基于实时数字仿真系统的小电流接地选线装置性能测试

徐彪，臧欣，欧阳帆，李辉，梁文武

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

0 引言

我国中低压配网普遍采用小电流接地方式[1－2]，当发生单相接地故障时，接地故障电流很小，可在接地故障后维持一段时间的运行。然而，随着配电网规模的发展，小电流接地也同样会带来弧光接地过电压、接地电弧消弧困难、接地故障特征微弱等问题[3－4]。小电流接地选线的作用就是在单相接地故障后快速确定故障线路，快速排查故障线路。

目前的选线装置综合采用稳态原理、暂态原理、外加信号原理等不同方法进行选线，在理论研究方面已相对成熟[5－7]。然而，现场应用情况表明接地选线效果并不好。究其原因，主要是当前小电流接地故障选线装置一直缺乏有效的行业标准和检验准则，且不同厂家研制的选线装置在原理算法、功能结构、安装、适用环境等方面也存在显著差异[8－10]。此外，产品选型时现场用户无标准可依，不能把握产品特点，也难以横向比较测试不同产品的优劣，这些均是小电流接地选线应用效果不佳的重要因素[11－13]。

因此，开展小电流接地选线装置的性能测试对于指导现场生产应用具有重要意义。现有的小电流接地选线测试方法主要有两类，一是通过仿真形式对选线的算法进行测试，实时性差且难以做到实际装置的硬件在环测试。第二类是基于小电流选线装置自身的波形回测，这种方式只适用于现场发生的故障且有装置录波的情况。对于具体的选线装置而言，在现场发生测试场景不多，难以全面测试性能的有效性，另外这种方式也不能实现不同装置的并行测试和性能比较，存在明显的局限。

为此，本文选择基于实时数字仿真系统(RTDS)搭建配电网小电流接地选线装置性能测试平台。RTDS可以完成实时仿真以及物理装置的硬件在环测试，开展各种运行和故障场景的仿真测试，并对不同厂家的小电流接地选线装置进行并行的性能测试。全方位故障场景下的同台“比武竞技”，对不同装置的性能进行评价，是评价和比较现有设备和新设备选线效果的有效途径，可为现场小电流选线装置的试点选型应用工作提供有力支撑。

1 基于RTDS的小电流接地选线装置测试平台

RTDS是实时数字仿真系统(Real Time Digital Simulation System)的简称，是一款能够实时进行电力系统暂态仿真的并行计算机系统，具备实时、闭环、连续开展数字仿真的优势。并且，RTDS可通过输入输出板卡和功率放大器装置，与各类保护及自动化装置构成闭环系统，能够详细地记录各种装置动作情况、曲线波形，完成功能测试研究。基于RTDS系统构建的小电流接地选线性能测试平台，主要由RSCAD工作站、计算中央RACK、输入输出板卡、功率放大器以及小电流接地选线装置等构成。RSCAD工作站是实时仿真系统的用户接口，负责一次系统的图形化建模。中央RACK负责一次系统的实时仿真计算，通过输入输出板卡实现计算得到的各电气量与外部小电流装置的互联。整体基于RTDS的选线装置测试平台如图1所示。

图1 基于RTDS的选线装置测试平台示意图

当在RSCAD工作站的一次系统中模拟产生接地故障后，中央RACK可以实时计算出故障电气量并输出母线相电压、零序电压和各条线路零序电流等多路信号至功率放大器，功率放大器则参照现场实际互感器变比情况设置信号缩放比例，确保功率放大器输出的母线零序电压和线路零序电流与实际二次值大小一致。将功率放大器的输出信号通过硬接线方式接入小电流接地选线装置，如此可以实现小电流选线装置的硬件在环测试。

