一种基于RTDS的消弧选线装置的试验研究

杨 佳，韦芬卿，付 磊，于跃海

(国网电力科学研究院，江苏 南京 210061)

当前对配电网中消弧选线装置的出厂调试测试手段比较落后，试验项目比较单一，较难反映出消弧选线装置在实际运行配网中的工作情况。利用RTDS实时数字仿真系统建立一个配电网经消弧线圈接地的仿真系统，对消弧选线装置进行各项功能的闭环测试，为该类装置的测试提供一种新方法。

RTDS全称为实时数字仿真仪 （Real Time Digital Simulator）[1]，是一种专门设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。根据自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件[2]中所要求的试验方法和要求在RTDS中搭建仿真模型。由于RTDS能够实时连续运行，消弧与选线装置就可以连接到RTDS，进行闭环试验以测试设备的各种功能。

1 选线装置简介

小电流接地系统，一般采用中性点不接地和经消弧线圈接地两种接地方式。随着配电网规模日渐扩大，系统对地电容电流急剧增加，容易产生间隙弧光过电压。而经消弧线圈的接地方式由于可靠性、安全性、经济性等方面的优点，已逐渐获得认可和应用。与此同时，我国配电网运行过程中单相接地故障多发，若不采取有效措施，极易造成相间短路，使事故扩大，影响供电质量。所以小电流接地系统单相接地故障选线不仅是提高电力系统自动化水平的问题，也是一个关系到系统运行方式的问题，对保障系统的安全运行有着十分重要的意义。

为提高配电网运行的可靠性，消弧线圈自动跟踪补偿与接地选线系统，以中性点经消弧线圈接地方式的电力系统作为应用研究对象，采用 “消弧+选线”的设计思路，实现消弧线圈的自动控制。该系统能够自动控制消弧线圈的工作状态，并且在实现消弧线圈自动跟踪补偿功能的同时，有效地解决了小电流接地选线的问题，减小故障点的接地电流，达到了保障电网安全运行和提高电网自动化水平的目的。同时，选线装置与控制装置相配合，成功解决了消弧线圈对传统单相接地选线技术影响的难题，有效提高了选线的成功率。

2 试验方案

2.1 试验建模

根据配电网的运行特点，建立了经消弧线圈接地的10kV配网典型模型[2-4]。如图1所示。

图1 仿真系统一次示意图

图1中所示的系统结构图中单相线路均表示三相线路，系统空载运行。主变为110kV/10kV的降压变压器，容量为6.3 MV·A，Y/△联接。接地变参数：容量为450kV·A；零序阻抗为3.15 Ω。该系统中共模拟6条线路，其中3条架空线路分别是：线路1，20 km；线路 2，10 km；线路 3，5 km。 选取 LGJ-70导线（几何均距为2.5 m）。3条电缆线路分别是：线路 4，15 km；线路 5，10 km；线路 6，5 km。 选取截面为70 mm2的铜心三芯电缆。系统的接地阻尼电阻设为20 Ω。当系统正常运行时，该电阻与消弧线圈串联工作，任一条线路发生故障时，该电阻短接。由于RTDS中的三相线路模型三相参数完全相同，不存在不平衡电压的问题，为了模拟实际电网中母线不平衡的量就需要加入不平衡电容，在10kV母线的两相中并联接入不同μF的对地电容。一次电流互感器（TA）变比和一次电压互感器（TV）变比均可设置成与实际物理装置相同。

