簡易母差裝置的RTDS數模試驗方案設計①

劉 濤， 杜 明， 柳 震， 高曉輝

(1.天津市電力公司技術中心繼電保護試驗室， 天津 300384；2.北京美盛沃利工程技術有限公司， 北京 100015；3.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

簡易母差裝置的RTDS數模試驗方案設計①

劉 濤1， 杜 明1， 柳 震2， 高曉輝3

(1.天津市電力公司技術中心繼電保護試驗室， 天津 300384；2.北京美盛沃利工程技術有限公司， 北京 100015；3.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

設計了基于RTDS的簡易母線保護裝置數模試驗的方案。首先簡述了實時數字模擬試驗系統應用于繼電保護裝置及二次設備檢測工作的現狀，分析了使用RTDS開展簡易母線差保護數模試驗的必要性。詳細介紹了一種應用RTDS對簡易母差裝置進行測試的試驗方案，包括仿真系統試驗模型、模擬平臺硬件接線以及數模試驗測試項目的設計。最后根據該方案進行了簡易母差裝置數模試驗，并將試驗中出現的主要問題進行了分析，試驗結果表明，應用此方案可以對簡易母差裝置進行較為全面的考察。

電力系統實時數字仿真器； 簡易母差保護； 數模試驗； 保護裝置檢測； 轉換性故障

電力系統實時數字仿真器RTDS(real-time digital simulator)及其仿真支持軟件的靈活性構筑一個相對固定的繼電保護測試分析平臺[1]，不失為一種有效的手段。一些網省公司已經使用RTDS開展了線路保護裝置[2～4]、母差保護裝置[5]、變壓器保護裝置[6]數模試驗的研究。對于一些低壓裝置，如備用電源自動投入裝置、簡易母差保護等低壓裝置，目前國內通常只是通過靜態試驗來驗證裝置本身的邏輯，很少從電網的角度考慮問題，致使此類低壓裝置正確動作率較低[7，8]。因此開展35 kV簡易母差裝置的數(動)模試驗，模擬實際電力系統中各種運行方式，考核各種故障和運行狀態對簡易母差動作行為的影響，是十分必要的。

旨在加強天津電網繼電保護及其安全自動裝置的技術監督、入網管理等工作，完善繼電保護及安全自動裝置的試驗手段，提高天津電網的安全穩定運行水平，天津市電力公司引進了實時數字模擬系統，建立了繼電保護與自動裝置模擬試驗平臺，并邀請了南瑞繼保、國電南自、北京四方、江蘇金智等十一個廠家進行包括變壓器保護、備自投、簡易母差等新型號、新版本裝置的入網試驗。

本文參考DL/T871-2004《電力系統繼電保護產品動模試驗》[9]，結合天津電網具體特點，建立了基于RTDS的簡易母差裝置數模試驗系統模型，設計了試驗方案，在各種工況下測試了各廠家的簡易母差裝置的動態特性并加以分析。實踐證明，本文設計的系統模型能夠滿足試驗的需要，方案具有較高的實用性和工程指導意義。

1 試驗方案考慮的主要性能指標

簡易母差裝置的主要性能指標是確定試驗方案的主要因素，也是不同產品之間考查比較的項目。因此在確定試驗項目之前，有必要對目前天津地區簡易母差保護的主要性能指標作一小結。

(1)簡易母差保護電壓取自35 kV母線PT，電流取自變壓器35 kV受總開關及35 kV分段開關三相CT形成的差電流回路，簡易母差保護為復合電壓閉鎖過電流保護。天津地區簡易母差保護設置一段三時限，第一時限跳35 kV分段，第二時限跳變壓器35 kV受總，第三時限備用(跳小電源)。

(2)當簡易母差保護達到定值，且無外部線路保護閉鎖條件時，簡易母差保護動作出口跳閘。當有外部線路保護閉鎖條件時，簡易母差保護不動作出口跳閘。

(3)線路保護閉鎖條件要求35 kV線路保護(包括電容器、所用變、電抗器)的電流三段(如果電流二段帶方向，電流三段也帶方向)啟動時，輸出一對瞬動接點去閉鎖本段母線的簡易母線差保護(注意：不能用線路保護動作出口接點閉鎖簡易母線差保護)。

