基于RTDS的线路非稳定性高阻接地故障仿真

徐浩，尹超勇，董国琴，2，王善诺，许立强，2，欧阳帆，朱维钧

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙410007；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004)

0 引言

近两年来湖南电网发生了几起110 kV线路非稳定性高阻接地故障下220 kV主变越级跳闸事故。非稳定高阻接地故障下，零序电压和零序电流幅值较小，并呈周期性忽大忽小、整体逐渐增大趋势，罕见故障特征严重威胁线路距离保护和零序保护的正确动作。所述事故线路均采用单端线路保护，即保护功能由线路一侧的电气量和开关量实现[1-4]。这几起非稳定性高阻接地故障，主变越级跳闸的主要诱因是，线路保护装置在TA断线计时TA断线判据、3U0门槛等方面存在对保护功能有闭锁作用的隐形判据。虽然主变保护和线路保护整定值存在级差配合关系，但隐形判据不一致(特别是上下游设备采用不同厂家设备时)，导致实际上线路保护动作条件比主变保护苛刻，违反了上下游保护级差配合原则。

隐形判据没有体现在说明书和定值单中，使设备运维检修存在盲区，在厂家疏忽或遇到特殊故障时，将导致保护不正确动作，威胁电网的安全稳定运行。一些隐形判据在上述事故案例中被暴露出来，但不确定是否存在其他导致保护不正确动作的隐形判据。在这种特殊工况下，为解决单端线路保护灵敏性不足而配置的光纤差动保护是否有足够的灵敏性和可靠性，缺乏足够的理论和经验支撑，最有效的方式是依靠建模仿真试验来验证。

伴随数值计算等技术的快速发展以及对电机和电力系统暂、稳态过程认识的加深，国内外已经出现了一些应用成熟的数值仿真软件，如ETAP、EMTDC、PSPICE、PSCAD、Matlab等。这些软件可定量分析不同运行方式下系统各种电磁物理量的变化情况，但前提是所分析的电力系统及其各元件的数学表达式均已明确，因此应用于挖掘保护装置隐形判据时存在较大建模困难。而电力系统实时数字仿真器(Real Time Digital Simulator，RTDS)具备丰富的输入与输出接口，能够与实际外部设备接驳构筑灵活方便的数字—物理闭环试验回路，实现数模混合仿真，从而规避了外部设备数学模型不明确带来的建模困难，这是单纯数值仿真软件所无法实现的[5-9]。

本文基于非稳定性高阻接地故障特征，分析出非稳定性接地电阻中同时存在周期性成分和非周期性成分这一特征，并从试验需求、试验平台、试验模型、设备配置等方面详细剖析了基于RTDS的非稳定性高阻接地仿真建模方式。

1 试验需求

以某220 kV变电站2号主变跳闸事故为例。该变电站220 kV系统包含两台主变，跳闸前两台主变并列运行，1号主变中性点接地运行，2号主变中性点不接地运行。故障原因为桉树覆冰断裂搭接于110 kVⅡ母某出线A相，造成该相线路非稳定性高阻接地。故障发生后，故障出线A相电流、零序电流及对应母线零序电压均周期性忽大忽小变化，且整体趋势缓慢增大，如图1所示。通过逆向分析可知，对应该故障特征的接地电阻周期性忽小忽大变化，且整体趋势也呈缓慢减小。换言之，该接地电阻是渐变电阻，包含周期性变化成分和非周期性递减成分，且最终阻值为周期性成分和非周期性成分之和。由于故障特征罕见，该线路所配置的单端线路保护未能正确动作，最终由上游主变中压侧零序过流保护越级动作，造成事故停电范围扩大。

图1 110 kV故障线路故障录波图

基于RTDS的仿真试验是在模拟上述事故案例电气量特征的基础上，设置不同的故障点、不同故障程度以及恒定高阻接地故障，进一步挖掘线路保护装置(单端和光纤差动)的动作盲区，为探索提升单端线路保护装置动作可靠性和灵敏性的技术措施和管理措施，进一步提高继电保护正确动作率提供决策支撑。因此，本试验的需求包括准确模拟恒定和非稳定性高阻接地故障，将RTDS故障特征反馈至有直接级差配合关系的主变保护装置和线路保护装置，并将单端线路保护装置和光差线路保护装置串接。

2 试验平台及建模仿真

2.1 RTDS概述

简单来讲，RTDS主要由RSCAD工作站、用于计算的RACK以及输入输出板卡等构成。RSCAD工作站是实时仿真电力系统电磁暂态过程的用户接口，RACK负责系统计算，输入输出板卡实现系统参数与外部设备互联。RSCAD常用的模块包括Draft、Runtime、T-Line和Cable模块等。其中，Draft模块主要功能是从给定的元件库中选择元器件绘制和编译被仿真电力系统的电路图，编译成功后将自动生成Runtime文件；Runtime主要功能是运行电路，并使用图形化的表计、滑杆、按钮以及平面坐标图来显示系统模型中的各个系统或变量；T-Line和Cable分别用于架空线和电缆的建模，本试验主要采用架空线[10-13]。

