基于PSCAD与RTDS的配电网小电流接地故障仿真结果分析

王 波

（广州供电局有限公司电力试验研究院，广州 510410）

配电网基本接地方式可根据配电网发生单相接地故障时流过的故障电流大小分为大电流接地系统和小电流接地系统。国外许多国家像美国、日本等的配电系统普遍采用大电流接地方式；我国配电网沿用前苏联电力系统设计思路，一般采用小电流接地方式。小电流接地方式突出优点为：电力系统在发生单相接地故障后其三相线电压仍然保持着对称状态性，不会影响电力系统对用电负荷的供电，供电可靠性较高，与当前供电服务系统提高供电可靠性，大力推行优质供电服务息息相关，但电力规程规定，中性点非有效接地系统发生单相接地故障后，允许继续运行2h，且在此期间供电部门应尽快检测出故障线路以防止故障扩大，影响配电网的稳定性[1-4]。小电流接地系统在发生单相接地故障时，其故障信号故障特征有时并不十分明显，且故障的暂态信号幅值比稳态信号大，而由于暂态过程持续时间极其短暂，以目前已有的检测手段和技术，有时十分难以检测到其暂态特征信号，加之单相接地故障电弧很多时候为间歇的不稳定电弧和各种不平衡电流的影响，使得小电流选线装置在很多情况下难以正确动作[5-10]。

本文拟通过实时仿真软件RTDS 与非实时仿真软件PSCAD，搭建配电网单相接地故障仿真模型，仅选取单相故障发生的故障位置及故障发生的电压此时的初相角大小对于仿真测试结果的影响，通过分析比较两种仿真软件的仿真结果，得出相应地结论。其他故障条件的影响在此限于篇幅不再累述。

基于PSACD 的配电网小电流仿真模型的搭建[11-13]

在PSCAD 中建立配网系统模型，其中架空线路采用Bergeron 模型，如图1所示。图1中的LINE-1、LINE-2、LINE-3 和LINE-4 为正常负荷运行的线路， 10 kV 三相电压是由35 kV 电源与35 kV/10 kV 的变压器构成；电源初始相位假设为0°、45°和90°（采用其他角度也可进行比较，为了方便，本文仅选取了三个典型的电压初始相位角），单相接地故障的设置为采用经一定数值的过渡电阻接地。为了排除其他因素的干扰和便于分析对比，本次仿真模型的参数的设置为4 条回路除线路长度不同外其余线路参数应完全相同且布置对称。

基于RSACD 的配电网小电流单相接地故障仿真模型的搭建[14-16]

图2是利用实时仿真软件RSCAD 建立的10kV小电流接地系统典型的RTDS 模型，模型中含有的主要模块为：三相10kV 交流电力系统（用一台等值发电机表示）、三相双绕组降压变压器、消弧线圈、电缆、架空线路、负荷潮流、故障发生装置、谐波源等。在实际仿真时，各参数可根据实际电网的参数进行设置，这样更有利于模拟现场电网的实际运行情况，更符合现场实际。

图1 PSCAD 的配电网单相接地故障仿真模型

3 仿真结果分析

3.1 基于PSCAD 的小电流选线仿真结果分析[11-13]

1）故障发生时刻电压初始相角大小不同的影响

对于PSCAD 配电网仿真模型，为了研究单相接地故障发生时刻电压初始相角对配电网单相接地故障选线结果的影响，在此次仿真中，我们假定对发生时刻电压初始相角在0°～90°之间变化，进行了大量仿真试验，在此仅选取部分试验结果见表1。由表1中数据可知当过渡电阻比较小时，选线结果正确可靠，不受故障电压初始角的影响；但当过渡电阻较大时，随着故障电压初始角的减小，被误选母线的概率增大。

表1 过补偿小电流系统故障选线结果 （故障电压初相角影响）

2）故障发生的位置不同对仿真结果的影响

为了研究分析故障点位置的不同对故障选线结果的影响，本文在仿真模型中线路不同地点设置配电网单相接地故障，在不同的工况下进行了大量的仿真试验，在此限于篇幅仅选取部分试验结果见表2。由表2可知，故障位置对选线结果几乎没有影响。

表2 过补偿小电流系统故障选线结果 （故障点位置影响）

3.2 基于RSCAD 的配电网小电流选线仿真结果分析[14-16]

1）故障发生时刻电压初始相角的影响

在本次RTDS 仿真试验中，我们预设线路5 为发生单相接地故障的线路，针对配电网不同的接地方式，经过大量仿真试验，限于篇幅，在此仅选择2 幅图进行比较，从图3仿真波形图较易发现故障线路5 的暂态零序电流与正常线路的暂态零序电流相位相反，据此可以判断出故障线路。

图3 故障发生时刻试验仿真波形

2）故障发生的位置不同对仿真结果的影响

由于配电网中性点加装消弧线圈后，在配电网的中性点存在一电感，可对故障电流起着补偿的作用，根据加装消弧线圈的大小不同，补偿方式可分为过补偿、欠补偿和全补偿，因而使得在实际中故障选线更加难以正确选出故障线路，所以本次仅选取加装消弧线圈的架空线与电缆线路加以仿真分析，经过大量仿真试验选取线路中间作为比较，如图4所示。限于篇幅，其他仿真试验波形图在此不再累赘。

图4 故障位置试验波形图

4 结论

通过以上的仿真结果分析比较可知，非实时仿真软件PSCAD 和实时仿真软件RSCAD 均可以针对配电网小电流接地故障进行仿真分析，但是从PSCAD 大量的仿真结果可知：当故障发生时刻的过渡电阻较大时，随着故障发生时刻电压初始相角的减小，仿真结果被误选母线的概率增大，而RSCAD却不会出现此类问题，原因在于RTDS 是实时数字仿真软件，与PSCAD 相比，具有不受仿真周期开关切换次数的限制，因此能够更加有效地模拟现场实际情况，仿真的结果可靠性更高。尽管目前各种小电流选线装置都自称可以达到很高的故障选线准确率，但是由于现场实际情况的复杂多变性，小电流选线装置的选线结果并未能让供电公司满意，以广州电网为例，广州电网目前在配电系统中普遍采用曲折专用变压器，通过该变压器可以有效捕捉配电网单相接地故障的零序电流，再结合配电自动化装置，从而可以十分准确的选出故障线路，因此供电可靠性和稳定性更高。

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