本文测试初步选取四个不同厂家的小电流选线装置产品进行并行测试(以下简称装置一、装置二、装置三和装置四)。由于各台选线装置需要引入的电气量包括母线三相电压、零序电压以及各条馈线的零序电流信息，因此在对各测试装置进行接线时，采取电压量并联、电流量串联的方式，确保所有装置的选线场景及电气量完全一致，确保各装置是在完全相同的故障场景下并行测试并比较其选线性能。小电流接地选线装置的实际接线图如图2所示。

图2 小电流接地选线装置接线图

2 小电流接地配电网的仿真建模及故障测试场景设置

2.1 仿真模型

根据行业标准DL/T872—2016《小电流接地系统单相接地故障选线装置技术条件》要求，小电流接地选线装置在系统发生单相接地时，应能够准确选线并显示接地线路和母线编号，并特别指出在对小电流选线装置进行投运前试验时，要求分别在中性点不接地、经消弧线圈接地系统中发生单相接地故障，同时对接地性质做出要求，包括永久性接地和间歇性弧光接地。

为此，在充分借鉴现场110/10 kV变电站结构、馈线、配电变压器及负荷配置的基础上，遵循设计规范对各设备进行参数确定及选型，在RSCAD工作站中，搭建一个典型的10 kV配电网系统仿真模型，其系统如图3所示。一次配电网系统包括1台110/10 kV主变压器，1台ZigZag型接地变压器，10 kV侧有5条出线，包括2条架空线路、2条电缆线路、一条电缆－架空线混合线路。需要说明的是，仿真系统模型及规模可根据实际配电网中变电站及其10 kV出线的拓扑结构及设备参数进行调整。

图3 典型10 kV配电网系统仿真模型

2.2 仿真线路参数设置

对于模型中的架空线与电缆模型，在针对实际问题的仿真过程中，需要根据具体的线路型号、排布方式对架空线及电缆模型中的相关参数及设置进行调整。为便于消弧线圈参数的定量化设计，所有架空线和电缆模型均采Bergeron模型，参数则参考现有文献研究中常用的典型参数进行设置，见表1。

表1 线路模型相关参数

2.3 故障位置设置

为了考虑故障位置对选线的影响，在测试时分别考虑架空线、电缆、电缆－架空线混合线路以及母线故障。对于电缆和架空线而言，考虑的故障位置为线路首端、三分之一位置、三分之二位置以及线路末端。因此，对于架空线路，若其长度为8 km，则故障位置的设置情况为0 km、2.67 km、5.33 km、8 km四种情况；对于电缆，若其长度为2 km，则故障位置设置为0 km、0.67 km、1.33 km、2 km处四种情况。而对于混合线路而言，考虑的故障位置为电缆首端、电缆中点、线缆连接点、架空线中点以及架空线末端，如对于2 km电缆和8 km架空线的混合线路，本次考虑故障点位置设置为0 km、1 km、2 km、6 km、10 km处五种情况。

2.4 接地故障模块设置

考虑到高阻接地故障对选线准确性的影响较大，因此，在故障模块电阻的设定方面，在高阻区的电阻间隔设置区间更细，设置测试的过渡电阻情况主要考虑为3 000Ω、2 800Ω、2 600Ω、2 400Ω、2 200Ω、2 000Ω、1 000Ω、500Ω、0.1Ω共九种情况。

此外，考虑到故障合闸角对选线的影响，测试设置合闸角为0°、30°、60°、90°，对选线装置进行测试。由于系统电压频率为50 Hz，每个周波对应为20 ms，因此，在RSCAD模型中通过电压过零点精准检测的方式，在过零点之后延迟固定的时间控制故障发生，从而模拟对应控制故障合闸角。如对于90°故障合闸，则在故障相电压过零点后延迟5 ms触发故障即可。

2.5 故障电弧模块

根据测试要求，模型应可设置为永久性故障或弧光接地故障。在RSCAD系统中自带有典型的Cassie和Mayr电弧模型，但是仿真测试表明系统自带的电弧故障模型难以仿真出小电流接地系统的弧光接地的熄弧特征。因此，参考文献[14]关于“控制论”电弧模型，采取可变电阻受控元件构建自定义电弧模块。其电弧电导的非线性可控制模型的数学表达式为:

