基于RTDS的光學(xué)差動(dòng)型線路保護(hù)動(dòng)模試驗(yàn)研究

金世鑫，李 華，金曉非

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015；3.國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116011）

專論

基于RTDS的光學(xué)差動(dòng)型線路保護(hù)動(dòng)模試驗(yàn)研究

金世鑫1，李 華2，金曉非3

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015；3.國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116011）

隨著電子式互感器技術(shù)的發(fā)展成熟，傳統(tǒng)的電磁式互感器逐漸被新型光原理互感器所取代，隨之也產(chǎn)生了新型的適應(yīng)光原理互感器的保護(hù)，基于電磁暫態(tài)的RTDS仿真試驗(yàn)平臺(tái)是對(duì)新原理保護(hù)進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試的有效手段，通過RTDS建模對(duì)光學(xué)差動(dòng)型線路保護(hù)原理樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)模試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)性能試驗(yàn)及光計(jì)算模塊性能測(cè)試。

光學(xué)差動(dòng)保護(hù)；光計(jì)算模塊；RTDS

新型光原理互感器的保護(hù)不同于傳統(tǒng)的微機(jī)式保護(hù)裝置，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，沒有復(fù)雜的保護(hù)運(yùn)算邏輯，通過兩側(cè)線路的光原理互感器直接進(jìn)行光信號(hào)的傳輸，在一側(cè)計(jì)算產(chǎn)生差電流與合電流，計(jì)算結(jié)果直接傳送到控制單元進(jìn)行故障判斷［1］。而傳統(tǒng)的方法是將互感器采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再接入到保護(hù)裝置進(jìn)行邏輯運(yùn)算的。因此，光學(xué)型差動(dòng)保護(hù)較之傳統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間更短，目前，傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般為20～30ms，而光學(xué)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間一般小于10ms，能夠滿足繼電保護(hù)主保護(hù)的速動(dòng)性要求，甚至超越了相關(guān)規(guī)程的要求。

由于這種新型的光學(xué)型差動(dòng)保護(hù)還沒有實(shí)際運(yùn)行的先例，目前僅研制出了樣機(jī)，為保證保護(hù)樣機(jī)的可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)模試驗(yàn)來考察在不同類型的故障下保護(hù)的動(dòng)作行為是否符合規(guī)程要求，本文主要介紹了動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ㄒ约霸囼?yàn)的測(cè)試內(nèi)容。

1 動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)模型

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)中采用的RTDS動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)接線如圖1所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀呻p回220 kV線路、三組電源、一組負(fù)荷、一次系統(tǒng)故障、系統(tǒng)模擬量輸出、二次閉環(huán)控制系統(tǒng)邏輯模塊組成，一次系統(tǒng)故障包含3種類型：?jiǎn)蜗嘟拥毓收稀⑾嚅g故障和跨線故障，二次閉環(huán)控制系統(tǒng)邏輯模塊包含試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械拈_關(guān)閉環(huán)控制以及一次系統(tǒng)故障的觸發(fā)邏輯，系統(tǒng)模擬量輸出的作用是將試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械哪妇€電壓和線路電流輸出，通過GTAO板卡轉(zhuǎn)變?yōu)?～10 V的交流小信號(hào)，再通過功率放大器接入到保護(hù)裝置的模擬量采集板卡，通過設(shè)置模擬量輸出的變比即可得到實(shí)際的二次電壓和電流［2］。

圖1 線路保護(hù)動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)接線

1.2 模型參數(shù)

