配電線路單點(diǎn)斷線故障模擬系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

由鵬琨

（東方電子股份有限公司，山東煙臺(tái)264000）

0 引言

配電網(wǎng)架空絕緣導(dǎo)線的推廣應(yīng)用降低了架空線短路故障發(fā)生的概率，提升了線路的使用壽命，與此同時(shí)也導(dǎo)致了斷線概率的增加。架空線發(fā)生斷線故障給安全穩(wěn)定供電造成較大危害，同時(shí)斷線下垂易引發(fā)人畜觸電事故，造成不良社會(huì)影響，線路斷線已成為配電網(wǎng)的一個(gè)重要的故障類(lèi)型[1-5]。

線路發(fā)生斷線故障后，饋線終端裝置能夠準(zhǔn)確、快速地完成斷線故障識(shí)別及區(qū)間定位，才能確保供電公司快速、高效地解決斷線故障。由于之前現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷線故障關(guān)注度不高，并且線路斷線故障特征不明顯，目前缺乏行之有效的斷線及墜地故障特征識(shí)別原理，隨著供電部門(mén)對(duì)斷線故障重視度的提高，各科研院所及繼電保護(hù)設(shè)備制造商開(kāi)始深入研究斷線故障的識(shí)別[6-10]。

架空線斷線故障類(lèi)型是多樣的，如斷線后電源側(cè)不接地且負(fù)荷側(cè)不接地、斷線后電源側(cè)接地而負(fù)荷側(cè)不接地、斷線后電源側(cè)不接地而負(fù)荷側(cè)接地、斷線后電源側(cè)接地且負(fù)荷側(cè)接地。各種斷線故障工況的準(zhǔn)確模擬，能夠?yàn)轲伨€終端裝置提供良好的調(diào)試環(huán)境，促進(jìn)各種斷線故障特征值的識(shí)別及提取。

文中設(shè)計(jì)了架空線單點(diǎn)斷線故障模擬的控制邏輯，在電力系統(tǒng)仿真軟件中進(jìn)行了一次系統(tǒng)建模及二次控制邏輯搭建，并設(shè)計(jì)仿真算例對(duì)控制邏輯的正確性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 斷線故障模擬系統(tǒng)

斷線故障模擬裝置串聯(lián)接入輸電線路中，模擬線路發(fā)生單相斷線故障及斷線后墜地故障。如圖1所示，斷線故障模擬裝置由斷線故障模擬單元和斷線故障控制單元組成。以斷線故障模擬單元（A相）為例，由斷線開(kāi)關(guān)（BrkDXA）、電源側(cè)墜地開(kāi)關(guān)（BrkGLA）、負(fù)荷側(cè)墜地開(kāi)關(guān)（BrkGRA）、電源側(cè)墜地電阻（RgLA）、負(fù)荷側(cè)墜地電阻（RgRA）組成。斷線開(kāi)關(guān)（BrkDXA）閉合即為線路非斷線狀態(tài)，負(fù)荷電流穿越BrkDXA開(kāi)關(guān)；斷開(kāi)BrkDXA開(kāi)關(guān)打開(kāi)即為線路斷線故障狀態(tài)，負(fù)荷電流消失。分別投入BrkGLA或BrkGRA，模擬電源側(cè)或負(fù)荷側(cè)線路墜地故障，RgLA或RgRA用于線路墜地電阻值的模擬。

圖1 斷線故障模擬原理圖

斷線模擬控制單元通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，能夠便捷、高效地開(kāi)展斷線故障模擬工作。斷線模擬控制單元由初始化配置、觸發(fā)控制邏輯運(yùn)算和觸發(fā)控制字編碼3個(gè)模塊組成，通過(guò)發(fā)出一組觸發(fā)控制字（CtrlWord_DX）驅(qū)動(dòng)斷線模擬單元中的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)斷線故障的全工況模擬。觸發(fā)控制字由Bit0～Bit8共9個(gè)位組成，位與控制開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2 控制單元設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)架空線路某一相發(fā)生斷線故障后，體現(xiàn)形式包括：某一相架空線路發(fā)生物理性斷開(kāi)，隨后斷線線路的電源端和負(fù)荷端相繼發(fā)生墜地或懸空狀態(tài)。斷線故障控制單元采用模塊化設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)斷線故障模擬的簡(jiǎn)化配置、順序發(fā)生。斷線故障模擬控制單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括初始化配置模塊、觸發(fā)控制邏輯運(yùn)算模塊、觸發(fā)控制字編碼模塊。

