适用于动模仿真试验的虚拟线路保护逻辑设计

姜 光，申留生

（东方电子股份有限公司，山东烟台264000）

0 引言

部分电力系统控制与保护装置在动模试验环节中，需要与线路保护装置协同动作，实现特定的保护功能[1]。如母线断路器发生失灵故障时，母线保护与线路保护之间存在协同动作行为；安装有串联电容器补偿装置的线路上的断路器发生失灵故障时，串补控保装置与线路保护之间存在协同动作行为[2-4]。

串补控保装置部分保护功能，涉及到与线路保护装置的相互配合。当旁路断路器发生合闸失灵故障时，串补控保装置需向线路保护发出“串补跳线路”信号，后者接收到信号后，动作于跳线路两侧断路器，避免电容器组因过负荷故障而损毁[5-7]。线路保护动作，跳闸线路两侧断路器时，需向串补控保装置发送“线路跳串补”信号，串补装置接收到该信号后，执行相应的动作[8-10]。

采用实际线路保护装置配合串补装置进行动模试验，需要增加试验设备（如功率放大器）投入数量，试验规模、测试人员工作量及试验成本均会增加，不利于检测试验效率的提高。开发虚拟线路保护技术，在电力系统实时仿真平台上进行近似的线路保护逻辑仿真建模，完成对实际线路保护的动作行为的等价替换，信号不出仿真系统，完成串补控保装置动模测试配合的同时，提高了仿真环境的集成度及试验效率，降低了试验成本。

1 系统介绍

串补控保装置动模试验结构图如图1所示。在电力系统实时仿真器中完成输电线路、串补一次设备、虚拟线路保护及故障触发的仿真建模，串补电容器补偿装置采样系统电流二次值、旁路断路器位置、线路跳串补等开关量信号，并向仿真系统发送动作出口开关量信号。

图1 串补控保装置动模试验结构图

虚拟线路保护分相跳闸控制模块如图1中小虚线框所示，在实时仿真系统中完成逻辑的建模，虚拟保护控制模块提取仿真系统中的故障触发模块的特征并进行逻辑运算，实现以下保护功能：1）单相故障，单相跳闸、重合闸；2）多相故障，三相跳闸，闭锁重合闸；3）重合闸于故障线路，三相跳闸；4）单相跳闸时，发送故障相的“线路跳串补”信号；5）多相跳闸时，发送三相的“线路跳串补”信号；6）接收“串补跳线路”指令后，三跳线路两侧断路器。

2 故障类型特征提取

仿真系统中输电线路故障点触发原理如图2所示，故障触发控制字由4个bit位组成，依次控制FA、FB、FC及FG四个断路器的分闸与合闸操作。例如：系统无故障触发时，4个断路器均保持分闸状态；模拟A相接地故障时，FA断路器与FG断路器闭合，FB、FC断路器保持分闸状态。

故障类型触发及控制字配置对应关系如表1所示，分析表1内容可知，当故障触发控制字为9、10、12时，分别对应A相接地故障、B相接地故障、C相接地故障，其它情况为多相故障。将故障触发控制字的十进制数值，作为虚拟线路保护的动作出口判据，可以便捷、正确的等效实际线路保护装置的动作出口，配合串补控制与保护装置的功能验证试验。

图2 输电线路故障触发结构图

表1 故障类型触发及控制字配置对应表

3 虚拟保护逻辑设计

虚拟保护的设计思路为：解析仿真系统的故障触发控制字，提取故障类型的特征值并采样线路断路器的位置信息，并执行与之对应的动作出口，完成实际线路保护装置的功能等效。图3所示为虚拟线路保护设计结构图，可划分为输入、逻辑运算、输出三部分。

图3 虚拟线路保护设计结构图

输入部分包含：故障触发控制字、分相断路器合位信号、重合闸控制字、首次跳闸动作时间、重合闸动作时间、加速跳闸动作时间。逻辑运算包括：单相故障保护逻辑、多相故障保护逻辑及跳闸合闸出口融合模块。输出部分包含：三相断路器的跳闸、合闸指令出口。

