基于RTDS的配電網單相接地選線方法驗證

張建偉 張 然 龔棟梁 楊 芳

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基于RTDS的配電網單相接地選線方法驗證

張建偉 張 然 龔棟梁 楊 芳

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 210061）

針對配電網單相接地選線方法缺乏系統驗證的現況，本文闡述了基于RTDS實時仿真平臺的試驗研究方法。在RTDS中依據配電網實際數據建立仿真模型，模擬典型的單相接地故障并將仿真系統的模擬信號輸出，通過自動化裝置構成系統性的閉環試驗環境。改進了群體比幅比相法的3C方案，對選線方案中故障分量較小的“時針效應”，改進了測量算法和判線邏輯兩個方面，有效提高了小信號的測量精度和故障判斷冗余性。實驗對架空出線金屬性單相接地、電纜出線經過渡電阻單相接地這兩種故障進行了模擬試驗。測試結果表明，此試驗方法切實可行，驗證了選線方法的準確性和實用性。

配電網；接地選線；RTDS；群體比幅比相；3C；時針效應

配電網單相接地選線一直是影響我國配電網運行可靠性與經濟性的實際問題，現行的選線方法實用性能有待提高。本文通過建立試驗環境，對選線方法進行了全面客觀的驗證，為相關理論研究和性能提升提供了分析和支撐。

本文依據配電網中性點不接地系統實際數據搭建仿真模型，基于RTDS仿真環境模擬各類典型的接地故障，并測試分析改進后的選線方法，為選線方法的實際應用提供可靠性分析。

1 RTDS配電網模型設計

1.1 RTDS簡介

RTDS的全稱是實時數字仿真儀（real time digital simulator），是專門用于研究電力系統中電磁暫態現象的裝置。RTDS由RSCAD程序、數據工作站、RACK接口等組成，可實時地模擬電力系統的電磁暫態和機電暫態現象。仿真步長通常為50～80ms。因為RTDS可以連續運行，所以控制保護設備連接到RTDS進行閉環試驗，就可以分析和研究控制保護設備的性能。

RTDS可應用于實時仿真大型交直流混合電力系統，因此得到廣泛應用[1]。

1.2 配電網模型設計

配電網仿真試驗模型設計為10kV電壓等級，中性點不接地。為了保證試驗的全面性和可信度，出線采用架空線路與電纜線路的混合類型[2]。

配電網模型結構如圖1所示。

圖1 配電網系統模型結構圖

模型設計說明如下：

1）系統結構圖采用單相線路代表三相線路，系統空載運行。

2）主變參數：110kV/10.5kV，40MVA。

3）出線結構：架空與電纜混合線路，其中4條架空線路（線路1、線路2、線路3、線路4），2條電纜線路（線路5、線路6）。

4）線路參數：依據實際配電網出線參數設置，具體參數見表1。

表1 線路詳細參數

1.3 RTDS仿真驗證系統結構

為驗證配電網單相接地選線方法，需要進行針對性的配置RTDS仿真系統，該系統主要由4個部分構成：RACK、RTDS工作站、選線自動化裝置、功率放大器。系統結構如圖2所示。

圖2 RTDS仿真系統結構圖

RTDS工作站是通過運行RSCAD軟件完成建模計算、系統控制、數據分析等專業領域的高性能計算機。RSCAD軟件采用模塊化設計，由圖形用戶界面、編譯程序、元件模型庫三部分組成。RTDS工作站建立的仿真配電網可視作實際一次配電系統。當仿真配電網運行進入穩態后，母線電壓、線路電流可以反映實際電力系統運行的真實狀況[3]。

仿真模型的RACK主要與工作站的數據交換通過局域網實現。仿真系統模擬量通過3PC卡中的DAC通道輸出，每一塊3PC卡有24個DAC通道。

RACK輸出的交流模擬信號幅值范圍僅為-10～ +10V，因此需要配置功率放大器，使輸出的交流模擬量趨近于電力系統的實際運行狀態[4]。

選線自動化裝置采用嵌入式硬件平臺開發，集成接地選線算法，能夠實時采集RTDS輸出的模擬量并完成分析判斷。當仿真系統模擬單相接地故障時，該裝置可以依據選線算法進行故障判別，達到驗證選線算法準確性、選線裝置實用性的目標[5]。

2 中性點不接地系統選線方法改進

針對中性點不接地系統的選線方法，目前常見的有比幅法、比相法、群體比幅比相法、小波法等。從選線方法的準確性、實用性和應用范圍等方向考慮，選擇群體比幅比相法進行深入分析。因為該方法綜合利用幅值和相位的故障特征，可以對所有出線的零序電流進行幅值和相位的比較，出現幅值最大且相位相反的，即為故障線路。但是，若故障電流較小，則采用此方法測量出的相位誤差較大，裝置也會出現誤選的情況。

行業內有許多已實現的技術方案，包括3C、2C1V、2C、1C1V、1C等選線方案[6]。這類方案結合現場裝置應用情況，特別是以零序電壓作為參考時，要求電壓互感器（PT）與電流互感器（CT）的同名端一致。本文著重對3C方案進行分析，并且通過比較全部線路零序電流的最大值與電流零門檻設定值，有效提高對非單相接地故障造成母線零序電壓抬高的識別功能，減少保護裝置誤動作[7]。