電壓等級(jí)：220 kV，系統(tǒng)電源：系統(tǒng)容量Sn＝1 000 000 MVA；系統(tǒng)阻抗Z＝100＋j 15 700 Ω。線路參數(shù)：正序電阻R1＝0.925 Ω；正序電抗XL1＝18.83 Ω；正序容抗XC1＝4 558 Ω；阻抗角87°；零序電阻R0＝18.09 Ω；零序電抗XL0＝61.385 Ω；零序容抗XC0＝6 902.8 Ω；線路全長(zhǎng)100 km（2條線路參數(shù)相同）。發(fā)電機(jī)參數(shù)：發(fā)電機(jī)容量Sn＝352 MVA；機(jī)端電壓U＝20 kV；直軸電抗Xd＝1.836；直軸暫態(tài)電抗Xd′＝0.2；直軸次暫態(tài)電抗Xd″＝0.155；交軸暫態(tài)電抗Xq′＝0.378；交軸次暫態(tài)電抗Xq″＝0.152（3臺(tái)發(fā)電機(jī)參數(shù)相同）。變壓器參數(shù)：變比220／20 kV；容量Sn＝360 MVA；阻抗Z＝4.729＋j90.946 Ω。負(fù)載容量：P＝200 MW。電流互感器變比：1 800／1 A。電壓互感器變比：220／0.1 kV。

2 光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)系統(tǒng)接線示意圖如圖2所示。

單相光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)主要包括：光源、光學(xué)電流互感器1、光學(xué)電流互感器2、光觸發(fā)器和激光器，光觸發(fā)器由激光器供能，各模塊之間均通過多模光纖連接。

光源發(fā)出的光信號(hào)通過多模光纖發(fā)送給光學(xué)電流互感器1，光學(xué)電流互感器1感應(yīng)繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的電流i1后的光信號(hào)再通過多模光纖輸入光學(xué)電流互感器2，光學(xué)電流互感器2感應(yīng)繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的電流i2，得到和電流和差電流的兩路光信號(hào)，兩路光信號(hào)進(jìn)入光觸發(fā)器，光觸發(fā)器根據(jù)故障電流信息進(jìn)行故障判定，如果判定為區(qū)內(nèi)故障，則發(fā)出跳閘觸發(fā)電平信號(hào)。

圖2 單相光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)接線

繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)模擬線路故障，產(chǎn)生故障電流分別發(fā)送給線路兩側(cè)的光學(xué)電流互感器1和光學(xué)電流互感器2，并接收光觸發(fā)器發(fā)出的跳閘觸發(fā)電平信號(hào)。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示（通道類型為光纖）。

表1 光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)試驗(yàn)參數(shù)

3 光學(xué)差動(dòng)保護(hù)原理樣機(jī)性能試驗(yàn)

本次動(dòng)模試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備為光學(xué)差動(dòng)型線路保護(hù)原理樣機(jī)，設(shè)備配置的功能為基于光學(xué)模擬量信號(hào)瞬時(shí)值的差動(dòng)主保護(hù)功能，試驗(yàn)按照《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品動(dòng)模試驗(yàn)規(guī)范》（DL／T 871—2004）的要求分別對(duì)保護(hù)樣機(jī)進(jìn)行了區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外故障、轉(zhuǎn)換性故障、經(jīng)電阻接地故障、系統(tǒng)振蕩、頻率偏移等不同類型故障的模擬（因電子式互感器不存在TA飽和的情況所以沒有進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試），考察保護(hù)樣機(jī)的動(dòng)作行為和動(dòng)作時(shí)間［3］。動(dòng)模試驗(yàn)錄波波形如圖3所示，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，保護(hù)樣機(jī)的動(dòng)作行為滿足規(guī)程要求，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)保護(hù)樣機(jī)在故障時(shí)的動(dòng)作時(shí)間會(huì)隨著一些情況而變化，發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最短，一般不超過2～3ms，故障經(jīng)過渡電阻接地時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相應(yīng)增加，過渡電阻值越大，動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，經(jīng)測(cè)試，經(jīng)25 Ω過渡電阻接地時(shí)動(dòng)作時(shí)間為4～6ms，經(jīng)100 Ω過渡電阻接地時(shí)動(dòng)作時(shí)間為10～11ms。另外，在系統(tǒng)頻率偏移時(shí)模擬故障，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，在48 Hz時(shí)動(dòng)作時(shí)間為4～5ms，在52 Hz時(shí)動(dòng)作時(shí)間為10～11ms，由此可以證明光學(xué)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與故障接地的過渡電阻阻值和故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的頻率有關(guān)，盡管如此，在各種特殊情況下，保護(hù)樣機(jī)的出口時(shí)間仍然遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，因此，作為主保護(hù)，該樣機(jī)能夠滿足規(guī)程要求［4］。

