基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)的小電流接地選線裝置性能測試

徐彪，臧欣，歐陽帆，李輝，梁文武

(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)

0 引言

我國中低壓配網(wǎng)普遍采用小電流接地方式[1－2]，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地故障電流很小，可在接地故障后維持一段時(shí)間的運(yùn)行。然而，隨著配電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，小電流接地也同樣會帶來弧光接地過電壓、接地電弧消弧困難、接地故障特征微弱等問題[3－4]。小電流接地選線的作用就是在單相接地故障后快速確定故障線路，快速排查故障線路。

目前的選線裝置綜合采用穩(wěn)態(tài)原理、暫態(tài)原理、外加信號原理等不同方法進(jìn)行選線，在理論研究方面已相對成熟[5－7]。然而，現(xiàn)場應(yīng)用情況表明接地選線效果并不好。究其原因，主要是當(dāng)前小電流接地故障選線裝置一直缺乏有效的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)準(zhǔn)則，且不同廠家研制的選線裝置在原理算法、功能結(jié)構(gòu)、安裝、適用環(huán)境等方面也存在顯著差異[8－10]。此外，產(chǎn)品選型時(shí)現(xiàn)場用戶無標(biāo)準(zhǔn)可依，不能把握產(chǎn)品特點(diǎn)，也難以橫向比較測試不同產(chǎn)品的優(yōu)劣，這些均是小電流接地選線應(yīng)用效果不佳的重要因素[11－13]。

因此，開展小電流接地選線裝置的性能測試對于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用具有重要意義?，F(xiàn)有的小電流接地選線測試方法主要有兩類，一是通過仿真形式對選線的算法進(jìn)行測試，實(shí)時(shí)性差且難以做到實(shí)際裝置的硬件在環(huán)測試。第二類是基于小電流選線裝置自身的波形回測，這種方式只適用于現(xiàn)場發(fā)生的故障且有裝置錄波的情況。對于具體的選線裝置而言，在現(xiàn)場發(fā)生測試場景不多，難以全面測試性能的有效性，另外這種方式也不能實(shí)現(xiàn)不同裝置的并行測試和性能比較，存在明顯的局限。

為此，本文選擇基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)搭建配電網(wǎng)小電流接地選線裝置性能測試平臺。RTDS可以完成實(shí)時(shí)仿真以及物理裝置的硬件在環(huán)測試，開展各種運(yùn)行和故障場景的仿真測試，并對不同廠家的小電流接地選線裝置進(jìn)行并行的性能測試。全方位故障場景下的同臺“比武競技”，對不同裝置的性能進(jìn)行評價(jià)，是評價(jià)和比較現(xiàn)有設(shè)備和新設(shè)備選線效果的有效途徑，可為現(xiàn)場小電流選線裝置的試點(diǎn)選型應(yīng)用工作提供有力支撐。

1 基于RTDS的小電流接地選線裝置測試平臺

RTDS是實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(Real Time Digital Simulation System)的簡稱，是一款能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)、閉環(huán)、連續(xù)開展數(shù)字仿真的優(yōu)勢。并且，RTDS可通過輸入輸出板卡和功率放大器裝置，與各類保護(hù)及自動化裝置構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，能夠詳細(xì)地記錄各種裝置動作情況、曲線波形，完成功能測試研究?；赗TDS系統(tǒng)構(gòu)建的小電流接地選線性能測試平臺，主要由RSCAD工作站、計(jì)算中央RACK、輸入輸出板卡、功率放大器以及小電流接地選線裝置等構(gòu)成。RSCAD工作站是實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的用戶接口，負(fù)責(zé)一次系統(tǒng)的圖形化建模。中央RACK負(fù)責(zé)一次系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，通過輸入輸出板卡實(shí)現(xiàn)計(jì)算得到的各電氣量與外部小電流裝置的互聯(lián)。整體基于RTDS的選線裝置測試平臺如圖1所示。

