[電子]基于RTDS的超高壓線路保護(hù)裝置的試驗研究

1、電子基于 RTDS 的超高壓線路保護(hù)裝置的試驗研究基于 RTDS 的超高壓線路保護(hù)裝置的試驗研究摘要：RTDS(Real Time Digital System)能夠比較真實的反映實際電力系統(tǒng)的故障性征，且較模擬動模試驗系統(tǒng)，有易于控制故障工況、故障可重現(xiàn)等優(yōu)點，使其在高壓線路保護(hù)裝置的研制及開發(fā)過程中發(fā)揮著重要的作用。本文介紹高壓線路保護(hù)裝置動模測試的模型及要求的同時，著重分析了當(dāng)前高壓線路保護(hù)裝置研究的幾個難點，并就此給出了我們在研制新一代高壓線路保護(hù)產(chǎn)品 DF3621 中的處理策略和方法。大量的 RTDS 試驗表明：DF3621 對于特殊工況、轉(zhuǎn)換性故障等方面表現(xiàn)良好，裝置整體性能可靠，

2、能夠滿足高壓線路對保護(hù)的要求。此裝置還有待于現(xiàn)場試運(yùn)行的進(jìn)一步考驗。關(guān)鍵字：RTDS，高壓線路保護(hù)，振蕩閉鎖1 引言電力系統(tǒng)數(shù)字仿真具有不受原型系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，能夠保證被研究、試驗系統(tǒng)的安全性和具有良好的經(jīng)濟(jì)性、方便性等許多優(yōu)點，正被越來越多的電力科技工作者所關(guān)注，并且在電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計、裝置的研究開發(fā)、運(yùn)行人員培訓(xùn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用1。眾所周知，電力系統(tǒng)保護(hù)裝置，尤其是高壓/超高壓電網(wǎng)的保護(hù)裝置，需要足夠的可靠性，并能適應(yīng)于電力系統(tǒng)的各種工況，在任何故障類型下具有充分的靈敏度，來快速、準(zhǔn)確的切除故障，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定、設(shè)備安全。但對于要求如此苛刻的裝置，在現(xiàn)場中僅在很短的時間

3、動作外，長期處于不動作狀態(tài)，所以可供參考的實際故障經(jīng)驗非常少，至于實際電網(wǎng)試驗機(jī)會則更少。從而導(dǎo)致了高壓電網(wǎng)保護(hù)裝置產(chǎn)品一直是一個高技術(shù)含量、高門檻的行業(yè)，其開發(fā)研究中，電力系統(tǒng)實際經(jīng)驗和動模試驗具有重要的地位。相比于傳統(tǒng)的動模試驗，全數(shù)字 RTDS 動模系統(tǒng)，具有模型構(gòu)建方便、系統(tǒng)模型多、同類故障工況可重復(fù)再現(xiàn)等諸多方面的優(yōu)點，給保護(hù)裝置的開發(fā)研究提供了極其有利的手段，也從而確保了由此開發(fā)出的裝置性能更加可靠。本文在介紹基于我公司 RTDS 動模系統(tǒng)測試新開發(fā)的超高壓線路保護(hù)裝置DF3621 的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的闡述了 RTDS 試驗中幾個特殊工況的測試情況，指出了當(dāng)前超高壓微機(jī)線路保護(hù)的幾個研

4、究難點，并給出了我們的處理方案和試驗結(jié)果，以供同行參考。對特殊問題的研究尚需進(jìn)行，開發(fā)研制的裝置也需進(jìn)一步現(xiàn)場試運(yùn)行的考核。2 RTDS 動模試驗系統(tǒng)2.1 RTDS 試驗?zāi)Ｐ?RTDS 是由加拿大 Maniloba 直流研究中心（HVDC）開發(fā)的專門用于實時研究電力系統(tǒng)的數(shù)字動模系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)元件模型和仿真算法建立在已獲得行業(yè)認(rèn)可，且已廣泛應(yīng)用的 EMTP 和 EMTDC 基礎(chǔ)上的，其仿真結(jié)果與現(xiàn)場實際系統(tǒng)的真實情況是一致的。該系統(tǒng)已在全球多個國家和地區(qū)推廣使用，我國目前也有多個單位引進(jìn)了規(guī)模不等的 RTDS 系統(tǒng)。RTDS 的基本組成部分為組（RACK），多個 RACK 之間通過