圖3 動(dòng)模試驗(yàn)錄波波形

4 光計(jì)算模塊性能測(cè)試

4.1 測(cè)試系統(tǒng)

光源通過多模光纖與同載光學(xué)電流傳感器1連接，同載光學(xué)電流傳感器1再通過多模光纖與同載光學(xué)電流傳感器2串聯(lián)，同載光學(xué)電流傳感器2分別通過2根多模光纖輸出光學(xué)加法運(yùn)算信號(hào)和光學(xué)減法運(yùn)算信號(hào)，之后送入采集單元，測(cè)試平臺(tái)接受采集單元的輸出，分別顯示光學(xué)加法運(yùn)算信號(hào)和光學(xué)減法運(yùn)算信號(hào)輸出的方均根值［5］。

電流源產(chǎn)生的測(cè)試電流送入2個(gè)串聯(lián)連接的螺線管，系統(tǒng)同時(shí)串入1臺(tái)高精度電流表，監(jiān)測(cè)測(cè)試電流大小。圖4（a）為測(cè)試光學(xué)加法運(yùn)算的接線示意圖，電流均從螺線管的同名端流入，此時(shí)光計(jì)算模塊的光學(xué)加法運(yùn)算信號(hào)輸出端得到和電流輸出結(jié)果，光計(jì)算模塊的光學(xué)減法運(yùn)算信號(hào)輸出端得到差電流輸出結(jié)果；圖4（b）為測(cè)試光學(xué)減法運(yùn)算的接線示意圖，電流從1個(gè)螺線管的同名端流入，從另1個(gè)螺線管的異名端流入，此時(shí)光計(jì)算模塊的光學(xué)加法運(yùn)算信號(hào)輸出端得到差電流輸出結(jié)果，光計(jì)算模塊的光學(xué)減法運(yùn)算信號(hào)輸出端得到和電流輸出結(jié)果。

4.2 測(cè)試結(jié)果

圖4 光計(jì)算模塊運(yùn)算性能測(cè)試系統(tǒng)接線

電流源產(chǎn)生測(cè)試電流，根據(jù)光計(jì)算模塊的誤差計(jì)算公式，得到光計(jì)算模塊誤差測(cè)試信息，光學(xué)加法運(yùn)算和光學(xué)減法運(yùn)算的測(cè)試結(jié)果見表2和表3。測(cè)試誤差結(jié)果表明：光計(jì)算模塊的計(jì)算誤差滿足小于2%的技術(shù)要求。

Research on Dynamic Model Test of Optical Differential Protection Based on RTDS

JIN Shi?xin1，LI Hua2，JIN Xiao?fei3
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；3.State Grid Dalian Power Electric Supply Company，Dalian，Liaoning 116011，China）

With the development of electronic transformer technology，the traditional electromagnetic transformer is replaced by the new type of optical transformer.The new type of RTDS simulation experiment platform based on electromagnetic transient simulation is an effective method to protect the new principle.The main work of this paper is to carry out dynamic simulation test on the optical dif?ferential protection principle prototype of Harbin institute of technology.The experimental results include the optical differential protec?tion principle prototype performance test and the performance test.

Optical differential protection；Optical computing module；RTDS

表2 光學(xué)加法運(yùn)算輸出誤差測(cè)試結(jié)果

TM773

A

1004－7913（2016）06－0001－03