式中，g为瞬时电弧电导，Gs为稳态的电弧电导，τs为电弧时间常数。Vs0为单位弧长压降，一般取75 V/cm，ih为瞬时电弧电流，l为电弧的间隙长度。β为常量系数，一般取7.5×10－6，Is为电弧电流幅值，近似等于金属性接地故障稳态电流幅值。经仿真测试，电弧电导和电弧电流主要受电弧长度的影响较为显著，设置电弧长度分别为30 cm、75 cm、120 cm三种情况进行仿真测试。

2.6 消弧线圈设置

在中性点经消弧线圈接地系统中，一般选择消弧线圈为过补偿方式来补偿系统的对地电容电流，补偿度一般为10%左右，即补偿后的金属性接地故障电流为补偿前故障电流的10%，且补偿后故障电流为感性电流。为测试不同补偿度对小电流接地选线的影响，选择消弧线圈的过补偿度为＋5%和＋10%。

理论上，当消弧线圈电流完全补偿系统的对地电容电流时，接地点的故障电流近似为0，此时应满足:

式中，L为消弧线圈电感；CΣ为系统三相对地电容。根据系统电缆以及架空线路的参数，可以求得CΣ＝2.661×10－6F，因此为实现完全补偿应有L＝1.27 H，而当过补偿度为5%对应的电感值为1.209 5 H，过补偿度为10%对应的电感值为1.154 5 H。

3 四种选线装置的测试结果及分析

基于前述RTDS的小电流接地平台，对四个不同厂家的小电流接地选线装置进行性能测试，根据测试的故障场景可以分成4类，分别为:中性点不接地系统永久性故障、经消弧线圈接地系统永久性故障、不接地系统弧光接地故障以及经消弧线圈接地系统弧光接地故障(以下分别计为类型一、类型二、类型三、类型四)。在上述4类故障场景下，采用“控制变量法”针对故障发生位置、故障合闸角、过渡电阻、补偿度、电弧长度5个因素进行多场景的并行仿真测试，结果如下。

3.1 中性点不接地系统永久性故障情况

该种情况下的总测试场景数为378次。装置一在测试中有32次未进行选线，其余选相选线结果均正确，未进行选线的场合均为高过渡电阻情况。装置二在测试中，1次未进行选线(该情况为线路一在首端发生故障，合闸角为0°，过渡电阻为3 000Ω)；257次选线正确而选相错误，其选对相大部分集中发生在过渡电阻很小(500Ω以及0.1Ω)。装置三在测试中，选线均正确，有6次选相错误；选相错误场景为混合线路发生故障，过渡电阻为1 000Ω。装置四在测试中，3次选线错误，33次选相错误；选线错误均发生在母线故障情况，选相错误发生的场合比较分散。

3.2 经消弧线圈接地系统永久性故障情况

该种情况下的总测试场景数为672次。装置一在测试中有2次选线错误，其余选相选线结果均正确，未进行选线的场合为过渡电阻3 000Ω。装置二在测试中10次未进行选线(均发生在混合线路发生故障的场合)；225次选线正确而选相错误，其选对相大部分集中发生在过渡电阻很小的情况。装置三在测试中选线错误或未选情况共有18次，均发生在母线故障情况；选相错误次数为38次，均为高过渡电阻场合。装置四在测试中67次选线错误，只有架空线路发生故障时无选线错误情况；395次选相错误，发生的场合比较分散。

3.3 中性点不接地系统弧光接地故障情况

该种情况下的总测试场景数为126次。装置一在测试中选线无错误；27次选相错误，选相错误的场合为间隙长度120 cm。装置二在测试中选线均正确；30次选线正确而选相错误，发生在间隙长度为120 cm的场合。装置三在测试中选线均正确；选相错误次数为29次，均在间隙长度为120 cm场合。装置四在测试中选线均正确，24次选相错误，均在间隙长度为120 cm场合。

