的相互配合。當(dāng)旁路斷路器發(fā)生合閘失靈故障時(shí)，串補(bǔ)控保裝置需向線路保護(hù)發(fā)出“串補(bǔ)跳線路”信號(hào)，后者接收到信號(hào)后，動(dòng)作于跳線路兩側(cè)斷路器，避免電容器組因過(guò)負(fù)荷故障而損毀[5-7]。線路保護(hù)動(dòng)作，跳閘線路兩側(cè)斷路器時(shí)，需向串補(bǔ)控保裝置發(fā)送“線路跳串補(bǔ)”信號(hào)，串補(bǔ)裝置接收到該信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作[8-10]。

采用實(shí)際線路保護(hù)裝置配合串補(bǔ)裝置進(jìn)行動(dòng)模試驗(yàn)，需要增加試驗(yàn)設(shè)備（如功率放大器）投入數(shù)量，試驗(yàn)規(guī)模、測(cè)試人員工作量及試驗(yàn)成本均會(huì)增加，不利于檢測(cè)試驗(yàn)效率的提高。開(kāi)發(fā)虛擬線路保護(hù)技術(shù)，在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上進(jìn)行近似的線路保護(hù)邏輯仿真建模，完成對(duì)實(shí)際線路保護(hù)的動(dòng)作行為的等價(jià)替換，信號(hào)不出仿真系統(tǒng)，完成串補(bǔ)控保裝置動(dòng)模測(cè)試配合的同時(shí)，提高了仿真環(huán)境的集成度及試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本。

1 系統(tǒng)介紹

串補(bǔ)控保裝置動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真器中完成輸電線路、串補(bǔ)一次設(shè)備、虛擬線路保護(hù)及故障觸發(fā)的仿真建模，串補(bǔ)電容器補(bǔ)償裝置采樣系統(tǒng)電流二次值、旁路斷路器位置、線路跳串補(bǔ)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并向仿真系統(tǒng)發(fā)送動(dòng)作出口開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

圖1 串補(bǔ)控保裝置動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

虛擬線路保護(hù)分相跳閘控制模塊如圖1中小虛線框所示，在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中完成邏輯的建模，虛擬保護(hù)控制模塊提取仿真系統(tǒng)中的故障觸發(fā)模塊的特征并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)以下保護(hù)功能：1）單相故障，單相跳閘、重合閘；2）多相故障，三相跳閘，閉鎖重合閘；3）重合閘于故障線路，三相跳閘；4）單相跳閘時(shí)，發(fā)送故障相的“線路跳串補(bǔ)”信號(hào)；5）多相跳閘時(shí)，發(fā)送三相的“線路跳串補(bǔ)”信號(hào)；6）接收“串補(bǔ)跳線路”指令后，三跳線路兩側(cè)斷路器。

2 故障類(lèi)型特征提取

仿真系統(tǒng)中輸電線路故障點(diǎn)觸發(fā)原理如圖2所示，故障觸發(fā)控制字由4個(gè)bit位組成，依次控制FA、FB、FC及FG四個(gè)斷路器的分閘與合閘操作。例如：系統(tǒng)無(wú)故障觸發(fā)時(shí)，4個(gè)斷路器均保持分閘狀態(tài)；模擬A相接地故障時(shí)，F(xiàn)A斷路器與FG斷路器閉合，F(xiàn)B、FC斷路器保持分閘狀態(tài)。

故障類(lèi)型觸發(fā)及控制字配置對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，分析表1內(nèi)容可知，當(dāng)故障觸發(fā)控制字為9、10、12時(shí)，分別對(duì)應(yīng)A相接地故障、B相接地故障、C相接地故障，其它情況為多相故障。將故障觸發(fā)控制字的十進(jìn)制數(shù)值，作為虛擬線路保護(hù)的動(dòng)作出口判據(jù)，可以便捷、正確的等效實(shí)際線路保護(hù)裝置的動(dòng)作出口，配合串補(bǔ)控制與保護(hù)裝置的功能驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖2 輸電線路故障觸發(fā)結(jié)構(gòu)圖

表1 故障類(lèi)型觸發(fā)及控制字配置對(duì)應(yīng)表

3 虛擬保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)

虛擬保護(hù)的設(shè)計(jì)思路為：解析仿真系統(tǒng)的故障觸發(fā)控制字，提取故障類(lèi)型的特征值并采樣線路斷路器的位置信息，并執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)作出口，完成實(shí)際線路保護(hù)裝置的功能等效。圖3所示為虛擬線路保護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，可劃分為輸入、邏輯運(yùn)算、輸出三部分。

圖3 虛擬線路保護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

輸入部分包含：故障觸發(fā)控制字、分相斷路器合位信號(hào)、重合閘控制字、首次跳閘動(dòng)作時(shí)間、重合閘動(dòng)作時(shí)間、加速跳閘動(dòng)作時(shí)間。邏輯運(yùn)算包括：?jiǎn)蜗喙收媳Ｗo(hù)邏輯、多相故障保護(hù)邏輯及跳閘合閘出口融合模塊。輸出部分包含：三相斷路器的跳閘、合閘指令出口。