圖1 基于RTDS的選線裝置測試平臺示意圖

當(dāng)在RSCAD工作站的一次系統(tǒng)中模擬產(chǎn)生接地故障后，中央RACK可以實(shí)時(shí)計(jì)算出故障電氣量并輸出母線相電壓、零序電壓和各條線路零序電流等多路信號至功率放大器，功率放大器則參照現(xiàn)場實(shí)際互感器變比情況設(shè)置信號縮放比例，確保功率放大器輸出的母線零序電壓和線路零序電流與實(shí)際二次值大小一致。將功率放大器的輸出信號通過硬接線方式接入小電流接地選線裝置，如此可以實(shí)現(xiàn)小電流選線裝置的硬件在環(huán)測試。

本文測試初步選取四個(gè)不同廠家的小電流選線裝置產(chǎn)品進(jìn)行并行測試(以下簡稱裝置一、裝置二、裝置三和裝置四)。由于各臺選線裝置需要引入的電氣量包括母線三相電壓、零序電壓以及各條饋線的零序電流信息，因此在對各測試裝置進(jìn)行接線時(shí)，采取電壓量并聯(lián)、電流量串聯(lián)的方式，確保所有裝置的選線場景及電氣量完全一致，確保各裝置是在完全相同的故障場景下并行測試并比較其選線性能。小電流接地選線裝置的實(shí)際接線圖如圖2所示。

圖2 小電流接地選線裝置接線圖

2 小電流接地配電網(wǎng)的仿真建模及故障測試場景設(shè)置

2.1 仿真模型

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T872—2016《小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置技術(shù)條件》要求，小電流接地選線裝置在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，應(yīng)能夠準(zhǔn)確選線并顯示接地線路和母線編號，并特別指出在對小電流選線裝置進(jìn)行投運(yùn)前試驗(yàn)時(shí)，要求分別在中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障，同時(shí)對接地性質(zhì)做出要求，包括永久性接地和間歇性弧光接地。

為此，在充分借鑒現(xiàn)場110/10 kV變電站結(jié)構(gòu)、饋線、配電變壓器及負(fù)荷配置的基礎(chǔ)上，遵循設(shè)計(jì)規(guī)范對各設(shè)備進(jìn)行參數(shù)確定及選型，在RSCAD工作站中，搭建一個(gè)典型的10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，其系統(tǒng)如圖3所示。一次配電網(wǎng)系統(tǒng)包括1臺110/10 kV主變壓器，1臺ZigZag型接地變壓器，10 kV側(cè)有5條出線，包括2條架空線路、2條電纜線路、一條電纜－架空線混合線路。需要說明的是，仿真系統(tǒng)模型及規(guī)?？筛鶕?jù)實(shí)際配電網(wǎng)中變電站及其10 kV出線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖3 典型10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型

2.2 仿真線路參數(shù)設(shè)置

對于模型中的架空線與電纜模型，在針對實(shí)際問題的仿真過程中，需要根據(jù)具體的線路型號、排布方式對架空線及電纜模型中的相關(guān)參數(shù)及設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。為便于消弧線圈參數(shù)的定量化設(shè)計(jì)，所有架空線和電纜模型均采Bergeron模型，參數(shù)則參考現(xiàn)有文獻(xiàn)研究中常用的典型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見表1。

表1 線路模型相關(guān)參數(shù)

2.3 故障位置設(shè)置

為了考慮故障位置對選線的影響，在測試時(shí)分別考慮架空線、電纜、電纜－架空線混合線路以及母線故障。對于電纜和架空線而言，考慮的故障位置為線路首端、三分之一位置、三分之二位置以及線路末端。因此，對于架空線路，若其長度為8 km，則故障位置的設(shè)置情況為0 km、2.67 km、5.33 km、8 km四種情況；對于電纜，若其長度為2 km，則故障位置設(shè)置為0 km、0.67 km、1.33 km、2 km處四種情況。而對于混合線路而言，考慮的故障位置為電纜首端、電纜中點(diǎn)、線纜連接點(diǎn)、架空線中點(diǎn)以及架空線末端，如對于2 km電纜和8 km架空線的混合線路，本次考慮故障點(diǎn)位置設(shè)置為0 km、1 km、2 km、6 km、10 km處五種情況。