3.4 经消弧线圈接地系统弧光接地故障情况

该种情况下的总测试场景数为216次。装置一在测试中有2次选线错误；12次选线正确选相错误；选相错误的场合为间隙长度120 cm。装置二在测试中有2次选线错误；16次选线正确选相错误，发生在间隙长度为120 cm的场合。装置三在测试中有96次选线错误(显示不稳定)，发生在间隙长度较长场合(75 cm或120 cm)；选线正确选相错误次数为0次。装置四在测试中有4次选线错误；37次选线正确选相错误，大多在间隙长度为120 cm场合。

3.5 小电流接地选线装置动作情况分析

对4台小电流选线装置1 392次的并行测试结果进行综合分析和对比，比较结果详见表2，表中用选线率和选相率指代各装置的选线正确率和选相正确率。

表2 4台小电流选线装置的测试结果对比 %

通过上述1 392次故障场景的测试结果对比，可以得到:装置一设备性能整体较为稳定，选线正确率较高，且能选对线的情况大部分能够选对故障相，装置没有明显的短板，仅有不接地方式常规故障的带过渡电阻能力稍显不足。装置二设备整体选线正确率最高，但是对大部分场景选相准确率较低(基本仅在低于1 000Ω小电阻情况能选对故障相)。装置三设备整体的选线正确率最低，但在系统不接地方式下选线正确率较高，在中性点经消弧线圈接地系统中的选线能力相对一般，对于消弧线圈接地系统的电弧故障选相准确率低。装置四设备中性点不接地系统选线准确性高，但消弧线圈接地方式下准确率相对较低，特别是对于电弧故障情况会出现选线不稳定的情况。

3.6 不同因素对选线装置动作情况的影响

3.6.1 故障发生位置

测试中故障位置对选线装置的选线准确率影响不明显。理论上故障点距离线路首段越远，故障线路上的压降越大，故障特征越不明显。但在本次测试中，由于线路上产生的损耗相对系统电压较小，故障发生位置并不能很显著地影响选线装置。

3.6.2 故障合闸角

仿真测试也表明，合闸角越高，选线装置的准确性越高。这是因为故障合闸角越接近90°，故障产生的特征量越明显，对选线装置的选线准确率的提高有积极作用。

3.6.3 过渡电阻

在永久性故障中，过渡电阻对装置选线准确率的影响最大，在过渡电阻较大的情况下，4台装置均出现不同程度的选线准确率降低。其中装置一的选线准确率降低幅度最大，在高过渡电阻情况下，装置一设备会出现装置无法选线的情况。

3.6.4 消弧线圈补偿度

在消弧线圈接地系统中，补偿度不同影响稳态故障电流的大小，对于暂态选线方法影响较小。因此在仿真测试中，消弧线圈补偿度的改变对不同设备的影响程度不同。补偿度大时，装置二设备的选相正确率低；其他设备因补偿度发生的选线、选相准确率改变并不明显。

3.6.5 电弧长度

对于电弧故障，电弧长度越长时，电弧阻值越大、产生的电弧故障特征越不稳定，选线装置也越难以准确实现准确选线。在电弧长度较长时，4台选线装置的选线准确率均会不同程度地降低。

4 结语

基于RTDS系统搭建配电网小电流接地模型和测试平台，针对中性点不接地和经消弧线圈接地系统，考虑故障位置、故障合闸角、故障类型、过渡电阻以及补偿度等因素对装置选线的影响进行仿真，并对4个不同厂家的选线装置进行选线性能测试，得出了4台设备各自的特点及其性能评价结果，为实际现场中配电网小电流接地选线设备的选型提供了重要的参考依据。

下一步的研究重点是收集现场实际发生的故障录波数据，并基于RTDS平台的录波回放功能对装置进行测试，通过数字仿真与录波相结合的方式完善小电流接地选线测试体系。