基于RTDSRTDSS的故障指示器外施信号发生装置的集成设计

刘 霡，张彦兵

（1.三峡大学国际文化交流学院，湖北宜昌 443000；2.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南许昌 461000）

0 引言

10 kV配电网采用中性点非有效接地方式（包括中性点经消弧线圈接地、中性点经高阻接地或中性点不接地方式）运行，发生单相接地时接地故障电流小，因此允许带故障运行两个小时，提高了供电可靠性[1-5]。配电线路故障指示器的设计初衷是解决配电网单相接地故障故障区间定位难的现状，通过“采集单元上送数据、主站进行数据分析”的技术手段，实现配电线路故障区间的精确定位，提升配电网运维管理水平、降低配网线路运维成本、提高配电网自动化率[5-10]。

根据接地检测方法的不同，故障指示器可以分为暂态特征型、稳态特征型以及外施信号型。外施信号型故障指示器的故障区间定位需要一次设备（外施信号源）的配合，可以大幅提高故障区间定位的正确率。当配电系统零序电压升高时，外施信号源投入运行产生特征电流信号，特征电流信号包括工频正弦波和工频半波（不对称电流法）两种。

通过仿真的技术手段，在实时仿真系统中实现外施信号源的模拟，可以在实验室环境下灵活的搭建故障指示器测试系统，对外施信号型故障指示器的接地识别功能进行调试或考核。介绍了外施信号源的系统组成，并在仿真系统中设计了集成两种外施信号源特征的信号源发生器，根据不同的测试对象可以便捷的切换信号源的工作模式，对外施信号型故障指示器的调试及测试提供了良好的试验环境。

1 外施信号源一次系统的集成设计

中性点非有效性接地运行方式下，系统单相接地故障电流小，不利于故障指示器的精确故障定位。外施信号发生装置通过自动投切内部对应的交流真空接触器，向配电系统提供零序回路，并对零序回路的开通、关断状态进行编码，协助外施信号型故障指示器实现故障区间的精确定位。外施信号源如图1所示，外施信号发生装置主要有一次设备和二次测量控制部分组成。根据一次部分接入系统的方式不同，外施信号发生装置可以分为经接地变接入型（如虚线框A所示）和直接接入型（如虚线框B所示）；根据所产生特征电流划分，可以分为工频正弦波型（如虚线框A-2，B-2所示）和工频半波型（如虚线框A-1，B-1所示）。

图1 外施信号源集成系统设计

外施信号发生装置的二次测量部分如虚线框C所示，主要有电压采集模块、启动模块、选相模块及特征序产生模块组成。其中KTb、KTq分别为经接地变接入的信号源半波断路器、经接地变接入的全波信号源断路器。Kb、Kq分别为直接接入的半波、全波信号源断路器。

通过特征序列脉冲驱动接地开关，向配电网系统提供间歇性的零序回路通道，外施信号型故障指示识别接地故障时的特征信号，外施信号发生装置发出的特征序列信号如图2所示，△T1=120 ms（±30 ms），△T2=800 ms（±30 ms），△T3=1 000 ms（±30 ms），△I=I2-I1，最小识别电流不大于10 A。

图2 外施典型特征信号

2 外施信号源控制逻辑的集成设计

外施信号源控制系统的仿真设计如图3所示，主要有输入部分、集成部分、输出部分组成。其中，输入部分包括系统相电压、零序电压、零序电压启动定值、特征电流序列定值、信号源接入方式、特征电流波形选择。集成部分为信号源不同工作状态的仿真集成设计。输出部分为图1中各断路器的驱动控制字，执行集成部分的设计输出。

图3 控制系统仿真设计框图

集成部分主要分为两部分：特征序列发生系统及中驱动脉冲通道选择部分。特征序列发生系统如图4所示，实时观测零序电压，当超过设定值时，产生特征序列使能信号。特征序列产生模块接收Ty，T1，T2，T3预设定值，当接收到序列使能信号后，发出特征脉冲信号。

图4 特征序列发生系统

驱动脉冲通道选择部分如图5所示。信号源接入方式选择器负责特征脉冲信号的引导，特征电流波形选择器负责KNA、KNB、KNC、Kb控制信号的解锁及闭锁。当信号源接入方式选择器为直接接入配电网时，通过观测故障后相电压的变化趋势识别故障相，根据预设顺序，选择投切控制断路器及闭锁断路器；当信号源接入方式选择器为经接地变接入时，特征脉冲信号直接驱动KTb或KTq断路器。

图5 驱动脉冲通道选择系统

对外施信号源的一次系统进行集成设计，并完成对应控制逻辑的封装设计，可以便捷的实现外施信号源的仿真建模，简化了外施信号型故障指示器的仿真测试环境的建设。

3 仿真验证

为验证所提出的外施信号源仿真系统集成设计是有效、可行的。在仿真平台上搭建典型的小电流接地配电系统，并分别搭建一次系统集成模块及控制逻辑的集成设计模块。模拟配电系统发生单相接地故障，观测所设计的外施信号源在不同工作模式下是否有效工作。图6所示为外施信号源直接接入配电网系统，注入全波特征电流工作模式下的观测波形。图7所示为外施信号源经接地变接入配电网系统，注入半波特征电流工作模式下的观测波形。

其中U1_3U0为配电系统零序电压；IL1A1、IL1B1、IL1C1为故障线路电流观测值；ZJ3I0为信号源提供零序回路流过的零序电流；ZT3I0为信号源经接地变注入的零序电流；SW_ConTyp为信号源接入方式（0：直接注入，1：经接地变注入）；SW_WaveTyp为特征波形类别（0全波，1：半波）；Plus_ws为特征序列脉冲；BRK_X（X=KNA，KNB，KNC，Kq，Kb，KTq，KTb）为对应断路器的驱动脉冲。

图6 直接注入全波特征电流

图7 经接地变接入注入半波特征电流

图6 所示为出线A相发生单相接地故障，外施信号源通过C相注入全波型特征电流。即BRK_KNC通道间歇性通断且BRK_Kq保持导通状态，ZJ3I0为全波型特征电流，并叠加到故障相即ILB1呈现特征电流波形。

图7所示为出线A相发生单相接地故障，外施信号源经接地变注入半波型特征电流。即BRK_KTb间歇性通断，ZT3I0为半波型特征电流，并叠加到故障相即TL1B1呈现特征电流波形。

4 结语

采用实时仿真技术手段实现故障指示器外施信号源一次、二次系统的集成设计，为外施型故障指示器装置的功能调试、性能测试提供了低成本、易操作、高效率的解决思路。在RTDS实时仿真平台上对所提出的外施信号源一次系统集成设计、外施信号源控制逻辑集成设计进行了仿真建模，并分别在直接注入全波特征电流和经接地变注入半波特征电流两种工作模式下，模拟线路发生单相接地故障，外施信号源实现了自动启动、自动判别故障相、正确驱动断路器并发出特征电流脉冲。仿真试验结果表明所提出的设计方案是有效、可行的。