楊 佳，韋芬卿，付 磊，于躍海

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210061)

當(dāng)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(yàn)項(xiàng)目比較單一，較難反映出消弧選線裝置在實(shí)際運(yùn)行配網(wǎng)中的工作情況。利用RTDS實(shí)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(jìn)行各項(xiàng)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(shí)時數(shù)字仿真儀 （Real Time Digital Simulator）[1]，是一種專門設(shè)計(jì)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(bǔ)償消弧線圈成套裝置技術(shù)條件[2]中所要求的試驗(yàn)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(yùn)行，消弧與選線裝置就可以連接到RTDS，進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)以測試設(shè)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(diǎn)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(kuò)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(jì)性等方面的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸獲得認(rèn)可和應(yīng)用。與此同時，我國配電網(wǎng)運(yùn)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(kuò)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(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行方式的問題，對保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。

為提高配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)償與接地選線系統(tǒng)，以中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的電力系統(tǒng)作為應(yīng)用研究對象，采用 “消弧+選線”的設(shè)計(jì)思路，實(shí)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(shí)現(xiàn)消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)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(diǎn)的接地電流，達(dá)到了保障電網(wǎng)安全運(yùn)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(shù)影響的難題，有效提高了選線的成功率。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)建模

根據(jù)配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，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(yùn)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(dǎo)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(shè)為20 Ω。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)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(shí)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(shè)置成與實(shí)際物理裝置相同。

實(shí)際調(diào)匝式消弧線圈一般設(shè)計(jì)為9～25檔，本次實(shí)驗(yàn)消弧線圈容量為400kV·A；檔位選為15檔，對應(yīng)電感值為0.378～0.589 H，步進(jìn)電流為2.5 A。調(diào)匝式消弧線圈在RTDS中采用自定義“實(shí)時可調(diào)電感”模型模擬。此模型在RTDS實(shí)時仿真開始后，電感值可實(shí)時變化，最初用于模擬電力機(jī)車運(yùn)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(jìn)行輸入。模型中，L0設(shè)為1 H，Lx的值可實(shí)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(yīng)關(guān)系表，首先可在仿真開始前設(shè)置一個消弧線圈的初始檔位，Lx設(shè)成該初始檔位的電感值。仿真開始后根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)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(yīng)電感值Lx。此時系統(tǒng)的運(yùn)行工況也隨著相應(yīng)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(shí)現(xiàn)整個實(shí)驗(yàn)的閉環(huán)控制。其中消弧線圈的每個檔位通過一個對應(yīng)開關(guān)的位置量模擬，15個開關(guān)即對應(yīng)15個檔位。當(dāng)開關(guān)位置為“1”時表示消弧線圈處于該檔位，開關(guān)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(yàn)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(shè)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(guān)位置的檔位信息經(jīng)RTDS系統(tǒng)中GTDO卡后通過開關(guān)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(shí)時改變消弧線圈檔位，從而改變一次系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在RTDS的RSCAD軟件上能實(shí)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(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)

在實(shí)際的調(diào)諧測量中，選取最靠近諧振點(diǎn)的多點(diǎn)進(jìn)行擬合計(jì)算，諧振點(diǎn)附近的曲線最接近拋物線曲線，擬合誤差小、測量誤差小，計(jì)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(jì)算機(jī)采樣計(jì)算，計(jì)算方法簡便易用，避免了復(fù)雜運(yùn)算帶來的計(jì)算誤差，適合工程推廣應(yīng)用；另一方面，自動跟蹤補(bǔ)償消弧線圈裝置一般也采用中性點(diǎn)位移電壓（U0）作為跟蹤補(bǔ)償?shù)奶卣髁浚@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(yàn)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(yùn)行方式下的電容電流的理論計(jì)算值與消弧裝置的測算值，來判斷電容電流測算方法的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)時，在不同系統(tǒng)運(yùn)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(shí)驗(yàn)

為了提高消弧線圈調(diào)諧策略的實(shí)用性，增加設(shè)備的可靠性及安全性，在考慮現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際的基礎(chǔ)上，把測量和調(diào)諧兩個過程相結(jié)合，實(shí)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(shè)備運(yùn)行的可靠性，并延長了消弧線圈的使用壽命。試驗(yàn)時，系統(tǒng)在線路全部接入、部分線路接入不同的運(yùn)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(bǔ)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生改變 （如線路進(jìn)行投切）時，應(yīng)進(jìn)行跟蹤調(diào)諧；而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時，應(yīng)確保消弧線圈設(shè)備不亂動。試驗(yàn)中，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，每條線路進(jìn)行投切，被試裝置建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)識別模型[5]，當(dāng)遇到線路投切時，能夠及時、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)消弧線圈的檔位至合適的補(bǔ)償位置，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

3.4 驗(yàn)證消弧線圈補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)

當(dāng)檢測到系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈應(yīng)能夠立即對故障線路實(shí)施補(bǔ)償，保障了補(bǔ)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(yùn)行安全，提高消弧線圈補(bǔ)償效果。當(dāng)故障結(jié)束后，重新對消弧線圈進(jìn)行調(diào)諧測量，使消弧線圈的補(bǔ)償位置能夠適應(yīng)新的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并且投入阻尼電阻，保障系統(tǒng)的中性點(diǎn)位移電壓位于合適范圍內(nèi)。試驗(yàn)中，為了驗(yàn)證消弧線圈補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)，在每條線路首端、中點(diǎn)、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(dāng)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(shí)現(xiàn)消弧線圈的自動補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)對故障電流的有效補(bǔ)償。試驗(yàn)波形如圖5所示。

表1 自動跟蹤試驗(yàn)

3.5 驗(yàn)證選線算法的準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

圖5 線路1首端單相接地故障消弧線圈的補(bǔ)償效果

對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，在保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)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(diǎn)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(yàn)時，在系統(tǒng)每條線路上的首端、中點(diǎn)、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(yàn)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(shù)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(yàn)，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(yùn)行，相互配合，準(zhǔn)確選線。試驗(yàn)過程中，裝置實(shí)測值與理論測算值十分接近，同時也驗(yàn)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(yàn)。

4 結(jié)束語

為了模擬消弧選線裝置在配網(wǎng)中的實(shí)際工況,本文在RTDS實(shí)時數(shù)字仿真系統(tǒng)中首次建立了實(shí)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(shí)現(xiàn)了消弧線圈自動跟蹤補(bǔ)償與接地選線裝置的閉環(huán)試驗(yàn)。同時，對于NSE3000被試裝置進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)思路吻合，選線裝置基本能夠保證較高的選線成功率，驗(yàn)證了選線算法的實(shí)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(yùn)行，相互配合，試驗(yàn)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(shí)時數(shù)字仿真器RTDS[J].電工技術(shù)雜志， 2004(7)：49-52.

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

[3]張 玲.自動跟蹤補(bǔ)償消弧線圈裝置的應(yīng)用[J].電力學(xué)報(bào)，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(hù)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.