5、總線相聯(lián)，RACK的數(shù)量決定了可仿真系統(tǒng)的規(guī)模。將 RTDS 實時模擬電量和開關(guān)量輸入被測試保護(hù)裝置，再將裝置的輸出信號引入仿真系統(tǒng)的開關(guān)量板，即可實現(xiàn)保護(hù)裝置的閉環(huán)實時仿真試驗。使用 RTDS 進(jìn)行繼電保護(hù)產(chǎn)品試驗的關(guān)鍵在于試驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的建立。參照電力科學(xué)院的試驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)，結(jié)合本裝置的開發(fā)定位：應(yīng)用于 220KV 及以上電壓等級的單回線路，構(gòu)建了以下幾種線路模型。為更加接近現(xiàn)場實際，使測試結(jié)果具有說服力，所有線路模型均采用分布參數(shù)模型，電壓等級為 500kv。單電源空載長線模型(I)無窮大電源帶 400km 單回架空線路，無窮大電源短路容量為 3000MVA。主要用于測試距離保護(hù)的暫態(tài)超越性

6、能。雙電源雙回線長線模型(II)仿真系統(tǒng)模型入圖 1 所示。被測保護(hù)裝置 P1 和 P2 分別安裝在 NL1 線路的N 側(cè)和 L 側(cè)，保護(hù)所需的線路電壓信號由 500kV/0.1kV 的電容式電壓互感器提供，保護(hù)所需的線路電流信號由 1250A/1A 的電流互感器提供。N 系統(tǒng)為一地區(qū)等值系統(tǒng)，短路容量分別為 3000MVA，L 廠裝有等值容量為2100MW 的發(fā)電機(jī) M1 一臺，變壓器 B1 容量為 2500MVA，所帶負(fù)荷最大容量為1000MW，其中電動機(jī)負(fù)荷占 65，電阻負(fù)荷占 35。每條輸電線路的兩端都裝有容量為 150Mvar 的并聯(lián)電抗器。正常情況下潮流 P=1000MW,Q=48

7、0Mvar。輸電線路主要參數(shù):z1=z2=0.0193 j* 0.2793 /km,z0=0.1788 j*0.8412/km,c1=0.013uF/km, c0=0.0092uF/km.圖 1 雙回長線路模型Fig.1 Double Long Line Model短線環(huán)網(wǎng)模型(III)短線環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)模型如圖 2 所示。線路主要參數(shù)與模型 II 中的線路參數(shù)相同。被測試保護(hù)裝置分別安裝在 NL 線路的 L 側(cè)和 N 側(cè)。M 廠、N 廠及 L 系統(tǒng)經(jīng) 500kV 短距離輸電線路相互連接。M 廠裝有等值容量為 1050MW 的發(fā)電機(jī) M1 一臺，N 廠裝有等值容量為 1050MW 的發(fā)電機(jī) M2 一

8、臺。N廠還接有負(fù)荷變壓器 FB，負(fù)荷變壓器的容量為 1200MVA，所帶負(fù)荷最大容量為1000MW，其中電動機(jī)負(fù)荷占 65左右，電阻性負(fù)荷占 35左右。L 系統(tǒng)為一地區(qū)等值系統(tǒng)，有大、小兩種運(yùn)行方式，其對應(yīng)的短路容量為 3000MVA 及20000MVA。圖 2 500kV 短線環(huán)網(wǎng)輸電模擬系統(tǒng)Fig.2 500kV Short Line Ring-bus Model超高壓電網(wǎng)線路本身特點所決定的某些元件模型的構(gòu)建應(yīng)特別注意，盡量作到設(shè)計的與實際相符，其真實性將直接影響保護(hù)裝置的性能指標(biāo)。其中電容式電壓互感器（CVT）的采用，導(dǎo)致了故障后獲取的二次信號具有明顯的暫態(tài)特性，其對于距離保護(hù)在暫態(tài)超

