简易母差装置的RTDS数模试验方案设计①

刘 涛， 杜 明， 柳 震， 高晓辉

(1.天津市电力公司技术中心继电保护试验室， 天津 300384；2.北京美盛沃利工程技术有限公司， 北京 100015；3.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

简易母差装置的RTDS数模试验方案设计①

刘 涛1， 杜 明1， 柳 震2， 高晓辉3

(1.天津市电力公司技术中心继电保护试验室， 天津 300384；2.北京美盛沃利工程技术有限公司， 北京 100015；3.中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

设计了基于RTDS的简易母线保护装置数模试验的方案。首先简述了实时数字模拟试验系统应用于继电保护装置及二次设备检测工作的现状，分析了使用RTDS开展简易母线差保护数模试验的必要性。详细介绍了一种应用RTDS对简易母差装置进行测试的试验方案，包括仿真系统试验模型、模拟平台硬件接线以及数模试验测试项目的设计。最后根据该方案进行了简易母差装置数模试验，并将试验中出现的主要问题进行了分析，试验结果表明，应用此方案可以对简易母差装置进行较为全面的考察。

电力系统实时数字仿真器； 简易母差保护； 数模试验； 保护装置检测； 转换性故障

电力系统实时数字仿真器RTDS(real-time digital simulator)及其仿真支持软件的灵活性构筑一个相对固定的继电保护测试分析平台[1]，不失为一种有效的手段。一些网省公司已经使用RTDS开展了线路保护装置[2～4]、母差保护装置[5]、变压器保护装置[6]数模试验的研究。对于一些低压装置，如备用电源自动投入装置、简易母差保护等低压装置，目前国内通常只是通过静态试验来验证装置本身的逻辑，很少从电网的角度考虑问题，致使此类低压装置正确动作率较低[7，8]。因此开展35 kV简易母差装置的数(动)模试验，模拟实际电力系统中各种运行方式，考核各种故障和运行状态对简易母差动作行为的影响，是十分必要的。

旨在加强天津电网继电保护及其安全自动装置的技术监督、入网管理等工作，完善继电保护及安全自动装置的试验手段，提高天津电网的安全稳定运行水平，天津市电力公司引进了实时数字模拟系统，建立了继电保护与自动装置模拟试验平台，并邀请了南瑞继保、国电南自、北京四方、江苏金智等十一个厂家进行包括变压器保护、备自投、简易母差等新型号、新版本装置的入网试验。

本文参考DL/T871-2004《电力系统继电保护产品动模试验》[9]，结合天津电网具体特点，建立了基于RTDS的简易母差装置数模试验系统模型，设计了试验方案，在各种工况下测试了各厂家的简易母差装置的动态特性并加以分析。实践证明，本文设计的系统模型能够满足试验的需要，方案具有较高的实用性和工程指导意义。

1 试验方案考虑的主要性能指标

简易母差装置的主要性能指标是确定试验方案的主要因素，也是不同产品之间考查比较的项目。因此在确定试验项目之前，有必要对目前天津地区简易母差保护的主要性能指标作一小结。

(1)简易母差保护电压取自35 kV母线PT，电流取自变压器35 kV受总开关及35 kV分段开关三相CT形成的差电流回路，简易母差保护为复合电压闭锁过电流保护。天津地区简易母差保护设置一段三时限，第一时限跳35 kV分段，第二时限跳变压器35 kV受总，第三时限备用(跳小电源)。

(2)当简易母差保护达到定值，且无外部线路保护闭锁条件时，简易母差保护动作出口跳闸。当有外部线路保护闭锁条件时，简易母差保护不动作出口跳闸。

(3)线路保护闭锁条件要求35 kV线路保护(包括电容器、所用变、电抗器)的电流三段(如果电流二段带方向，电流三段也带方向)启动时，输出一对瞬动接点去闭锁本段母线的简易母线差保护(注意：不能用线路保护动作出口接点闭锁简易母线差保护)。

