一種基于RTDS的消弧選線裝置的試驗研究

楊 佳，韋芬卿，付 磊，于躍海

(國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 210061)

當前對配電網(wǎng)中消弧選線裝置的出廠調(diào)試測試手段比較落后，試驗項目比較單一，較難反映出消弧選線裝置在實際運行配網(wǎng)中的工作情況。利用RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)建立一個配電網(wǎng)經(jīng)消弧線圈接地的仿真系統(tǒng)，對消弧選線裝置進行各項功能的閉環(huán)測試，為該類裝置的測試提供一種新方法。

RTDS全稱為實時數(shù)字仿真儀 （Real Time Digital Simulator）[1]，是一種專門設計用于研究電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)現(xiàn)象的裝置。根據(jù)自動跟蹤補償消弧線圈成套裝置技術條件[2]中所要求的試驗方法和要求在RTDS中搭建仿真模型。由于RTDS能夠?qū)崟r連續(xù)運行，消弧與選線裝置就可以連接到RTDS，進行閉環(huán)試驗以測試設備的各種功能。

1 選線裝置簡介

小電流接地系統(tǒng)，一般采用中性點不接地和經(jīng)消弧線圈接地兩種接地方式。隨著配電網(wǎng)規(guī)模日漸擴大，系統(tǒng)對地電容電流急劇增加，容易產(chǎn)生間隙弧光過電壓。而經(jīng)消弧線圈的接地方式由于可靠性、安全性、經(jīng)濟性等方面的優(yōu)點，已逐漸獲得認可和應用。與此同時，我國配電網(wǎng)運行過程中單相接地故障多發(fā)，若不采取有效措施，極易造成相間短路，使事故擴大，影響供電質(zhì)量。所以小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線不僅是提高電力系統(tǒng)自動化水平的問題，也是一個關系到系統(tǒng)運行方式的問題，對保障系統(tǒng)的安全運行有著十分重要的意義。

為提高配電網(wǎng)運行的可靠性，消弧線圈自動跟蹤補償與接地選線系統(tǒng)，以中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的電力系統(tǒng)作為應用研究對象，采用 “消弧+選線”的設計思路，實現(xiàn)消弧線圈的自動控制。該系統(tǒng)能夠自動控制消弧線圈的工作狀態(tài)，并且在實現(xiàn)消弧線圈自動跟蹤補償功能的同時，有效地解決了小電流接地選線的問題，減小故障點的接地電流，達到了保障電網(wǎng)安全運行和提高電網(wǎng)自動化水平的目的。同時，選線裝置與控制裝置相配合，成功解決了消弧線圈對傳統(tǒng)單相接地選線技術影響的難題，有效提高了選線的成功率。

2 試驗方案

2.1 試驗建模

根據(jù)配電網(wǎng)的運行特點，建立了經(jīng)消弧線圈接地的10kV配網(wǎng)典型模型[2-4]。如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)一次示意圖

圖1中所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中單相線路均表示三相線路，系統(tǒng)空載運行。主變?yōu)?10kV/10kV的降壓變壓器，容量為6.3 MV·A，Y/△聯(lián)接。接地變參數(shù)：容量為450kV·A；零序阻抗為3.15 Ω。該系統(tǒng)中共模擬6條線路，其中3條架空線路分別是：線路1，20 km；線路 2，10 km；線路 3，5 km。 選取 LGJ-70導線（幾何均距為2.5 m）。3條電纜線路分別是：線路 4，15 km；線路 5，10 km；線路 6，5 km。 選取截面為70 mm2的銅心三芯電纜。系統(tǒng)的接地阻尼電阻設為20 Ω。當系統(tǒng)正常運行時，該電阻與消弧線圈串聯(lián)工作，任一條線路發(fā)生故障時，該電阻短接。由于RTDS中的三相線路模型三相參數(shù)完全相同，不存在不平衡電壓的問題，為了模擬實際電網(wǎng)中母線不平衡的量就需要加入不平衡電容，在10kV母線的兩相中并聯(lián)接入不同μF的對地電容。一次電流互感器（TA）變比和一次電壓互感器（TV）變比均可設置成與實際物理裝置相同。