9、越試驗以及出口故障試驗中有重要的考驗；另外由于超高壓電網(wǎng)的衰減時間常數(shù)較大，某些故障情況下非周期分量衰減緩慢，從而導(dǎo)致電流互感器（CT）出現(xiàn)飽和，此點對保護(hù)裝置也是一個非常重要的考核內(nèi)容，由此可知高壓電網(wǎng)的特點對保護(hù)裝置提出了更高的要求。對于不同的通道連接方式，我們利用 SEL 保護(hù)裝置的“可編程邏輯功能”來模擬，得到了較好的試驗效果。2.2 測試內(nèi)容及結(jié)果為使研制開發(fā)的保護(hù)裝置有一個較高的起點，以優(yōu)良的性能滿足于高壓/超高壓線路保護(hù)的各項要求，以 SD286-88線路繼電保護(hù)產(chǎn)品動模試驗技術(shù)條件的內(nèi)容為基本要求，另外考慮到此標(biāo)準(zhǔn)制訂于 10 幾年前，部分內(nèi)容已不適應(yīng)當(dāng)前形式的需要，所以結(jié)合目

10、前系統(tǒng)的實際需要，借鑒國內(nèi)其他保護(hù)廠家的企標(biāo)，制定了我們的測試內(nèi)容和性能要求。我們開發(fā)的線路保護(hù)裝置 DF3621 定位于高壓/超高壓電力系統(tǒng)，基本配置：以縱聯(lián)距離保護(hù)為主，三段式距離保護(hù)、階段式零序保護(hù)和反時限零序保護(hù)為后備保護(hù)，以及完善的輔助功能的成套保護(hù)裝置。裝置采用先進(jìn)、可靠的軟件平臺，硬件平臺采用 32 位 CPU DSP 模式，為保護(hù)整體性能提供了可靠基礎(chǔ)；保護(hù)原理完備、先進(jìn)，在吸收目前國內(nèi)同類保護(hù)產(chǎn)品優(yōu)點的基礎(chǔ)上，增加了自適應(yīng)、模式識別等一些成熟的研究成果，從而使此裝置在滿足目前保護(hù)裝置基本要求的前提下，對特殊工況時的故障也具有另人滿意的結(jié)果。此次 RTDS 試驗屬于研制階段的手

11、段，所以試驗項目在完全包括電力科學(xué)院所有檢測項目，以及部分網(wǎng)局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，我們又增加了一些試驗內(nèi)容：復(fù)故障、特高阻（大于 300 ）接地故障、振蕩中經(jīng)過渡電阻接地故障、CT嚴(yán)重飽和工況等。DF3621 的基本測試結(jié)果如表 1 所示。表 1 RTDS 試驗結(jié)果Tab.1 RTDS Test Results其他項目如：PT 斷線、CT 斷線及飽和、手合空載線及故障線路等也作了充分的測試。經(jīng)過上千次的試驗表明：DF3621 高壓線路保護(hù)裝置各項指標(biāo)均能滿足要求，性能穩(wěn)定可靠，對于特殊工況下的故障反應(yīng)也得到了比較滿意的結(jié)果。3 高壓線路保護(hù)裝置的幾個難點36我國的微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品從投入現(xiàn)場實際到現(xiàn)在