(4)当简易母线差接到35 kV线路保护(包括电容器、所用变、电抗器)的闭锁接点信号，简易母线差立即闭锁动作出口，当35 kV线路保护闭锁信号解除后，简易母差的闭锁动作出口也应立即解除。(即当线路与母线同时发生故障时，线路保护动作切除故障后，线路保护解除对简易母差的闭锁，此时简易母线差应能正确动作切除母线故障。)

(5)简易母线差保护第二时限跳变压器受总动作出口时，同时输出一副接点(用于给35 kV分段自投装置放电)。

2 试验方案的设计

2.1 试验模型的设计

考虑到变电站现场运行的实际情况，即两条进线、两台主变分列运行或一台运行一台备用，试验采用内桥接线方式，如图 1，F1～F8为试验设置的短路点，S1为等效电源，T1、T2为变压器，CT1～CT3为电流互感器，PT1为电压互感器，1DL～5DL为断路器，Load1、Load2为系统负荷。

按照图1所示典型接线方式，在工作站(PC机)建立了简易母差数模试验模型，其中主要设备参数如下。

图1 简易母差数模试验典型接线方式Fig.1 Primary system connection mode ofdigital dynamic simulation test

系统电源：系统容量S1=100 MVA，系统阻抗Z=0.78+j7.9 Ω。

变压器参数：变比为110 kV/35 kV，容量为S=50 MVA，短路阻抗为Uk%=8%。

负载容量：P=40 MW，Q=30 MVar。

电流互感器：CT1、CT2变比为1200/1，CT3变比为800/1。

电压互感器：PT1变比为35/0.1。

模拟试验系统运行方式为Ⅰ、Ⅱ母线并列运行，即1DL、2DL、3DL和5DL在合位，4DL在分位。

系统模型建成后经过编译，可在RUNTIME模块中建立该系统的控制台，如图 2，通过控制台可以实时对动模系统进行控制，调节负荷，开关操作，设置故障，操作方便。

系统建成编译完成后就可按照简易母差装置的要求进行短路电流的计算，短路电流的计算可以在该系统中实时进行。根据计算结果，再根据简易母差保护配置和整定要求，就可进行简易母差定值整定计算。

图2 简易母差数模试验控制界面Fig.2 System control interface design ofdigital dynamic simulation test

2.2 试验接口的设计

RTDS实时计算出动模系统经编译后，在工作站可以实时的监测并控制模拟系统的运行，也可以指定简易母差装置安装地点上的电流和电压的模拟量输出(交流采样回路)及断路器的操作控制接口(控制、信号回路)[10]。

图3 简易母差数模试验接口设计Fig.3 System connection mode design ofdigital dynamic simulation test

对于交流采样回路，本次试验选取CT1(分段)、CT2(进线)和CT3(出线)的电流，PT1(母线Ⅰ)的电压，将这些模拟输出与放大器的输入口相接，就可得到与实际相符的电压和电流信号，再将这些电压电流信号与保护装置相连接，其中CT1电流信号与CT2电流信号差接到简易母差装置，CT3电流信号接到线路保护装置上，PT1电压信号同时接到简易母差保护和线路保护装置上。对于控制信号回路，将简易母差保护和线路保护装置的跳闸继电器与仿真数模系统的断路器1DL～3DL的控制器相接。另外，本文还将交流信号与控制信号都输入到故障录波装置上，以便进行故障分析。这样就构成了一个完整的用来检验简易母差装置的仿真数模试验系统，如图 3所示。

2.3 试验项目的设计

(1)区内外故障

分别模拟保护区内F1～F3瞬时性和永久性金属性单相接地、两相短路接地、两相相间短路、三相短路以及三相短路接地故障；保护区外F4～F8瞬时性金属性单相接地、两相短路接地、两相相间短路、三相短路以及三相短路接地故障。

(2)发展性故障

模拟线路同一点经不同时间由单相接地故障发展成为两相接地或者三相接地短路故障；模拟母线区内和区外同一点经不同时间由单相接地故障发展成为两相接地或者三相接地短路故障。