圖2 斷線故障控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

初始化配置模塊主要進(jìn)行斷線故障關(guān)鍵特征的配置及斷線觸發(fā)。斷線故障的關(guān)鍵特征包括：斷線故障類(lèi)型、斷線故障相、斷線時(shí)間及斷線墜地時(shí)間。斷線故障類(lèi)型和斷線相的選擇配置通過(guò)檔位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)控制邏輯運(yùn)算模塊依據(jù)初始化配置模塊的配置輸出，進(jìn)行斷線觸發(fā)控制子元素的生成。斷線觸發(fā)控制字（CtrlWord_DX）由3個(gè)子元素組成：斷線相控制字單元（Bits_DXPha）、電源側(cè)墜地相控制字單元（Bits_SgPh）、負(fù)荷側(cè)墜地相控制字單元（Bits_LgPh）。觸發(fā)控制字編碼模塊接收觸發(fā)控制邏輯運(yùn)算模塊輸出的3個(gè)控制字單元，進(jìn)行集成編碼生成斷線故障控制字（CtrlWord_DX）。圖2所中各變量的含義見(jiàn)表1。

表1 變量釋義

3 仿真算例

在電力系統(tǒng)仿真軟件中搭建斷線故障控制系統(tǒng)邏輯，分別設(shè)計(jì)2個(gè)典型仿真算例，觀測(cè)關(guān)鍵變量進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證。斷線故障類(lèi)型（Val_DXTyp）取值范圍為1～4，分別對(duì)應(yīng)“斷線后雙端不墜地”、“斷線后電源側(cè)墜地”、“斷線后負(fù)荷側(cè)墜地”及“斷線后雙端墜地”。斷線相（Val_Pha）取值范圍為1～3，分別對(duì)應(yīng)“A相斷線”、“B相斷線”、“C相斷線”。仿真算例1模擬A相斷線且斷線后電源側(cè)線路墜地故障，圖3（a）為對(duì)應(yīng)的仿真錄波圖，表2為關(guān)鍵變量理論數(shù)值；仿真算例2模擬C相斷線且斷線后電源端和負(fù)荷端墜地故障，圖3（b）為對(duì)應(yīng)的仿真錄波圖，關(guān)鍵變量理論數(shù)值不再贅述。

表2 仿真算例關(guān)鍵變量數(shù)值

仿真算例1的斷線故障模擬配置為“A相斷線且斷線后電源側(cè)墜地故障”。分析圖3（a）得知，初始化模塊中的Val_DXTpy=2，Val_DXPha=1，符合斷線故障模擬的理論值。斷線故障觸發(fā)前后，Bits_LgPh的數(shù)值為0且保持不變，斷線故障觸發(fā)后，Bits_DXPha數(shù)值由7跳變?yōu)?，Bits_SgPh數(shù)值相繼由0跳變?yōu)?，CtrlWord_DX的Bit0～Bit8位與理論值相匹配，斷線故障模擬成功。

圖3 仿真算例錄波圖

仿真算例2的斷線故障模擬配置為“C相斷線且斷線后電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)墜地故障”。分析圖3（b）得知，初始化模塊中的Val_DXTpy=3，Val_DXPha=4，符合斷線故障模擬的理論值。斷線故障觸發(fā)后，Bits_DXPha數(shù)值由7跳變?yōu)?，Bits_SgPha和Bits_LgPha數(shù)值相繼由0跳變?yōu)?，CtrlWord_DX的Bit0～Bit8位與理論值相匹配，斷線故障模擬成功。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)斷線故障模擬裝置的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)線路斷線故障的全工況模擬，為繼電保護(hù)裝置開(kāi)展斷線故障識(shí)別提供調(diào)試環(huán)境。設(shè)計(jì)了分相斷線故障模擬單元，并開(kāi)發(fā)了斷線模擬控制單元，通過(guò)簡(jiǎn)單配置斷線故障類(lèi)型及特征，即可實(shí)現(xiàn)斷線故障的順序模擬。通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案是有效可行的，能夠?yàn)槔^電保護(hù)裝置的斷線故障識(shí)別提供調(diào)試環(huán)境。