實際調(diào)匝式消弧線圈一般設計為9～25檔，本次實驗消弧線圈容量為400kV·A；檔位選為15檔，對應電感值為0.378～0.589 H，步進電流為2.5 A。調(diào)匝式消弧線圈在RTDS中采用自定義“實時可調(diào)電感”模型模擬。此模型在RTDS實時仿真開始后，電感值可實時變化，最初用于模擬電力機車運行的供電牽引網(wǎng)，L0為總電感值，Lx為可控電感值占總電感值的比例。Lx可以通過RSCAD軟件中的控制模塊進行輸入。模型中，L0設為1 H，Lx的值可實時調(diào)節(jié)。根據(jù)消弧線圈不同檔位電感值，在仿真系統(tǒng)中建立“檔位—電感值”對應關系表，首先可在仿真開始前設置一個消弧線圈的初始檔位，Lx設成該初始檔位的電感值。仿真開始后根據(jù)系統(tǒng)的運行工況，外接消弧選線裝置的發(fā)出“上調(diào)檔位”、“下調(diào)檔位”的DI脈沖信號，根據(jù)調(diào)整脈沖信號實時地將消弧線圈檔位“加1”或者“減1”，形成新的檔位信息，從而改變該檔位消弧線圈的所對應電感值Lx。此時系統(tǒng)的運行工況也隨著相應發(fā)生了變化，通過模擬量DA輸出反饋給裝置，裝置的控制策略也隨之調(diào)整，由此實現(xiàn)整個實驗的閉環(huán)控制。其中消弧線圈的每個檔位通過一個對應開關的位置量模擬，15個開關即對應15個檔位。當開關位置為“1”時表示消弧線圈處于該檔位，開關位置為“0”時表示消弧線圈不處于該檔位，這些位置量所表示的檔位信息作為DO數(shù)字量輸出到控制裝置。如圖2所示。

2.2 試驗方法

圖2 消弧線圈控制模型示意圖

根據(jù)以上系統(tǒng)參數(shù)，在RSCAD軟件上建立閉環(huán)測試模型，消弧選線裝置和仿真系統(tǒng)的接線示意圖如圖3所示。RTDS仿真系統(tǒng)將消弧選線裝置所需接入的 6條支路電流的零序電流（TA1，TA2，TA3，TA4，TA5，TA6）、10kV 母線零序電壓 U0，設定一定的輸出比例后，通過RTDS系統(tǒng)中GTAO卡輸出的小模擬信號經(jīng)功率放大器提供給消弧選線裝置。消弧線圈的15個開關位置的檔位信息經(jīng)RTDS系統(tǒng)中GTDO卡后通過開關量轉(zhuǎn)換裝置輸出給裝置。裝置的動作脈沖信號能通過GTDI卡反饋給系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)根據(jù)上調(diào)或者下調(diào)的信號實時改變消弧線圈檔位，從而改變一次系統(tǒng)的運行狀況。在RTDS的RSCAD軟件上能實時監(jiān)控一次系統(tǒng)各模擬量、狀態(tài)量的波形及裝置動作信號的波形。

圖3 裝置與仿真系統(tǒng)接線示意圖

3 試驗項目及結(jié)果分析

根據(jù)以上所示搭建的仿真環(huán)境，以南瑞科技股份有限公司消弧選線裝置NES3000為被試對象。

3.1 電容電流測算實驗

在實際的調(diào)諧測量中，選取最靠近諧振點的多點進行擬合計算，諧振點附近的曲線最接近拋物線曲線，擬合誤差小、測量誤差小，計算精度高。此方法原理簡單可靠，并考慮到了影響電容電流的各種因素，理論誤差??；且此方法便于計算機采樣計算，計算方法簡便易用，避免了復雜運算帶來的計算誤差，適合工程推廣應用；另一方面，自動跟蹤補償消弧線圈裝置一般也采用中性點位移電壓（U0）作為跟蹤補償?shù)奶卣髁?，這也為電容電流測算與調(diào)諧過程的融合創(chuàng)造了條件。

試驗時，通過比較系統(tǒng)在線路全接入、架空線路退出電纜線路接入、某一條線路退出，3種不同運行方式下的電容電流的理論計算值與消弧裝置的測算值，來判斷電容電流測算方法的準確性。試驗時，在不同系統(tǒng)運行工況下裝置電容電流的測算誤差不超過1.5%。

3.2 自動調(diào)諧實驗

為了提高消弧線圈調(diào)諧策略的實用性，增加設備的可靠性及安全性，在考慮現(xiàn)場應用實際的基礎上，把測量和調(diào)諧兩個過程相結(jié)合，實現(xiàn)消弧線圈調(diào)諧過程與電容電流測算過程的并行處理，有效減少了調(diào)檔次數(shù)，提高了設備運行的可靠性，并延長了消弧線圈的使用壽命。試驗時，系統(tǒng)在線路全部接入、部分線路接入不同的運行方式下，通過RTDS仿真消弧線圈模型給出不同的初始檔位，被試裝置調(diào)諧后的最終補償檔位脫諧度均小于±5%。系統(tǒng)線路全接入時，零序電壓U0隨消弧檔位變化的情況，整體變化趨勢類似于開口向下的拋物線，其中11檔時U0最大，離諧振點最近，如圖4所示。