(3)转换性故障

模拟线路发生各种故障转换为母线区内同名故障，且两故障点同时存在或线路上故障消失，故障转换时间为20 ms～300 ms。

(4)区内外经过渡电阻短路

分别模拟线路及母线区内经过渡电阻的短路故障。

(5)线路空载合闸充电及手合带故障线路

在线路停电情况下，将线路合于无穷大系统。

在线路停电情况下，将带有各种类型故障的线路合于无穷大系统。

(6)母线带载合闸充电及手合带故障母线

将带有负载的母线合于无穷大系统。

将带有各种类型故障的母线合于无穷大系统。

(7)频率偏移

使模拟系统分别运行在48 Hz和52 Hz，模拟保护区内外金属性单相接地、两相短路接地、两相相间短路、三相短路和三相短路接地故障。

(8)PT断线

模拟Ⅰ母线侧的PT断线，检查装置的报警功能。在PT断线的情况下，模拟母线区内发生各种故障。

(9)间歇性故障

模拟故障满足被试保护动作条件，第一次故障时间小于被试后备保护整定时间，故障间断，间断时间为20 ms～100 ms，然后出现第二次故障，故障持续时间同第一次。两次故障时间之和应大于被试保护整定时间。

模拟故障满足被试保护动作条件，第一次故障时间小于被试后备保护整定时间，故障间断，间断时间为20 ms～100 ms，然后出现第二次故障，故障持续时间大于被试保护的整定时间。

3 试验中发现的主要问题

(1)转换性故障

简易母差逻辑虽然简单，但影响简易母差逻辑的因素很多。目前，很多厂家仅仅停留在简易母差装置本身逻辑的实现，很少从电网的角度考虑。由于系统运行环境复杂，线路和母线同时或在很短的时间内相继发生故障的情况有可能发生的，如文献[8]中所介绍的事故情况，一条线路和母线同时或相继出现故障，则线路保护会瞬时发出启动信号，通过中间继电器闭锁简易母线保护，这时就会因为线路保护的闭锁造成另外一条母线保护拒动。

考虑到这个问题，本次试验设计了转换性故障项目，考察线路保护与简易母差保护配合的情况。表 1给出了试验中简易母差保护和线路保护主要定值整定情况。图4和图5给出了在线路F6点模拟瞬时性和永久性各类型故障试验的结果。

表1 保护定值表Tab.1 Protection setting value

试验过程如下，在线路F6点模拟瞬时性各种类型故障，故障持续时间为607.2 ms(小于线路保护延时定值)，此时装置瞬时发出闭锁简易母差信号。同时在该故障发生过程中，即线路F6点发生故障后300 ms，在F1点模拟永久性故障，试验中发现装置在闭锁信号返回后简易母差保护装置启动，505.9 ms后简易母差保护动作，如图 4所示。图中CT电流信号为CT1电流与CT2电流的差值，下同。

图4 转换性故障正确动作情况一Fig.4 Right action 1 in the test item ofevolved fault condition

图5 转换性故障正确动作情况二Fig.5 Right action 2 in the test item ofevolved fault condition

另外，在线路F6点模拟永久性各种类型故障，故障持续时间大于线路保护时间定值，此时装置发出闭锁简易母差信号。同时在该故障发生过程中，即线路F6点发生故障后300 ms，在F1点模拟永久性故障。试验中发现，线路F6点的故障发生后710.5 ms线路保护动作，428.7 ms重合，故障依然存在且342.2 ms后装置重合闸后加速动作切除F6点故障，此时闭锁信号返回，简易母差保护开始启动，510.9 ms后简易母差保护动作，切除F1点的故障，如图 5所示。

在试验中发现，某些厂家的装置闭锁信号返回条件不同而造成简易母差保护拒动，而某些厂家装置重合闸启动后不发闭锁信号，造成简易母差保护提前启动。

若将带有上述缺陷的保护装置投入运行，必然对电网的安全运行带来巨大隐患，这就要求电力系统运行人员在变电站调试阶段，对于简易母差保护的测试，不能仅仅停留在保护定值精度测试上，更应充分考虑转换性故障发生的可能，着重检查"闭锁简易母差"的信号是否为瞬时发出瞬时闭锁，并确定该信号的返回条件是否满足现场要求。