为实现闭环控制，RTDS包含四类输入输出接口，分别是GTAO(Analogue Output Card)卡，模拟量输出卡，用以输出模拟量；GTAI(Analogue Input Card)卡，模拟量输入卡，用以采集各种模拟量信号；GTDO(DIgital Output Card)卡，开关量输出卡，用于控制外接开关设备保护设备；GTDI(Digital Iutput Card)卡，开关量输入卡，用于采集各种开关量信号。本试验需要用到GTDO、GTDI和GTAO三类板卡。其中，GTDO的电路原理如图2所示，GTDO只能输出高低电平，当有触发信号时输出高电平，且板卡单路输出信号能够承受的最大电压为35 V。试验所用保护装置开入电源电压高于35 V，为适应保护装置开入插件，还需另行为GTDO板卡配置继电器，将高低电平信号转换为干接点信号。

图2 GTDO原理图

2.2 试验平台

整个试验平台由RTDS、功率放大器和保护装置三个部分构成，如图3所示。其中，RTDS搭建一次系统模型，通过外设接口模块GTAO以直流小信号形式输出母线电压、线路电流二次值至功率放大器；通过外设接口模块GTDO输出断路器位置信号至保护装置；通过外设接口模块GTDI接收保护装置跳闸信号。功率放大器接收RTDS传递的直流小信号，并转换、放大为与一次系统相匹配的三相交流电压和三相交流电流后，输出至保护装置。保护装置接收功率放大器输出的电压、电流量以及GTDO输出的开关位置信号，根据投入的保护功能执行既定动作逻辑，并将动作结果通过GTDI反馈至RTDS，控制断路器跳闸。图3中一次系统模型包含两条110 kV线路、一台发电机、两个无穷大系统，通过BRK01—BRK06六个断路器的通断改变系统运行工况；保护装置所用电流从功率放大器依次串接，所用电压从功率放大器并接，所用断路器分合闸位置信号相互独立，没有寄生回路。

图3 非稳定性高阻接地仿真试验原理图

试验对象为线路2的变压器保护、单端线路保护及光差线路保护，共设置六个故障点，分别是F11、F12、F13、F21、F22和F23。其中，F11和F21在线路首端，F12和F22在线路中间，F13和F23在线路末端。对于线路2而言，F11、F12、F13为区外故障。每个故障点均模拟不同阻值恒定电阻的单相接地故障以及渐变阻值的单相接地故障，其中渐变电阻呈忽大忽小且逐渐变大趋势。

试验期间，通过BRK01—BRK06六个断路器可设置各种工况，每一种工况下分别模拟六个故障点的单相接地故障。本试验共设定了线路空载、双侧电源、背侧系统零序阻抗大、背侧系统零序阻抗小等六种工况，见表1。

表1 试验工况列表

2.3 试验模型

基于图3，搭建如图4所示的仿真模型，其中渐变电阻模型如图5所示。由图5可知，渐变电阻主要由非周期性递增电阻和周期性电阻两部分组成，具体逻辑如下:

1)非周期性电阻由选择器1、积分器、加法器1、选择器2构成。选择器1有A、B两个输入和Ctrl一个控制信号；当Ctrl=0时，选择器1输出A，否则输出B。积分器主要参数为周期T，当T=1时，表示其输出每1 s增加一次，每次增幅为积分器输入值。加法器1包含两个输入，每个输入对应一个运算符号“+”或“-”，其输出结果为各输入经运算符号运算后的代数和。选择器1的输出作为积分器的输入，积分器的输出作为加法器1的一个输入，加法器输出作为选择器2的一个输入。

2)周期性电阻主要由正弦信号发生器、绝对值运算器、限幅器、除法器1、选择器4、比较器、选择器3和除法器2构成。正弦信号发生器有三个输入，Mag为幅值，Freq为频率，AbsPhase为相位。比较器有A和B两个输入，当A大于等于B时，比较器输出0，否则输出1。

3)选择器2的输出和选择器3的输出经过乘法处理后，输出为最终的非稳定性接地电阻。启动开关启动后，输出60 s的高电位脉冲，启动整个非稳定性接地故障过程。

图4 仿真系统架构

图5 渐变电阻模型

2.4 设备配置

试验所用保护装置型号见表2。其中，PSL621U保护装置TA断线判据:负序电流大于0.02 In，且任一相相电流小于0.02 In。

表2 设备型号列表

试验期间，主变保护仅投入零序过流保护，光纤差动线路保护仅投入差动保护，单端线路保护仅投入距离保护和零序过流保护(分带方向和不带方向两种情况)。主变零序过流保护和单端线路保护零序过流保护动作值均为0.55 A，时间均为3.6 s，即不考虑主变和线路零序过流保护整定值固有的级差配合，专注于分析隐形判据的影响。