12、已有十幾年的歷史了，在完成其之前集成保護(hù)所有功能的基礎(chǔ)上，就保護(hù)功能而言真正性能提高的幅度不大，也可以說就保護(hù)原理而言未能充分發(fā)揮微機(jī)的優(yōu)勢。尤其是目前隨著軟、硬技術(shù)的飛速發(fā)展，一些研究成熟的高級算法、智能化分析方法等完全可以引入的保護(hù)中。當(dāng)然保護(hù)裝置的開發(fā)以可靠為首，我們也正是本著這一原則，就目前保護(hù)裝置解決不太理想的地方進(jìn)行了試驗性嘗試。也希望同時引起同行對此類問題的關(guān)注。3.1 狀態(tài)識別及自適應(yīng)嚴(yán)格的講狀態(tài)識別及自適應(yīng)涉及很多方面，限于篇幅及本文的側(cè)重點，就幾個主要方面提出予以探討。目前國內(nèi)的保護(hù)裝置，啟動元件動作后，后續(xù)的故障處理過程是按照啟動時刻為基準(zhǔn)展開的，如突變量啟動后相繼執(zhí)行快

13、速段、穩(wěn)態(tài)階段、振蕩閉鎖階段、跳閘后階段以及非全相階段，其他的內(nèi)容如PTDX、加速則包含于其中。應(yīng)該說此種方案是不合理的，我們所制定的保護(hù)處理方案是針對于保護(hù)裝置之外的一次、二次的狀態(tài)而言的，除了簡單的單一性故障，程序處理和系統(tǒng)狀態(tài)相符合，大多數(shù)會導(dǎo)致不一致從而影響保護(hù)整體性能。列舉幾例如下： 啟動元件為保證各種可能故障下都能動作，整定的靈 敏度非常高，所以啟動元件動作往往并非是故障的真實 發(fā)生時刻；距離保護(hù)為兼顧近端故障快速切除和末端暫 態(tài)超越不超標(biāo)一般采用快速段保護(hù)以啟動時刻為基準(zhǔn)階 段放開保護(hù)范圍的方法，此策略勢必導(dǎo)致的結(jié)果是暫態(tài) 超越試驗動作時間不會太快，另外對于小擾動導(dǎo)致啟動 后一段

14、時間發(fā)生的故障勢必可能出現(xiàn)暫態(tài)超越超標(biāo)。 目前微機(jī)距離保護(hù)一般采用短時開放，150ms 后（以啟動時刻為基準(zhǔn)）后進(jìn)入振蕩閉鎖處理模塊，通過增加條件來開放保護(hù)。應(yīng)當(dāng)說此方案側(cè)重于可靠性考慮，對于我國的電網(wǎng)穩(wěn)定等方面具有積極的實用意義。但僅通過突變量啟動元件動作后 150ms 來運(yùn)行振蕩閉鎖程序，應(yīng)當(dāng)說此元件過于靈敏，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，小擾動導(dǎo)致啟動后，再發(fā)生故障導(dǎo)致保護(hù)延時動作。 系統(tǒng)非全相運(yùn)行期間，由于存在零序電流等特點，保護(hù)裝置自動投入相應(yīng)保護(hù)的同時，應(yīng)退出某些會誤動的保護(hù)元件，因此非全相狀態(tài)一旦漏判，勢必會影響保護(hù)裝置的整體性能。而目前有些保護(hù)裝置僅從本保護(hù)端三相斷路器是否閉合來斷定

15、是否系統(tǒng)處于非全相狀態(tài)的做法是不準(zhǔn)確的，會將導(dǎo)致單跳后優(yōu)先重合側(cè)保護(hù)裝置誤認(rèn)為系統(tǒng)已恢復(fù)三相運(yùn)行。對于上述問題的出現(xiàn)，其根本性原因在于保護(hù)裝置未能充分利用其強(qiáng)大的記憶及分析功能來準(zhǔn)確的識別系統(tǒng)狀態(tài)，通過狀態(tài)識別結(jié)果來投入相應(yīng)的處理模塊，此過程本身就體現(xiàn)了自適應(yīng)思想。新開發(fā)的線路保護(hù)裝置 DF3621 改變了以前基于啟動時刻調(diào)節(jié)保護(hù)范圍的做法，而采用元件所用電流、電壓量的波形（提出了波形系數(shù)的概念）來作為自適應(yīng)選用數(shù)字濾波器、調(diào)節(jié)保護(hù)范圍、調(diào)節(jié)方向元件動作范圍等各個環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)。理論上分析可知：故障時刻的不同，故障暫態(tài)分量中非周期分量和各高次諧波分量是不同的。采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波器后，可以避免統(tǒng)一采