(4)當簡易母線差接到35 kV線路保護(包括電容器、所用變、電抗器)的閉鎖接點信號，簡易母線差立即閉鎖動作出口，當35 kV線路保護閉鎖信號解除后，簡易母差的閉鎖動作出口也應立即解除。(即當線路與母線同時發生故障時，線路保護動作切除故障后，線路保護解除對簡易母差的閉鎖，此時簡易母線差應能正確動作切除母線故障。)

(5)簡易母線差保護第二時限跳變壓器受總動作出口時，同時輸出一副接點(用于給35 kV分段自投裝置放電)。

2 試驗方案的設計

2.1 試驗模型的設計

考慮到變電站現場運行的實際情況，即兩條進線、兩臺主變分列運行或一臺運行一臺備用，試驗采用內橋接線方式，如圖 1，F1～F8為試驗設置的短路點，S1為等效電源，T1、T2為變壓器，CT1～CT3為電流互感器，PT1為電壓互感器，1DL～5DL為斷路器，Load1、Load2為系統負荷。

按照圖1所示典型接線方式，在工作站(PC機)建立了簡易母差數模試驗模型，其中主要設備參數如下。

圖1 簡易母差數模試驗典型接線方式Fig.1 Primary system connection mode ofdigital dynamic simulation test

系統電源：系統容量S1=100 MVA，系統阻抗Z=0.78+j7.9 Ω。

變壓器參數：變比為110 kV/35 kV，容量為S=50 MVA，短路阻抗為Uk%=8%。

負載容量：P=40 MW，Q=30 MVar。

電流互感器：CT1、CT2變比為1200/1，CT3變比為800/1。

電壓互感器：PT1變比為35/0.1。

模擬試驗系統運行方式為Ⅰ、Ⅱ母線并列運行，即1DL、2DL、3DL和5DL在合位，4DL在分位。

系統模型建成后經過編譯，可在RUNTIME模塊中建立該系統的控制臺，如圖 2，通過控制臺可以實時對動模系統進行控制，調節負荷，開關操作，設置故障，操作方便。

系統建成編譯完成后就可按照簡易母差裝置的要求進行短路電流的計算，短路電流的計算可以在該系統中實時進行。根據計算結果，再根據簡易母差保護配置和整定要求，就可進行簡易母差定值整定計算。

圖2 簡易母差數模試驗控制界面Fig.2 System control interface design ofdigital dynamic simulation test

2.2 試驗接口的設計

RTDS實時計算出動模系統經編譯后，在工作站可以實時的監測并控制模擬系統的運行，也可以指定簡易母差裝置安裝地點上的電流和電壓的模擬量輸出(交流采樣回路)及斷路器的操作控制接口(控制、信號回路)[10]。

圖3 簡易母差數模試驗接口設計Fig.3 System connection mode design ofdigital dynamic simulation test

對于交流采樣回路，本次試驗選取CT1(分段)、CT2(進線)和CT3(出線)的電流，PT1(母線Ⅰ)的電壓，將這些模擬輸出與放大器的輸入口相接，就可得到與實際相符的電壓和電流信號，再將這些電壓電流信號與保護裝置相連接，其中CT1電流信號與CT2電流信號差接到簡易母差裝置，CT3電流信號接到線路保護裝置上，PT1電壓信號同時接到簡易母差保護和線路保護裝置上。對于控制信號回路，將簡易母差保護和線路保護裝置的跳閘繼電器與仿真數模系統的斷路器1DL～3DL的控制器相接。另外，本文還將交流信號與控制信號都輸入到故障錄波裝置上，以便進行故障分析。這樣就構成了一個完整的用來檢驗簡易母差裝置的仿真數模試驗系統，如圖 3所示。

2.3 試驗項目的設計

(1)區內外故障

分別模擬保護區內F1～F3瞬時性和永久性金屬性單相接地、兩相短路接地、兩相相間短路、三相短路以及三相短路接地故障；保護區外F4～F8瞬時性金屬性單相接地、兩相短路接地、兩相相間短路、三相短路以及三相短路接地故障。

(2)發展性故障

模擬線路同一點經不同時間由單相接地故障發展成為兩相接地或者三相接地短路故障；模擬母線區內和區外同一點經不同時間由單相接地故障發展成為兩相接地或者三相接地短路故障。