單相故障保護(hù)邏輯由A相、B相、C相三部分組成，圖4為所示的虛擬線路保護(hù)的保護(hù)邏輯示意圖僅體現(xiàn)A相部分。故障觸發(fā)特征提取模塊解析故障觸發(fā)控制字（FltCtrlWord），分別輸出單相故障標(biāo)識(shí)位（如F_AN）或多相故障標(biāo)識(shí)位（F_Multi）。

系統(tǒng)模擬A相接地故障時(shí)（B相、C相接地故障的保護(hù)邏輯相似，不再重復(fù)分析），運(yùn)行圖4的綠色虛線框中的邏輯，A相接地故障標(biāo)識(shí)位（F_AN）置1時(shí)，上升沿觸發(fā)模塊（PU）、下降沿觸發(fā)模塊（PD）相互配合，經(jīng)預(yù)定延時(shí)（T_Tz1st）產(chǎn)生100 ms的跳閘脈沖（TZ_1A）。TZ_1A經(jīng)上升沿觸發(fā)模塊展寬后并檢測(cè)A相斷路器跳閘位置信號(hào)，滿(mǎn)足條件后觸發(fā)重合閘邏輯，并產(chǎn)生重合閘動(dòng)作出口（CHZ_1A）。CHZ_1A經(jīng)上升沿觸發(fā)模塊展寬后，觀測(cè)A相故障觸發(fā)是否有效且A相斷路器是否合閘位置，執(zhí)行重合于故障加速跳閘邏輯。

圖4 虛擬線路保護(hù)邏輯框圖

系統(tǒng)模擬多相故障時(shí)，虛擬保護(hù)應(yīng)跳閘三相斷路器，并閉鎖重合閘操作。首次跳閘出口（TZ_1A）、重合于故障跳閘出口（TZ_2A）、三相跳閘出口（TZ_3T）經(jīng)或邏輯，組成虛擬保護(hù)跳A相斷路器出口（TZ_PA）。

重合閘出口（CHZ_1A）經(jīng)重合閘控制字（EN_CHZ）、多相故障標(biāo)志位（F_Multi）閉鎖后輸出A相斷路器合閘出口（HZ_PA）。

4 仿真驗(yàn)證

在RTDS仿真系統(tǒng)中搭建所設(shè)計(jì)的虛擬線路保護(hù)邏輯，并進(jìn)行線路發(fā)生區(qū)內(nèi)單相永久性故障試驗(yàn)，對(duì)虛擬線路保護(hù)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)線路電流、斷路器位置信號(hào)、故障觸發(fā)控制字及虛擬保護(hù)的動(dòng)作出口等關(guān)鍵量進(jìn)行錄波。

區(qū)內(nèi)發(fā)生單相永久性接地故障時(shí)，虛擬線路保護(hù)裝置的動(dòng)作應(yīng)為依次應(yīng)該為：?jiǎn)蜗嗵l隔離故障、單相重合閘、重合于故障、加速三相跳閘。圖5、圖6為單相永久性接地故障時(shí)的仿真錄波圖。CT2A、CT2B、CT2C為圖1中的線路L1的N側(cè)電流互感器二次值，F(xiàn)lt1為故障標(biāo)志位，BitA、BitB、BitC、BitN為4個(gè)故障觸發(fā)開(kāi)關(guān)的控制位。FaultAN為A相接地故障識(shí)別位，TZ_1st_A、CHZ_1st_A、TZ_2nd_A分別為首次跳閘、重合閘、加速跳閘動(dòng)作位。TZ_PA、TZ_PB、TZ_PC、HZ_PA、HZ_PB、HZ_PC，分別為虛擬保護(hù)的三相跳閘、合閘出口位。WZ_BRK2A、WZ_BRK2B、WZ_BRK2C為線路L1的N側(cè)斷路器的分相合位信號(hào)。

圖5 模擬量錄波圖

圖6 開(kāi)關(guān)量錄波圖

模擬線路區(qū)內(nèi)發(fā)生A相永久性接地故障。以故障觸發(fā)時(shí)刻為0時(shí)刻，故障觸發(fā)期間Flt1=1，故障觸發(fā)控制字為9（即BitA=BitN=1，BitB=BitC=0）。虛擬保護(hù)正確識(shí)別后，經(jīng)跳閘延時(shí)執(zhí)行A相跳閘，經(jīng)重合閘延時(shí)識(shí)別A相斷路器位置處于分位，執(zhí)行重合閘操作。重合閘于故障，加速三相跳閘（即TZ_PA，TZ_PB，TZ_PC均出口動(dòng)作），虛擬保護(hù)的動(dòng)作行為、故障觸發(fā)控制字及斷路器位置變位情況，符合邏輯設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)提取實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中線路故障觸發(fā)控制字的特征值，搭建了虛擬線路保護(hù)邏輯，進(jìn)行實(shí)際線路保護(hù)裝置的不同故障動(dòng)作行為的等效，以一種更為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、高效的方式，完成了高壓串聯(lián)電容器補(bǔ)償控制保護(hù)裝置的動(dòng)態(tài)特性功能試驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)。在試驗(yàn)系統(tǒng)中所開(kāi)展的典型仿真算例表明，所設(shè)計(jì)的虛擬線路保護(hù)邏輯，能夠滿(mǎn)足串補(bǔ)控保裝置動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的應(yīng)用。降低了試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)成本與周期，對(duì)相關(guān)從業(yè)人員具有一定的參考價(jià)值。