单相故障保护逻辑由A相、B相、C相三部分组成，图4为所示的虚拟线路保护的保护逻辑示意图仅体现A相部分。故障触发特征提取模块解析故障触发控制字（FltCtrlWord），分别输出单相故障标识位（如F_AN）或多相故障标识位（F_Multi）。

系统模拟A相接地故障时（B相、C相接地故障的保护逻辑相似，不再重复分析），运行图4的绿色虚线框中的逻辑，A相接地故障标识位（F_AN）置1时，上升沿触发模块（PU）、下降沿触发模块（PD）相互配合，经预定延时（T_Tz1st）产生100 ms的跳闸脉冲（TZ_1A）。TZ_1A经上升沿触发模块展宽后并检测A相断路器跳闸位置信号，满足条件后触发重合闸逻辑，并产生重合闸动作出口（CHZ_1A）。CHZ_1A经上升沿触发模块展宽后，观测A相故障触发是否有效且A相断路器是否合闸位置，执行重合于故障加速跳闸逻辑。

图4 虚拟线路保护逻辑框图

系统模拟多相故障时，虚拟保护应跳闸三相断路器，并闭锁重合闸操作。首次跳闸出口（TZ_1A）、重合于故障跳闸出口（TZ_2A）、三相跳闸出口（TZ_3T）经或逻辑，组成虚拟保护跳A相断路器出口（TZ_PA）。

重合闸出口（CHZ_1A）经重合闸控制字（EN_CHZ）、多相故障标志位（F_Multi）闭锁后输出A相断路器合闸出口（HZ_PA）。

4 仿真验证

在RTDS仿真系统中搭建所设计的虚拟线路保护逻辑，并进行线路发生区内单相永久性故障试验，对虚拟线路保护的功能进行验证。试验过程中对线路电流、断路器位置信号、故障触发控制字及虚拟保护的动作出口等关键量进行录波。

区内发生单相永久性接地故障时，虚拟线路保护装置的动作应为依次应该为：单相跳闸隔离故障、单相重合闸、重合于故障、加速三相跳闸。图5、图6为单相永久性接地故障时的仿真录波图。CT2A、CT2B、CT2C为图1中的线路L1的N侧电流互感器二次值，Flt1为故障标志位，BitA、BitB、BitC、BitN为4个故障触发开关的控制位。FaultAN为A相接地故障识别位，TZ_1st_A、CHZ_1st_A、TZ_2nd_A分别为首次跳闸、重合闸、加速跳闸动作位。TZ_PA、TZ_PB、TZ_PC、HZ_PA、HZ_PB、HZ_PC，分别为虚拟保护的三相跳闸、合闸出口位。WZ_BRK2A、WZ_BRK2B、WZ_BRK2C为线路L1的N侧断路器的分相合位信号。

图5 模拟量录波图

图6 开关量录波图

模拟线路区内发生A相永久性接地故障。以故障触发时刻为0时刻，故障触发期间Flt1=1，故障触发控制字为9（即BitA=BitN=1，BitB=BitC=0）。虚拟保护正确识别后，经跳闸延时执行A相跳闸，经重合闸延时识别A相断路器位置处于分位，执行重合闸操作。重合闸于故障，加速三相跳闸（即TZ_PA，TZ_PB，TZ_PC均出口动作），虚拟保护的动作行为、故障触发控制字及断路器位置变位情况，符合逻辑设计。

5 结语

通过提取实时仿真系统中线路故障触发控制字的特征值，搭建了虚拟线路保护逻辑，进行实际线路保护装置的不同故障动作行为的等效，以一种更为简便、经济、高效的方式，完成了高压串联电容器补偿控制保护装置的动态特性功能试验环境的建设。在试验系统中所开展的典型仿真算例表明，所设计的虚拟线路保护逻辑，能够满足串补控保装置动态特性试验的应用。降低了试验环境建设成本与周期，对相关从业人员具有一定的参考价值。