基于實時數字仿真系統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

(國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

0 引言

我國中低壓配網普遍采用小電流接地方式[1－2]，當發生單相接地故障時，接地故障電流很小，可在接地故障后維持一段時間的運行。然而，隨著配電網規模的發展，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態原理、暫態原理、外加信號原理等不同方法進行選線，在理論研究方面已相對成熟[5－7]。然而，現場應用情況表明接地選線效果并不好。究其原因，主要是當前小電流接地故障選線裝置一直缺乏有效的行業標準和檢驗準則，且不同廠家研制的選線裝置在原理算法、功能結構、安裝、適用環境等方面也存在顯著差異[8－10]。此外，產品選型時現場用戶無標準可依，不能把握產品特點，也難以橫向比較測試不同產品的優劣，這些均是小電流接地選線應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現場生產應用具有重要意義?，F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行測試，實時性差且難以做到實際裝置的硬件在環測試。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場發生的故障且有裝置錄波的情況。對于具體的選線裝置而言，在現場發生測試場景不多，難以全面測試性能的有效性，另外這種方式也不能實現不同裝置的并行測試和性能比較，存在明顯的局限。

為此，本文選擇基于實時數字仿真系統(RTDS)搭建配電網小電流接地選線裝置性能測試平臺。RTDS可以完成實時仿真以及物理裝置的硬件在環測試，開展各種運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行評價，是評價和比較現有設備和新設備選線效果的有效途徑，可為現場小電流選線裝置的試點選型應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是實時數字仿真系統(Real Time Digital Simulation System)的簡稱，是一款能夠實時進行電力系統暫態仿真的并行計算機系統，具備實時、閉環、連續開展數字仿真的優勢。并且，RTDS可通過輸入輸出板卡和功率放大器裝置，與各類保護及自動化裝置構成閉環系統，能夠詳細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系統構建的小電流接地選線性能測試平臺，主要由RSCAD工作站、計算中央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成。RSCAD工作站是實時仿真系統的用戶接口，負責一次系統的圖形化建模。中央RACK負責一次系統的實時仿真計算，通過輸入輸出板卡實現計算得到的各電氣量與外部小電流裝置的互聯。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

當在RSCAD工作站的一次系統中模擬產生接地故障后，中央RACK可以實時計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場實際互感器變比情況設置信號縮放比例，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，如此可以實現小電流選線裝置的硬件在環測試。

本文測試初步選取四個不同廠家的小電流選線裝置產品進行并行測試(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行接線時，采取電壓量并聯、電流量串聯的方式，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 小電流接地配電網的仿真建模及故障測試場景設置

2.1 仿真模型

根據行業標準DL/T872—2016《小電流接地系統單相接地故障選線裝置技術條件》要求，小電流接地選線裝置在系統發生單相接地時，應能夠準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行投運前試驗時，要求分別在中性點不接地、經消弧線圈接地系統中發生單相接地故障，同時對接地性質做出要求，包括永久性接地和間歇性弧光接地。

為此，在充分借鑒現場110/10 kV變電站結構、饋線、配電變壓器及負荷配置的基礎上，遵循設計規范對各設備進行參數確定及選型，在RSCAD工作站中，搭建一個典型的10 kV配電網系統仿真模型，其系統如圖3所示。一次配電網系統包括1臺110/10 kV主變壓器，1臺ZigZag型接地變壓器，10 kV側有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，仿真系統模型及規?？筛鶕嶋H配電網中變電站及其10 kV出線的拓撲結構及設備參數進行調整。

圖3 典型10 kV配電網系統仿真模型

2.2 仿真線路參數設置

對于模型中的架空線與電纜模型，在針對實際問題的仿真過程中，需要根據具體的線路型號、排布方式對架空線及電纜模型中的相關參數及設置進行調整。為便于消弧線圈參數的定量化設計，所有架空線和電纜模型均采Bergeron模型，參數則參考現有文獻研究中常用的典型參數進行設置，見表1。

表1 線路模型相關參數

2.3 故障位置設置

為了考慮故障位置對選線的影響，在測試時分別考慮架空線、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、線纜連接點、架空線中點以及架空線末端，如對于2 km電纜和8 km架空線的混合線路，本次考慮故障點位置設置為0 km、1 km、2 km、6 km、10 km處五種情況。

2.4 接地故障模塊設置

考慮到高阻接地故障對選線準確性的影響較大，因此，在故障模塊電阻的設定方面，在高阻區的電阻間隔設置區間更細，設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，測試設置合閘角為0°、30°、60°、90°，對選線裝置進行測試。由于系統電壓頻率為50 Hz，每個周波對應為20 ms，因此，在RSCAD模型中通過電壓過零點精準檢測的方式，在過零點之后延遲固定的時間控制故障發生，從而模擬對應控制故障合閘角。如對于90°故障合閘，則在故障相電壓過零點后延遲5 ms觸發故障即可。

2.5 故障電弧模塊

根據測試要求，模型應可設置為永久性故障或弧光接地故障。在RSCAD系統中自帶有典型的Cassie和Mayr電弧模型，但是仿真測試表明系統自帶的電弧故障模型難以仿真出小電流接地系統的弧光接地的熄弧特征。因此，參考文獻[14]關于“控制論”電弧模型，采取可變電阻受控元件構建自定義電弧模塊。其電弧電導的非線性可控制模型的數學表達式為:

式中，g為瞬時電弧電導，Gs為穩態的電弧電導，τs為電弧時間常數。Vs0為單位弧長壓降，一般取75 V/cm，ih為瞬時電弧電流，l為電弧的間隙長度。β為常量系數，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態電流幅值。經仿真測試，電弧電導和電弧電流主要受電弧長度的影響較為顯著，設置電弧長度分別為30 cm、75 cm、120 cm三種情況進行仿真測試。

2.6 消弧線圈設置

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

理論上，當消弧線圈電流完全補償系統的對地電容電流時，接地點的故障電流近似為0，此時應滿足:

式中，L為消弧線圈電感；CΣ為系統三相對地電容。根據系統電纜以及架空線路的參數，可以求得CΣ＝2.661×10－6F，因此為實現完全補償應有L＝1.27 H，而當過補償度為5%對應的電感值為1.209 5 H，過補償度為10%對應的電感值為1.154 5 H。

3 四種選線裝置的測試結果及分析

基于前述RTDS的小電流接地平臺，對四個不同廠家的小電流接地選線裝置進行性能測試，根據測試的故障場景可以分成4類，分別為:中性點不接地系統永久性故障、經消弧線圈接地系統永久性故障、不接地系統弧光接地故障以及經消弧線圈接地系統弧光接地故障(以下分別計為類型一、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”針對故障發生位置、故障合閘角、過渡電阻、補償度、電弧長度5個因素進行多場景的并行仿真測試，結果如下。

3.1 中性點不接地系統永久性故障情況

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

3.2 經消弧線圈接地系統永久性故障情況

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

3.3 中性點不接地系統弧光接地故障情況

該種情況下的總測試場景數為126次。裝置一在測試中選線無錯誤；27次選相錯誤，選相錯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誤，發生在間隙長度為120 cm的場合。裝置三在測試中選線均正確；選相錯誤次數為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次選相錯誤，均在間隙長度為120 cm場合。

3.4 經消弧線圈接地系統弧光接地故障情況

該種情況下的總測試場景數為216次。裝置一在測試中有2次選線錯誤；12次選線正確選相錯誤；選相錯誤的場合為間隙長度120 cm。裝置二在測試中有2次選線錯誤；16次選線正確選相錯誤，發生在間隙長度為120 cm的場合。裝置三在測試中有96次選線錯誤(顯示不穩定)，發生在間隙長度較長場合(75 cm或120 cm)；選線正確選相錯誤次數為0次。裝置四在測試中有4次選線錯誤；37次選線正確選相錯誤，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次的并行測試結果進行綜合分析和對比，比較結果詳見表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果對比 %

通過上述1 392次故障場景的測試結果對比，可以得到:裝置一設備性能整體較為穩定，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故障的帶過渡電阻能力稍顯不足。裝置二設備整體選線正確率最高，但是對大部分場景選相準確率較低(基本僅在低于1 000Ω小電阻情況能選對故障相)。裝置三設備整體的選線正確率最低，但在系統不接地方式下選線正確率較高，在中性點經消弧線圈接地系統中的選線能力相對一般，對于消弧線圈接地系統的電弧故障選相準確率低。裝置四設備中性點不接地系統選線準確性高，但消弧線圈接地方式下準確率相對較低，特別是對于電弧故障情況會出現選線不穩定的情況。

3.6 不同因素對選線裝置動作情況的影響

3.6.1 故障發生位置

測試中故障位置對選線裝置的選線準確率影響不明顯。理論上故障點距離線路首段越遠，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，由于線路上產生的損耗相對系統電壓較小，故障發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，選線裝置的準確性越高。這是因為故障合閘角越接近90°，故障產生的特征量越明顯，對選線裝置的選線準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臺裝置均出現不同程度的選線準確率降低。其中裝置一的選線準確率降低幅度最大，在高過渡電阻情況下，裝置一設備會出現裝置無法選線的情況。

3.6.4 消弧線圈補償度

在消弧線圈接地系統中，補償度不同影響穩態故障電流的大小，對于暫態選線方法影響較小。因此在仿真測試中，消弧線圈補償度的改變對不同設備的影響程度不同。補償度大時，裝置二設備的選相正確率低；其他設備因補償度發生的選線、選相準確率改變并不明顯。

3.6.5 電弧長度

對于電弧故障，電弧長度越長時，電弧阻值越大、產生的電弧故障特征越不穩定，選線裝置也越難以準確實現準確選線。在電弧長度較長時，4臺選線裝置的選線準確率均會不同程度地降低。

4 結語

基于RTDS系統搭建配電網小電流接地模型和測試平臺，針對中性點不接地和經消弧線圈接地系統，考慮故障位置、故障合閘角、故障類型、過渡電阻以及補償度等因素對裝置選線的影響進行仿真，并對4個不同廠家的選線裝置進行選線性能測試，得出了4臺設備各自的特點及其性能評價結果，為實際現場中配電網小電流接地選線設備的選型提供了重要的參考依據。

下一步的研究重點是收集現場實際發生的故障錄波數據，并基于RTDS平臺的錄波回放功能對裝置進行測試，通過數字仿真與錄波相結合的方式完善小電流接地選線測試體系。