16、用差分傅氏算法在某些情況下放大諧波的可能。CT 飽和后，自適應(yīng)采用短數(shù)據(jù)窗保證計算量的真實性。這樣直接定位為體現(xiàn)元件輸入量可信度的處理方式，從根本上解決了不論是何種原因?qū)е碌男盘柣儾粫绊懕Ｗo(hù)性能，同時也確保了任何故障情況下，保護(hù)在暫態(tài)超越指標(biāo)范圍內(nèi)快速切除故障的可能。系統(tǒng)振蕩狀態(tài)的出現(xiàn)是有先兆和需要過程的，這為我們提供了振蕩狀態(tài)識別的可能，充分利用微機(jī)保護(hù)的強(qiáng)記憶功能，采用狀態(tài)預(yù)測算法，保證系統(tǒng)發(fā)生振蕩之前，及時投入振蕩閉鎖處理模塊，取消突變量啟動 150ms 后自認(rèn)為系統(tǒng)已振蕩的做法，確保小擾動啟動后系統(tǒng)未振蕩情況下再故障時保護(hù)裝置的動作性能，這樣從整體上提高了保護(hù)裝置的性能指標(biāo)。而對于

17、非全相狀態(tài)的識別，在監(jiān)視跳開相電量和開關(guān)量的同時，應(yīng)綜合利用本保護(hù)各元件曾經(jīng)的感受行為，以及系統(tǒng)零序電量的變化行為，來作出定位于一次系統(tǒng)的非全相狀態(tài)識別。3.2 振蕩中選相處理7振蕩閉鎖模塊的處理方案，從確保電網(wǎng)穩(wěn)定等方面出發(fā)，基本要求是振蕩情況下保護(hù)不誤動，其次是振蕩中又發(fā)生故障，保護(hù)能夠正確動作。目前保護(hù)裝置基本上都能滿足第一個性能指標(biāo)，而第二個指標(biāo)一般是通過保護(hù)延時動作，和降低性能指標(biāo)等方式來實現(xiàn)的，即對于振蕩中故障能否正確選相、正確計算阻抗量、耐過渡電阻各方面不作太嚴(yán)格的要求。而作為保護(hù)科技工作人員當(dāng)希望此工況下，保護(hù)性能指標(biāo)不受影響，此點也是進(jìn)一步研究的重點。目前振蕩中選相元件僅在故

18、障開放條件滿足后通過序分量以及計算阻抗來實現(xiàn)，勢必導(dǎo)致某些故障情況下，僅當(dāng)兩端電勢夾角擺到一定范圍內(nèi)才能開放，從而使保護(hù)延時動作；甚至不能開放，導(dǎo)致保護(hù)拒動或無選擇性出口。新開發(fā)的線路保護(hù)裝置 DF3621 中，專門針對系統(tǒng)振蕩狀態(tài)研制了一基于模型識別方法的新型選相元件，其基本原理為綜合利用保護(hù)安裝處的各序量關(guān)系，以及推算得到的故障點處的各序量關(guān)系，最終給出正確的故障類型。由于此選相元件所需的開放條件比較靈敏，確保各種工況下都能選相，且振蕩周期中不工作的盲區(qū)大大減少，提高了保護(hù)的選跳正確率和動作時間。大量的 RTDS 動模試驗已證明了此點。3.3 轉(zhuǎn)換性故障對于同一點不同故障類型轉(zhuǎn)換的發(fā)展性故