(2)间歇性故障

间歇性故障是电力系统，特别是低压配电系统中频发的故障。本次试验设置间歇性故障的目的是为了详细考查简易母差装置的保护(天津地区为充电保护、过流保护)在何故障间歇时间下能够返回，以便在整定定值时，充分考虑简易母差装置与上下级保护的级差配合、与重合闸之间的配合，避免保护越级动作。试验中发现，某些厂家在设计时没有考虑到间歇性故障对于装置性能的影响，其装置在故障间歇时间大于50 ms时保护才能返回(规程要求30 ms以内[9])，这必然带来了保护越级的隐患。

此次入网试验中还发现，各厂家高电压等级的保护装置(如220 kV变压器保护、110 kV线路保护)在间歇性故障项目中表现都较好，故障间歇时间在30 ms之内保护基本可以返回。然而对于35 kV简易母差、35 kV线路保护、备自投等低压装置，保护设备厂家对间歇性故障的要求重视程度有所下降，致使其保护产品在试验或实际运行中暴露出问题。同时，电力系统运行人员在进行定值整定时，也要充分考虑到间歇性故障中不同保护装置返回时间不一致的影响，合理地配合上下级保护的关系。

(3)其他问题

试验中还发现某些厂家的装置在系统频率偏移下保护拒动，某些厂家的装置在手合带故障母线项目中保护拒动，某些厂家的装置由于消抖时间设置的问题影响保护性能，某些厂家重合闸信号过长影响保护动作等问题。

上述问题在静态试验中难以检测，可见，对于简易母线差保护装置开展数模试验，模拟实际电力系统的运行情况，考查简易母线差保护装置的动作性能，对于电力系统的安全可靠运行是十分有意义的。

4 结语

本文设计了基于RTDS的简易母差装置数模试验方案。设计的试验模型是符合实际的，设计的试验项目较为全面，能够满足简易母差装置动模试验的要求。

按照本文提出的方案，开展了基于RTDS的简易母差装置数模试验，发现了装置存在的不正确动作隐患，避免了简易母差装置投入系统后造成的不正确动作，为电网的安全稳定运行及可靠供电提供保证。试验结果表明，本文设计的试验方案实用效果较好，具有广泛的推广价值。

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TestSchemeofSimpleBusDifferentialProtectionRelaybyRTDS

LIU Tao1， DU Ming1， LIU Zhen2， GAO Xiao-hui3

(1.Tianjin Electric Power Corporation Technology Center Relay Lab,Tianjin 300384, China;2.Beijing MaisonWorleyParsons E&C, Beijing 100015, China；3.China Enfi Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

A scheme of testing simple bus protection device based on RTDS is presented in this paper Firstly, the present situation of protective relaying and secondary equipment test using digital dynamic simulation system is sketched, and the necessity of testing simple bus differential protection device based on RTDS is explained. Secondly, a method of testing simple bus protection device with RTDS is designed, including test model, system connection mode and test items. Last, theproblems in the test is introduced and analyzed. The results demonstrate that the proposed scheme has a promising application in large-scale practical problems.

RTDS(real-time digital simulator)； simple bus differential protection； digital dynamic simulation test； protective relaying test； evolved fault condition

2009-08-02

2010-02-05

TM743

A

1003-8930(2011)03-0150-06

刘 涛(1980-)，男，工程师，硕士，主要从事电力系统仿真及继电保护试验工作。Email:net_liutao@126.com

杜 明(1984-)，男，助理工程师，主要从事继电保护试验工作。Email:ming.du@tj.sgcc.com.cn

柳 震(1977-)，男，助理工程师，本科，主要从事电气系统设计工作。Email:Liuzhen365@sohu.com

高晓辉(1980-)，男，工程师，硕士，主要从事电气系统设计工作。Email:gxh@enfi.com.cn