2.5 试验结论

仿真获得如图6所示非稳定性高阻接地故障波形。对比图6和图1可知，试验方法基本能够模拟出非稳定性高阻接地这一个特殊故障特征。试验中系统工况、故障点、接地电阻、线路保护方向元件状态等可排列组合出为数众多的试验项目，通过对试验记录的整理和分析，得出以下试验结论:

图6 非稳定性高阻接地仿真波形

1)除线路两侧有压、一侧断开、且断开侧TWJ回路故障无开入这一特殊工况外，光差线路保护在各种恒阻抗高阻接地、非稳定性高阻接地等工况下均具有较高的灵敏性，动作性能明显优于单端线路保护。

2)在线路两侧有压、一侧断开、且断开侧TWJ回路故障无开入时，光差线路保护在高阻接地故障下灵敏性低于单端线路保护的零序过流保护。工程实际中，该工况主要出现在线路空充和重合闸期间。一般来讲，线路空充前不会允许保护装置出现控回断线告警，而重合于故障再动作不依赖差动保护，因此导致保护装置拒动概率较小。

3)零序电流对高阻接地故障具有较高的灵敏度，主变和线路零序方向过流保护的灵敏性主要受制于零序方向元件的零序电压门槛值。未发现除3U0外其他影响线路保护动作性能的隐形判据。

4)线路保护和主变保护零序方向元件均存在零序电压门槛，且均未对用户开放。试验所用单端线路保护零序电压门槛高于主变保护零序电压门槛。在高阻接地故障下时，多次出现零序电压介于单端线路保护和主变保护零序电压门槛值之间的情况，导致主变保护先于单端线路保护动作。

5)主变保护和单端线路保护电流采样回路精度不一致，虽然二者整定值相同，但在零序电流动作边界上，存在主变零序保护动作、单端线路保护装置零序保护(不带方向)未动作的情况。

6)线路背侧系统阻抗对故障零序电压具有较大影响，线路背侧系统阻抗小时更容易出现故障零序电压介于线路保护和主变保护之间的现象。

7)在不发生TA断线告警的前提下，渐变接地电阻与恒阻抗接地电阻对于线路保护和主变保护零序过流保护而言并没有明显的差别，动作行为均取决于装置动作计时窗口内的接地电阻值。

2.6 建议

上述试验结论基于表2所列型号保护设备获得，对于不同判据的保护设备试验结果可能不同。本文重点在于提出基于RTDS的高阻接地故障建模方法，并未对多个型号保护设备进行仿真。针对上述试验结论，提出如下建议:

1)110 kV及以上电压等级线路配置光纤差动保护，提高线路保护装置主保护动作性能。

2)工程实际中，尽量减少线路处于单侧开关合闸工况的时间。

3)从保护级差配合的角度看，主变零序过流保护动作判据应比线路零序过流保护严苛。光纤化改造过渡期内，建议修改主变或线路保护装置零序电压门槛值，使线路保护零序电压门槛值小于对应主变保护对应侧的零序电压门槛值。且实施过程中，优先整改线路保护和对应主变保护不属同一厂家的站点。

4)主变和线路保护零序电压门槛值均较小，设备调试检修时，保护装置电压采样测试应着重校验0～3 V之间的采样精度，并尽量多选测试值，避免保护装置采样精度低导致线路保护实际零序电压门槛高于主变保护的不利影响。

5)工程实际中，主变零序过流保护动作值仅略大于线路零序过流保护。设备调试检修时，保护装置电流采样精度校验应精确到0.05 A(即目前保护装置的最小采样精度)，避免保护装置采样精度低导致主变零序过流保护和线路零序过流保护的实际动作值出现级差失配的不利情况。

6)高阻接地工况下主变保护越级跳闸的根本原因还是单端线路主保护(距离Ⅰ段和距离Ⅱ段)灵敏度不够。因此，提高单端线路保护灵敏性应着重考虑优化主保护的动作灵敏性，如采取零序阻抗继电器等[14-16]。

7)对于高阻接地故障下可能出现TA断线告警闭锁的线路保护装置，应优化其TA断线判断逻辑。高阻接地和TA断线电气量特征并不相同，理论上是存在较大优化空间的。

3 结论

非稳定性高阻接地故障下，基于单端电气量的线路保护装置可能因隐形判据闭锁而拒动，因此隐形判据挖掘和及时处理是进一步提高保护装置动作性能的必要举措，而RTDS是实现这一举措的有效手段。本文详细介绍基于RTDS的非稳定性高阻接地建模仿真方法、流程及项目，总结提炼了试验结论，并针对性地提出了工程应对建议，以期对工程实际提供有益参考。