圖4 消弧裝置自動調(diào)諧過程（1～6線路全接入時）

3.3 自動跟蹤實驗

當系統(tǒng)運行方式發(fā)生改變 （如線路進行投切）時，應進行跟蹤調(diào)諧；而當系統(tǒng)發(fā)生擾動時，應確保消弧線圈設備不亂動。試驗中，在系統(tǒng)正常運行的情況下，每條線路進行投切，被試裝置建立了相應的數(shù)學識別模型[5]，當遇到線路投切時，能夠及時、準確地調(diào)節(jié)消弧線圈的檔位至合適的補償位置，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

3.4 驗證消弧線圈補償效果實驗

當檢測到系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈應能夠立即對故障線路實施補償，保障了補償?shù)臅r效性，最大限度地減小故障帶來的影響。與此同時，控制裝置能立刻發(fā)出控制指令短接阻尼電阻，保障阻尼電阻的運行安全，提高消弧線圈補償效果。當故障結(jié)束后，重新對消弧線圈進行調(diào)諧測量，使消弧線圈的補償位置能夠適應新的系統(tǒng)運行狀態(tài)，并且投入阻尼電阻，保障系統(tǒng)的中性點位移電壓位于合適范圍內(nèi)。試驗中，為了驗證消弧線圈補償效果實驗，在每條線路首端、中點、末端分別模擬金屬性單相接地故障、經(jīng)過20 Ω過渡電阻單相接地故障。當系統(tǒng)發(fā)生各種故障時，RTDS仿真系統(tǒng)能模擬阻尼電阻短接，被試裝置均能實現(xiàn)消弧線圈的自動補償功能，實現(xiàn)對故障電流的有效補償。試驗波形如圖5所示。

表1 自動跟蹤試驗

3.5 驗證選線算法的準確性實驗

圖5 線路1首端單相接地故障消弧線圈的補償效果

對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地故障時，在保證系統(tǒng)安全可靠運行的基礎上，通過調(diào)節(jié)消弧線圈的檔位 （上調(diào)一檔或者下調(diào)一檔），使接地點的殘流發(fā)生突變，這個突變電流主要在故障線路中體現(xiàn)出來，因此利用故障線路和非故障線路電流突變特征的差異可以選出故障線路。試驗時，在系統(tǒng)每條線路上的首端、中點、末端分別模擬金屬性單相接地故障、經(jīng)過不同過渡電阻單相接地故障。通過試驗可以證明，該選線裝置能夠與消弧線圈控制協(xié)調(diào)配合，解決了消弧線圈對傳統(tǒng)單相接地選線技術的影響，選線成功率高，如圖6所示。

圖6 線路1、2、4首端單相接地故障調(diào)檔前后零序電流電壓的變化情況

通過以上試驗，被試消弧選線裝置在RTDS仿真系統(tǒng)構(gòu)建的配網(wǎng)環(huán)境下可靠運行，相互配合，準確選線。試驗過程中，裝置實測值與理論測算值十分接近，同時也驗證了RTDS上所建立的仿真系統(tǒng)模型能夠完全適用于消弧選線裝置的試驗。

4 結(jié)束語

為了模擬消弧選線裝置在配網(wǎng)中的實際工況,本文在RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)中首次建立了實時可調(diào)消弧線圈模型，打破了傳統(tǒng)的配電網(wǎng)模擬方法,實現(xiàn)了消弧線圈自動跟蹤補償與接地選線裝置的閉環(huán)試驗。同時，對于NSE3000被試裝置進行了各項試驗，試驗結(jié)果與設計思路吻合，選線裝置基本能夠保證較高的選線成功率，驗證了選線算法的實用性與裝置的可靠性。消弧選線裝置與RTDS仿真系統(tǒng)能夠可靠閉環(huán)運行，相互配合，試驗結(jié)論與理論上一致。因此，利用RTDS所建經(jīng)消弧線圈接地的配網(wǎng)模型是可行、可信的。

[1]葉 林，楊仁剛，楊明皓，等.電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真器RTDS[J].電工技術雜志， 2004(7)：49-52.

[2]DL/T 1057—2007，自動跟蹤補償消弧線圈成套裝置技術條件[S].

[3]張 玲.自動跟蹤補償消弧線圈裝置的應用[J].電力學報，2006，21（2）：172-175.

[4]穆大慶.消弧線圈接地電網(wǎng)中單相接地保護的新原理探討[J].繼電器，2001，06(07):14-19.

[5]陳忠仁，吳維寧，張 勤，等.調(diào)匝式消弧線圈自動調(diào)諧新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（24）：75-78.