实际调匝式消弧线圈一般设计为9～25档，本次实验消弧线圈容量为400kV·A；档位选为15档，对应电感值为0.378～0.589 H，步进电流为2.5 A。调匝式消弧线圈在RTDS中采用自定义“实时可调电感”模型模拟。此模型在RTDS实时仿真开始后，电感值可实时变化，最初用于模拟电力机车运行的供电牵引网，L0为总电感值，Lx为可控电感值占总电感值的比例。Lx可以通过RSCAD软件中的控制模块进行输入。模型中，L0设为1 H，Lx的值可实时调节。根据消弧线圈不同档位电感值，在仿真系统中建立“档位—电感值”对应关系表，首先可在仿真开始前设置一个消弧线圈的初始档位，Lx设成该初始档位的电感值。仿真开始后根据系统的运行工况，外接消弧选线装置的发出“上调档位”、“下调档位”的DI脉冲信号，根据调整脉冲信号实时地将消弧线圈档位“加1”或者“减1”，形成新的档位信息，从而改变该档位消弧线圈的所对应电感值Lx。此时系统的运行工况也随着相应发生了变化，通过模拟量DA输出反馈给装置，装置的控制策略也随之调整，由此实现整个实验的闭环控制。其中消弧线圈的每个档位通过一个对应开关的位置量模拟，15个开关即对应15个档位。当开关位置为“1”时表示消弧线圈处于该档位，开关位置为“0”时表示消弧线圈不处于该档位，这些位置量所表示的档位信息作为DO数字量输出到控制装置。如图2所示。

2.2 试验方法

图2 消弧线圈控制模型示意图

根据以上系统参数，在RSCAD软件上建立闭环测试模型，消弧选线装置和仿真系统的接线示意图如图3所示。RTDS仿真系统将消弧选线装置所需接入的 6条支路电流的零序电流（TA1，TA2，TA3，TA4，TA5，TA6）、10kV 母线零序电压 U0，设定一定的输出比例后，通过RTDS系统中GTAO卡输出的小模拟信号经功率放大器提供给消弧选线装置。消弧线圈的15个开关位置的档位信息经RTDS系统中GTDO卡后通过开关量转换装置输出给装置。装置的动作脉冲信号能通过GTDI卡反馈给系统，仿真系统根据上调或者下调的信号实时改变消弧线圈档位，从而改变一次系统的运行状况。在RTDS的RSCAD软件上能实时监控一次系统各模拟量、状态量的波形及装置动作信号的波形。

图3 装置与仿真系统接线示意图

3 试验项目及结果分析

根据以上所示搭建的仿真环境，以南瑞科技股份有限公司消弧选线装置NES3000为被试对象。

3.1 电容电流测算实验

在实际的调谐测量中，选取最靠近谐振点的多点进行拟合计算，谐振点附近的曲线最接近抛物线曲线，拟合误差小、测量误差小，计算精度高。此方法原理简单可靠，并考虑到了影响电容电流的各种因素，理论误差小；且此方法便于计算机采样计算，计算方法简便易用，避免了复杂运算带来的计算误差，适合工程推广应用；另一方面，自动跟踪补偿消弧线圈装置一般也采用中性点位移电压（U0）作为跟踪补偿的特征量，这也为电容电流测算与调谐过程的融合创造了条件。

试验时，通过比较系统在线路全接入、架空线路退出电缆线路接入、某一条线路退出，3种不同运行方式下的电容电流的理论计算值与消弧装置的测算值，来判断电容电流测算方法的准确性。试验时，在不同系统运行工况下装置电容电流的测算误差不超过1.5%。

3.2 自动调谐实验

为了提高消弧线圈调谐策略的实用性，增加设备的可靠性及安全性，在考虑现场应用实际的基础上，把测量和调谐两个过程相结合，实现消弧线圈调谐过程与电容电流测算过程的并行处理，有效减少了调档次数，提高了设备运行的可靠性，并延长了消弧线圈的使用寿命。试验时，系统在线路全部接入、部分线路接入不同的运行方式下，通过RTDS仿真消弧线圈模型给出不同的初始档位，被试装置调谐后的最终补偿档位脱谐度均小于±5%。系统线路全接入时，零序电压U0随消弧档位变化的情况，整体变化趋势类似于开口向下的抛物线，其中11档时U0最大，离谐振点最近，如图4所示。