(3)轉換性故障

模擬線路發生各種故障轉換為母線區內同名故障，且兩故障點同時存在或線路上故障消失，故障轉換時間為20 ms～300 ms。

(4)區內外經過渡電阻短路

分別模擬線路及母線區內經過渡電阻的短路故障。

(5)線路空載合閘充電及手合帶故障線路

在線路停電情況下，將線路合于無窮大系統。

在線路停電情況下，將帶有各種類型故障的線路合于無窮大系統。

(6)母線帶載合閘充電及手合帶故障母線

將帶有負載的母線合于無窮大系統。

將帶有各種類型故障的母線合于無窮大系統。

(7)頻率偏移

使模擬系統分別運行在48 Hz和52 Hz，模擬保護區內外金屬性單相接地、兩相短路接地、兩相相間短路、三相短路和三相短路接地故障。

(8)PT斷線

模擬Ⅰ母線側的PT斷線，檢查裝置的報警功能。在PT斷線的情況下，模擬母線區內發生各種故障。

(9)間歇性故障

模擬故障滿足被試保護動作條件，第一次故障時間小于被試后備保護整定時間，故障間斷，間斷時間為20 ms～100 ms，然后出現第二次故障，故障持續時間同第一次。兩次故障時間之和應大于被試保護整定時間。

模擬故障滿足被試保護動作條件，第一次故障時間小于被試后備保護整定時間，故障間斷，間斷時間為20 ms～100 ms，然后出現第二次故障，故障持續時間大于被試保護的整定時間。

3 試驗中發現的主要問題

(1)轉換性故障

簡易母差邏輯雖然簡單，但影響簡易母差邏輯的因素很多。目前，很多廠家僅僅停留在簡易母差裝置本身邏輯的實現，很少從電網的角度考慮。由于系統運行環境復雜，線路和母線同時或在很短的時間內相繼發生故障的情況有可能發生的，如文獻[8]中所介紹的事故情況，一條線路和母線同時或相繼出現故障，則線路保護會瞬時發出啟動信號，通過中間繼電器閉鎖簡易母線保護，這時就會因為線路保護的閉鎖造成另外一條母線保護拒動。

考慮到這個問題，本次試驗設計了轉換性故障項目，考察線路保護與簡易母差保護配合的情況。表 1給出了試驗中簡易母差保護和線路保護主要定值整定情況。圖4和圖5給出了在線路F6點模擬瞬時性和永久性各類型故障試驗的結果。

表1 保護定值表Tab.1 Protection setting value

試驗過程如下，在線路F6點模擬瞬時性各種類型故障，故障持續時間為607.2 ms(小于線路保護延時定值)，此時裝置瞬時發出閉鎖簡易母差信號。同時在該故障發生過程中，即線路F6點發生故障后300 ms，在F1點模擬永久性故障，試驗中發現裝置在閉鎖信號返回后簡易母差保護裝置啟動，505.9 ms后簡易母差保護動作，如圖 4所示。圖中CT電流信號為CT1電流與CT2電流的差值，下同。

圖4 轉換性故障正確動作情況一Fig.4 Right action 1 in the test item ofevolved fault condition

圖5 轉換性故障正確動作情況二Fig.5 Right action 2 in the test item ofevolved fault condition

另外，在線路F6點模擬永久性各種類型故障，故障持續時間大于線路保護時間定值，此時裝置發出閉鎖簡易母差信號。同時在該故障發生過程中，即線路F6點發生故障后300 ms，在F1點模擬永久性故障。試驗中發現，線路F6點的故障發生后710.5 ms線路保護動作，428.7 ms重合，故障依然存在且342.2 ms后裝置重合閘后加速動作切除F6點故障，此時閉鎖信號返回，簡易母差保護開始啟動，510.9 ms后簡易母差保護動作，切除F1點的故障，如圖 5所示。

在試驗中發現，某些廠家的裝置閉鎖信號返回條件不同而造成簡易母差保護拒動，而某些廠家裝置重合閘啟動后不發閉鎖信號，造成簡易母差保護提前啟動。

若將帶有上述缺陷的保護裝置投入運行，必然對電網的安全運行帶來巨大隱患，這就要求電力系統運行人員在變電站調試階段，對于簡易母差保護的測試，不能僅僅停留在保護定值精度測試上，更應充分考慮轉換性故障發生的可能，著重檢查"閉鎖簡易母差"的信號是否為瞬時發出瞬時閉鎖，并確定該信號的返回條件是否滿足現場要求。