2.4 接地故障模塊設(shè)置

考慮到高阻接地故障對選線準(zhǔn)確性的影響較大，因此，在故障模塊電阻的設(shè)定方面，在高阻區(qū)的電阻間隔設(shè)置區(qū)間更細(xì)，設(shè)置測試的過渡電阻情況主要考慮為3 000Ω、2 800Ω、2 600Ω、2 400Ω、2 200Ω、2 000Ω、1 000Ω、500Ω、0.1Ω共九種情況。

此外，考慮到故障合閘角對選線的影響，測試設(shè)置合閘角為0°、30°、60°、90°，對選線裝置進(jìn)行測試。由于系統(tǒng)電壓頻率為50 Hz，每個(gè)周波對應(yīng)為20 ms，因此，在RSCAD模型中通過電壓過零點(diǎn)精準(zhǔn)檢測的方式，在過零點(diǎn)之后延遲固定的時(shí)間控制故障發(fā)生，從而模擬對應(yīng)控制故障合閘角。如對于90°故障合閘，則在故障相電壓過零點(diǎn)后延遲5 ms觸發(fā)故障即可。

2.5 故障電弧模塊

根據(jù)測試要求，模型應(yīng)可設(shè)置為永久性故障或弧光接地故障。在RSCAD系統(tǒng)中自帶有典型的Cassie和Mayr電弧模型，但是仿真測試表明系統(tǒng)自帶的電弧故障模型難以仿真出小電流接地系統(tǒng)的弧光接地的熄弧特征。因此，參考文獻(xiàn)[14]關(guān)于“控制論”電弧模型，采取可變電阻受控元件構(gòu)建自定義電弧模塊。其電弧電導(dǎo)的非線性可控制模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中，g為瞬時(shí)電弧電導(dǎo)，Gs為穩(wěn)態(tài)的電弧電導(dǎo)，τs為電弧時(shí)間常數(shù)。Vs0為單位弧長壓降，一般取75 V/cm，ih為瞬時(shí)電弧電流，l為電弧的間隙長度。β為常量系數(shù)，一般取7.5×10－6，Is為電弧電流幅值，近似等于金屬性接地故障穩(wěn)態(tài)電流幅值。經(jīng)仿真測試，電弧電導(dǎo)和電弧電流主要受電弧長度的影響較為顯著，設(shè)置電弧長度分別為30 cm、75 cm、120 cm三種情況進(jìn)行仿真測試。

2.6 消弧線圈設(shè)置

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，一般選擇消弧線圈為過補(bǔ)償方式來補(bǔ)償系統(tǒng)的對地電容電流，補(bǔ)償度一般為10%左右，即補(bǔ)償后的金屬性接地故障電流為補(bǔ)償前故障電流的10%，且補(bǔ)償后故障電流為感性電流。為測試不同補(bǔ)償度對小電流接地選線的影響，選擇消弧線圈的過補(bǔ)償度為＋5%和＋10%。

理論上，當(dāng)消弧線圈電流完全補(bǔ)償系統(tǒng)的對地電容電流時(shí)，接地點(diǎn)的故障電流近似為0，此時(shí)應(yīng)滿足:

式中，L為消弧線圈電感；CΣ為系統(tǒng)三相對地電容。根據(jù)系統(tǒng)電纜以及架空線路的參數(shù)，可以求得CΣ＝2.661×10－6F，因此為實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償應(yīng)有L＝1.27 H，而當(dāng)過補(bǔ)償度為5%對應(yīng)的電感值為1.209 5 H，過補(bǔ)償度為10%對應(yīng)的電感值為1.154 5 H。