图4 消弧装置自动调谐过程（1～6线路全接入时）

3.3 自动跟踪实验

当系统运行方式发生改变 （如线路进行投切）时，应进行跟踪调谐；而当系统发生扰动时，应确保消弧线圈设备不乱动。试验中，在系统正常运行的情况下，每条线路进行投切，被试装置建立了相应的数学识别模型[5]，当遇到线路投切时，能够及时、准确地调节消弧线圈的档位至合适的补偿位置，试验数据如表1所示。

3.4 验证消弧线圈补偿效果实验

当检测到系统发生单相接地故障时，消弧线圈应能够立即对故障线路实施补偿，保障了补偿的时效性，最大限度地减小故障带来的影响。与此同时，控制装置能立刻发出控制指令短接阻尼电阻，保障阻尼电阻的运行安全，提高消弧线圈补偿效果。当故障结束后，重新对消弧线圈进行调谐测量，使消弧线圈的补偿位置能够适应新的系统运行状态，并且投入阻尼电阻，保障系统的中性点位移电压位于合适范围内。试验中，为了验证消弧线圈补偿效果实验，在每条线路首端、中点、末端分别模拟金属性单相接地故障、经过20 Ω过渡电阻单相接地故障。当系统发生各种故障时，RTDS仿真系统能模拟阻尼电阻短接，被试装置均能实现消弧线圈的自动补偿功能，实现对故障电流的有效补偿。试验波形如图5所示。

表1 自动跟踪试验

3.5 验证选线算法的准确性实验

图5 线路1首端单相接地故障消弧线圈的补偿效果

对于中性点经消弧线圈接地系统，当发生单相接地故障时，在保证系统安全可靠运行的基础上，通过调节消弧线圈的档位 （上调一档或者下调一档），使接地点的残流发生突变，这个突变电流主要在故障线路中体现出来，因此利用故障线路和非故障线路电流突变特征的差异可以选出故障线路。试验时，在系统每条线路上的首端、中点、末端分别模拟金属性单相接地故障、经过不同过渡电阻单相接地故障。通过试验可以证明，该选线装置能够与消弧线圈控制协调配合，解决了消弧线圈对传统单相接地选线技术的影响，选线成功率高，如图6所示。

图6 线路1、2、4首端单相接地故障调档前后零序电流电压的变化情况

通过以上试验，被试消弧选线装置在RTDS仿真系统构建的配网环境下可靠运行，相互配合，准确选线。试验过程中，装置实测值与理论测算值十分接近，同时也验证了RTDS上所建立的仿真系统模型能够完全适用于消弧选线装置的试验。

4 结束语

为了模拟消弧选线装置在配网中的实际工况,本文在RTDS实时数字仿真系统中首次建立了实时可调消弧线圈模型，打破了传统的配电网模拟方法,实现了消弧线圈自动跟踪补偿与接地选线装置的闭环试验。同时，对于NSE3000被试装置进行了各项试验，试验结果与设计思路吻合，选线装置基本能够保证较高的选线成功率，验证了选线算法的实用性与装置的可靠性。消弧选线装置与RTDS仿真系统能够可靠闭环运行，相互配合，试验结论与理论上一致。因此，利用RTDS所建经消弧线圈接地的配网模型是可行、可信的。

[1]叶 林，杨仁刚，杨明皓，等.电力系统实时数字仿真器RTDS[J].电工技术杂志， 2004(7)：49-52.

[2]DL/T 1057—2007，自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件[S].

[3]张 玲.自动跟踪补偿消弧线圈装置的应用[J].电力学报，2006，21（2）：172-175.

[4]穆大庆.消弧线圈接地电网中单相接地保护的新原理探讨[J].继电器，2001，06(07):14-19.

[5]陈忠仁，吴维宁，张 勤，等.调匝式消弧线圈自动调谐新方法[J].电力系统自动化，2005，29（24）：75-78.