(2)間歇性故障

間歇性故障是電力系統，特別是低壓配電系統中頻發的故障。本次試驗設置間歇性故障的目的是為了詳細考查簡易母差裝置的保護(天津地區為充電保護、過流保護)在何故障間歇時間下能夠返回，以便在整定定值時，充分考慮簡易母差裝置與上下級保護的級差配合、與重合閘之間的配合，避免保護越級動作。試驗中發現，某些廠家在設計時沒有考慮到間歇性故障對于裝置性能的影響，其裝置在故障間歇時間大于50 ms時保護才能返回(規程要求30 ms以內[9])，這必然帶來了保護越級的隱患。

此次入網試驗中還發現，各廠家高電壓等級的保護裝置(如220 kV變壓器保護、110 kV線路保護)在間歇性故障項目中表現都較好，故障間歇時間在30 ms之內保護基本可以返回。然而對于35 kV簡易母差、35 kV線路保護、備自投等低壓裝置，保護設備廠家對間歇性故障的要求重視程度有所下降，致使其保護產品在試驗或實際運行中暴露出問題。同時，電力系統運行人員在進行定值整定時，也要充分考慮到間歇性故障中不同保護裝置返回時間不一致的影響，合理地配合上下級保護的關系。

(3)其他問題

試驗中還發現某些廠家的裝置在系統頻率偏移下保護拒動，某些廠家的裝置在手合帶故障母線項目中保護拒動，某些廠家的裝置由于消抖時間設置的問題影響保護性能，某些廠家重合閘信號過長影響保護動作等問題。

上述問題在靜態試驗中難以檢測，可見，對于簡易母線差保護裝置開展數模試驗，模擬實際電力系統的運行情況，考查簡易母線差保護裝置的動作性能，對于電力系統的安全可靠運行是十分有意義的。

4 結語

本文設計了基于RTDS的簡易母差裝置數模試驗方案。設計的試驗模型是符合實際的，設計的試驗項目較為全面，能夠滿足簡易母差裝置動模試驗的要求。

按照本文提出的方案，開展了基于RTDS的簡易母差裝置數模試驗，發現了裝置存在的不正確動作隱患，避免了簡易母差裝置投入系統后造成的不正確動作，為電網的安全穩定運行及可靠供電提供保證。試驗結果表明，本文設計的試驗方案實用效果較好，具有廣泛的推廣價值。

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TestSchemeofSimpleBusDifferentialProtectionRelaybyRTDS

LIU Tao1， DU Ming1， LIU Zhen2， GAO Xiao-hui3

(1.Tianjin Electric Power Corporation Technology Center Relay Lab,Tianjin 300384, China;2.Beijing MaisonWorleyParsons E&C, Beijing 100015, China；3.China Enfi Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

A scheme of testing simple bus protection device based on RTDS is presented in this paper Firstly, the present situation of protective relaying and secondary equipment test using digital dynamic simulation system is sketched, and the necessity of testing simple bus differential protection device based on RTDS is explained. Secondly, a method of testing simple bus protection device with RTDS is designed, including test model, system connection mode and test items. Last, theproblems in the test is introduced and analyzed. The results demonstrate that the proposed scheme has a promising application in large-scale practical problems.

RTDS(real-time digital simulator)； simple bus differential protection； digital dynamic simulation test； protective relaying test； evolved fault condition

2009-08-02

2010-02-05

TM743

A

1003-8930(2011)03-0150-06

劉 濤(1980-)，男，工程師，碩士，主要從事電力系統仿真及繼電保護試驗工作。Email:net_liutao@126.com

杜 明(1984-)，男，助理工程師，主要從事繼電保護試驗工作。Email:ming.du@tj.sgcc.com.cn

柳 震(1977-)，男，助理工程師，本科，主要從事電氣系統設計工作。Email:Liuzhen365@sohu.com

高曉輝(1980-)，男，工程師，碩士，主要從事電氣系統設計工作。Email:gxh@enfi.com.cn