改進后的選線方法流程如圖3所示。

圖3 選線流程圖

1）通過信號處理方法和濾波技術，抑制外部干擾，提高信號測量精度，保證特征量提取精確度。

2）邏輯選線判斷時，若相位結果不能滿足嚴格的相位條件，就需要結合幅值進行綜合判斷，保證判斷的冗余性和結果的準確性。

因此，改進上述問題可降低因故障分量較小而產生的“時針效應”對保護裝置準確性的影響[8]。

3 RTDS實驗數據及分析

3.1 架空出線金屬性單相接地

選用模型中出線2進行實驗，出線2的A相首端發生金屬性單相接地故障，實驗波形如圖4所示，實驗數據見表2。

表2 實驗數據

根據實驗數據做出各條線路零序電流的向量圖如圖5所示。

圖4 出線2金屬性接地，各出線零序電流波形

圖5 出線2金屬性接地，各出線零序電流向量圖

根據實驗所得數據分析，針對架空出線金屬性單相接地故障，故障線路2的零序電流測量值為6條線路中最大值，相位落在第一象限，明顯與其他線路相反。同時，對最短的線路3和線路4的零序電流相位測量也非常精確，可以準確地實現選線[9]。而表2中裝置測量幅值與RTDS仿真值數據之間存在一定的誤差，導致該誤差的原因主要有以下兩點：

1）RTDS系統的功率放大器的處理誤差及測量誤差。

2）數據選取點不同，仿真值數據為一次值，裝置采樣輸入為CT二次值，CT變比造成誤差[10]。

3.2 電纜出線經過渡電阻單相接地

選用模型中的出線5進行實驗，出線5的A相末端經300W過渡電阻接地，實驗波形如圖6所示，實驗數據見表3。

圖6 出線5經電阻接地，各出線零序電流波形

表3 實驗數據

各條線路的零序電流向量圖如圖7所示。

圖7 出線5經電阻接地，各出線零序電流向量圖

通過表3的實驗數據和圖7的零序電流向量可以分析得出結論，對于電纜線路經電阻單相接地故障，采用改進后的選線原理，保護裝置可以精確測量零序電流幅值和相位，從而更加準確地實現選線，實現優化選線算法的要求。

4 結論

本文基于在RTDS仿真平臺上搭建配電網模型與實際選線自動化裝置構成仿真驗證系統，從而針對不同類型的出線，模擬出不同類型的單相接地故障。試驗結果表明，仿真驗證系統能夠真實地模擬配電網的各類單相接地故障，且改進后的選線方法測量精度更高，準確率得到有效提升，能夠滿足項目實際應用的要求。

[1] 歐開健. 基于并行計算機/RTDS的混合實時仿對稱故障接口交互與實現[J]. 電工技術學報, 2016, 31(23): 77-85.

[2] 齊鄭, 楊以涵. 中性點非有效接地系統單相接地選線技術分析[J]. 電力系統自動化, 2004, 28(14): 1-5.

[3] DL/T 872—2004. 小接地電流系統單相接地保護裝置[S]. 中國電力出版社, 2004.

[4] 郝玉山, 等. MLN系列小電流接地位及選線裝置動作原理分析[J]. 電力情報, 1994(2): 7-10.

[5] 張承學, 丁濤, 黃濤, 等. 基于RTDS仿真測試的配網單相接地故障選線系統優化[J]. 低壓電器, 2009(11): 40-43, 47.

[6] 張雙平, 張漢雄. 小電流接地系統單相接地故障選線方法綜述[J]. 安徽電力, 2010, 27(2): 75-79.

[7] 王成楷, 洪志章. 基于線電壓判據的配電網單相斷線故障定位方法[J]. 電氣技術, 2017, 18(5): 51-57.

[8] 李剛, 周潔瓊, 代征, 等. 基于故障指示器的10kV系統單相接地故障選線及實驗[J]. 電氣技術, 2015, 16(11): 114-117, 121.

[9] 王波. 基于PSCAD與RTDS的配電網小電流接地故障仿真結果分析[J]. 電氣技術, 2014, 15(8): 7-10.

[10] 賈清泉. 基于參數辨識的消弧線圈接地電網單相接地故障測[J]. 電工技術學報, 2016, 31(23): 77-85.

The verification based on RTDS of fault line selection method for distribution power system

Zhang Jianwei Zhang Ran Gong Dongliang Yang Fang

(NARI Technology Development Co., Ltd, Nanjing 210061)

The current situation of system verification for the single-phase grounding of distribution network is lacking, it puts forward a test and research method based on RTDS. A systemic closed-loop experimental enviroment consists of simulation models and automatic equipment, and the simulation models are built on the actual data of RTDS. This paper improves the 3C scheme of amplitude and phase comparison and the " hour hand effect" when the fault component is small in the line selection scheme, and improves the measurement precision and the measurement precision of the small signal Redundancy of fault judgment. Two kinds of faults, single-phase grounding and cable-out of single-phase earthing are studied. Through many types of tests, the test methods are proved feasible, and the algorithm of fault line selection are also proved exact and practical.

distribute power system; fault line selection; RTDS; amplitude and phase comparison; 3C; hour hand effect

2018-03-16

張建偉（1985-），男，山東省濰坊市人，碩士研究生，主要從事配電網技術以及電動汽車充放電技術研究工作。