3 四種選線裝置的測試結(jié)果及分析

基于前述RTDS的小電流接地平臺，對四個(gè)不同廠家的小電流接地選線裝置進(jìn)行性能測試，根據(jù)測試的故障場景可以分成4類，分別為:中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)永久性故障、經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)永久性故障、不接地系統(tǒng)弧光接地故障以及經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)弧光接地故障(以下分別計(jì)為類型一、類型二、類型三、類型四)。在上述4類故障場景下，采用“控制變量法”針對故障發(fā)生位置、故障合閘角、過渡電阻、補(bǔ)償度、電弧長度5個(gè)因素進(jìn)行多場景的并行仿真測試，結(jié)果如下。

3.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)永久性故障情況

該種情況下的總測試場景數(shù)為378次。裝置一在測試中有32次未進(jìn)行選線，其余選相選線結(jié)果均正確，未進(jìn)行選線的場合均為高過渡電阻情況。裝置二在測試中，1次未進(jìn)行選線(該情況為線路一在首端發(fā)生故障，合閘角為0°，過渡電阻為3 000Ω)；257次選線正確而選相錯(cuò)誤，其選對相大部分集中發(fā)生在過渡電阻很小(500Ω以及0.1Ω)。裝置三在測試中，選線均正確，有6次選相錯(cuò)誤；選相錯(cuò)誤場景為混合線路發(fā)生故障，過渡電阻為1 000Ω。裝置四在測試中，3次選線錯(cuò)誤，33次選相錯(cuò)誤；選線錯(cuò)誤均發(fā)生在母線故障情況，選相錯(cuò)誤發(fā)生的場合比較分散。

3.2 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)永久性故障情況

該種情況下的總測試場景數(shù)為672次。裝置一在測試中有2次選線錯(cuò)誤，其余選相選線結(jié)果均正確，未進(jìn)行選線的場合為過渡電阻3 000Ω。裝置二在測試中10次未進(jìn)行選線(均發(fā)生在混合線路發(fā)生故障的場合)；225次選線正確而選相錯(cuò)誤，其選對相大部分集中發(fā)生在過渡電阻很小的情況。裝置三在測試中選線錯(cuò)誤或未選情況共有18次，均發(fā)生在母線故障情況；選相錯(cuò)誤次數(shù)為38次，均為高過渡電阻場合。裝置四在測試中67次選線錯(cuò)誤，只有架空線路發(fā)生故障時(shí)無選線錯(cuò)誤情況；395次選相錯(cuò)誤，發(fā)生的場合比較分散。

3.3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)弧光接地故障情況

該種情況下的總測試場景數(shù)為126次。裝置一在測試中選線無錯(cuò)誤；27次選相錯(cuò)誤，選相錯(cuò)誤的場合為間隙長度120 cm。裝置二在測試中選線均正確；30次選線正確而選相錯(cuò)誤，發(fā)生在間隙長度為120 cm的場合。裝置三在測試中選線均正確；選相錯(cuò)誤次數(shù)為29次，均在間隙長度為120 cm場合。裝置四在測試中選線均正確，24次選相錯(cuò)誤，均在間隙長度為120 cm場合。

3.4 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)弧光接地故障情況

該種情況下的總測試場景數(shù)為216次。裝置一在測試中有2次選線錯(cuò)誤；12次選線正確選相錯(cuò)誤；選相錯(cuò)誤的場合為間隙長度120 cm。裝置二在測試中有2次選線錯(cuò)誤；16次選線正確選相錯(cuò)誤，發(fā)生在間隙長度為120 cm的場合。裝置三在測試中有96次選線錯(cuò)誤(顯示不穩(wěn)定)，發(fā)生在間隙長度較長場合(75 cm或120 cm)；選線正確選相錯(cuò)誤次數(shù)為0次。裝置四在測試中有4次選線錯(cuò)誤；37次選線正確選相錯(cuò)誤，大多在間隙長度為120 cm場合。

3.5 小電流接地選線裝置動作情況分析

對4臺小電流選線裝置1 392次的并行測試結(jié)果進(jìn)行綜合分析和對比，比較結(jié)果詳見表2，表中用選線率和選相率指代各裝置的選線正確率和選相正確率。