19、障，采用選相元件、阻抗元件并行實時運(yùn)算，故障類型變化后最先滿足入段的元件優(yōu)先固定的原則，可以滿足測試指標(biāo)；對于二次故障，即兩次故障轉(zhuǎn)換間隔相對較長，第一次故障已成功切除，此時按照狀態(tài)檢測調(diào)度再發(fā)生故障將由非全相故障處理模塊來切除，各項性能指標(biāo)一般保護(hù)裝置都能滿足。難點在于正、反向復(fù)故障情況，即正向出口、反向出口故障點同時存在，如果為不同相，對于單通道高頻保護(hù)，遠(yuǎn)端保護(hù)裝置只能無選擇三跳，而近端保護(hù)裝置則希望能夠正確選跳，就此特殊故障類型，如果不作專門性處理，僅當(dāng)在保護(hù)安裝處所感受的區(qū)內(nèi)故障附加電源產(chǎn)生的故障電量遠(yuǎn)大于區(qū)外故障附加電源所產(chǎn)生的電量時，才能保證選相正確，從而不能確保各種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下保

20、護(hù)性能的一致性。對此我們增加一靈敏度足夠高的復(fù)故障檢測元件，通過此元件來投入此工況下的專門選相元件，其綜合利用電流序分量選相結(jié)果和電壓序分量選相結(jié)果，以及保護(hù)測量元件的歷史和當(dāng)前感受情況，統(tǒng)一分析后最終給出正確的選相結(jié)果。3.5 高阻接地故障接地保護(hù)的耐過渡電阻能力是距離保護(hù)元件的重要測試項目，而距離保護(hù)元件是越量型元件，有別于測量元件，在保護(hù)范圍之內(nèi)，即使測量誤差很大，也能使保護(hù)元件正確動作，由此可知耐過渡電阻的能力對于保護(hù)范圍的不同點，具有不同的性能。所有基于金屬性故障推出的距離元件在保護(hù)范圍末端必將耐過渡電阻能力較弱。對此，我們采用了基于零序電流修正的測距算法來作為保護(hù)范圍末端高阻單相接

21、地故障時的測量元件，從而保證了不論保護(hù)范圍內(nèi)的何處故障都具有較高的耐過渡電阻能力，提高了裝置的整體性能。4 結(jié)論經(jīng)過大量的 RTDS 試驗，表明新開發(fā)的 DF3621 型線路保護(hù)裝置各項性能指標(biāo)比較另人滿意，當(dāng)然還需要長期現(xiàn)場試運(yùn)行的考驗。RTDS 數(shù)字動模試驗系統(tǒng)在保護(hù)裝置開發(fā)中具有非常重要的作用，對原先基于經(jīng)驗開發(fā)裝置、模擬動模試驗測試、長期現(xiàn)場實際運(yùn)行檢驗的裝置研發(fā)模式有所改變，充分利用 RTDS 試驗，作為保護(hù)裝置開發(fā)的重要手段，將在縮短研發(fā)周期的同時，會不同程度的提高保護(hù)裝置的整體性能。另外，我們在研發(fā)過程中感覺到：在完全理解目前保護(hù)裝置產(chǎn)品處理方案的基礎(chǔ)上，繼承優(yōu)點，就某些具有開發(fā)

22、時代局限，而不能很好的滿足現(xiàn)在實際現(xiàn)場需求的處理方法，在充分測試的前提下可以采用新的研究成果，以提高保護(hù)裝置的綜合性能指標(biāo)；隨著技術(shù)的發(fā)展，用戶需求的進(jìn)一步提高，以及保護(hù)本身原理研究的突破，保護(hù)裝置產(chǎn)品也應(yīng)及時的升級換代或研制開發(fā)新產(chǎn)品。參考文獻(xiàn):1.陳禮儀, 顧強(qiáng)(Chen Liyi, Gu Qiang). 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真及其發(fā)展(PowerSystem Digital Simulation And Its Development). 電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric System), 1999(12), Vol.23, No.23;2.周澤昕，周春霞，王仕榮等

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