表2 4臺小電流選線裝置的測試結(jié)果對比 %

通過上述1 392次故障場景的測試結(jié)果對比，可以得到:裝置一設(shè)備性能整體較為穩(wěn)定，選線正確率較高，且能選對線的情況大部分能夠選對故障相，裝置沒有明顯的短板，僅有不接地方式常規(guī)故障的帶過渡電阻能力稍顯不足。裝置二設(shè)備整體選線正確率最高，但是對大部分場景選相準(zhǔn)確率較低(基本僅在低于1 000Ω小電阻情況能選對故障相)。裝置三設(shè)備整體的選線正確率最低，但在系統(tǒng)不接地方式下選線正確率較高，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中的選線能力相對一般，對于消弧線圈接地系統(tǒng)的電弧故障選相準(zhǔn)確率低。裝置四設(shè)備中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)選線準(zhǔn)確性高，但消弧線圈接地方式下準(zhǔn)確率相對較低，特別是對于電弧故障情況會出現(xiàn)選線不穩(wěn)定的情況。

3.6 不同因素對選線裝置動作情況的影響

3.6.1 故障發(fā)生位置

測試中故障位置對選線裝置的選線準(zhǔn)確率影響不明顯。理論上故障點(diǎn)距離線路首段越遠(yuǎn)，故障線路上的壓降越大，故障特征越不明顯。但在本次測試中，由于線路上產(chǎn)生的損耗相對系統(tǒng)電壓較小，故障發(fā)生位置并不能很顯著地影響選線裝置。

3.6.2 故障合閘角

仿真測試也表明，合閘角越高，選線裝置的準(zhǔn)確性越高。這是因?yàn)楣收虾祥l角越接近90°，故障產(chǎn)生的特征量越明顯，對選線裝置的選線準(zhǔn)確率的提高有積極作用。

3.6.3 過渡電阻

在永久性故障中，過渡電阻對裝置選線準(zhǔn)確率的影響最大，在過渡電阻較大的情況下，4臺裝置均出現(xiàn)不同程度的選線準(zhǔn)確率降低。其中裝置一的選線準(zhǔn)確率降低幅度最大，在高過渡電阻情況下，裝置一設(shè)備會出現(xiàn)裝置無法選線的情況。

3.6.4 消弧線圈補(bǔ)償度

在消弧線圈接地系統(tǒng)中，補(bǔ)償度不同影響穩(wěn)態(tài)故障電流的大小，對于暫態(tài)選線方法影響較小。因此在仿真測試中，消弧線圈補(bǔ)償度的改變對不同設(shè)備的影響程度不同。補(bǔ)償度大時(shí)，裝置二設(shè)備的選相正確率低；其他設(shè)備因補(bǔ)償度發(fā)生的選線、選相準(zhǔn)確率改變并不明顯。

3.6.5 電弧長度

對于電弧故障，電弧長度越長時(shí)，電弧阻值越大、產(chǎn)生的電弧故障特征越不穩(wěn)定，選線裝置也越難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確選線。在電弧長度較長時(shí)，4臺選線裝置的選線準(zhǔn)確率均會不同程度地降低。

4 結(jié)語

基于RTDS系統(tǒng)搭建配電網(wǎng)小電流接地模型和測試平臺，針對中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，考慮故障位置、故障合閘角、故障類型、過渡電阻以及補(bǔ)償度等因素對裝置選線的影響進(jìn)行仿真，并對4個(gè)不同廠家的選線裝置進(jìn)行選線性能測試，得出了4臺設(shè)備各自的特點(diǎn)及其性能評價(jià)結(jié)果，為實(shí)際現(xiàn)場中配電網(wǎng)小電流接地選線設(shè)備的選型提供了重要的參考依據(jù)。

下一步的研究重點(diǎn)是收集現(xiàn)場實(shí)際發(fā)生的故障錄波數(shù)據(jù)，并基于RTDS平臺的錄波回放功能對裝置進(jìn)行測試，通過數(shù)字仿真與錄波相結(jié)合的方式完善小電流接地選線測試體系。