基于RTDSRTDSS的故障指示器外施信號發(fā)生裝置的集成設(shè)計(jì)

劉 霡，張彥兵

（1.三峽大學(xué)國際文化交流學(xué)院，湖北宜昌 443000；2.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南許昌 461000）

0 引言

10 kV配電網(wǎng)采用中性點(diǎn)非有效接地方式（包括中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地或中性點(diǎn)不接地方式）運(yùn)行，發(fā)生單相接地時接地故障電流小，因此允許帶故障運(yùn)行兩個小時，提高了供電可靠性[1-5]。配電線路故障指示器的設(shè)計(jì)初衷是解決配電網(wǎng)單相接地故障故障區(qū)間定位難的現(xiàn)狀，通過“采集單元上送數(shù)據(jù)、主站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析”的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)配電線路故障區(qū)間的精確定位，提升配電網(wǎng)運(yùn)維管理水平、降低配網(wǎng)線路運(yùn)維成本、提高配電網(wǎng)自動化率[5-10]。

根據(jù)接地檢測方法的不同，故障指示器可以分為暫態(tài)特征型、穩(wěn)態(tài)特征型以及外施信號型。外施信號型故障指示器的故障區(qū)間定位需要一次設(shè)備（外施信號源）的配合，可以大幅提高故障區(qū)間定位的正確率。當(dāng)配電系統(tǒng)零序電壓升高時，外施信號源投入運(yùn)行產(chǎn)生特征電流信號，特征電流信號包括工頻正弦波和工頻半波（不對稱電流法）兩種。

通過仿真的技術(shù)手段，在實(shí)時仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)外施信號源的模擬，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下靈活的搭建故障指示器測試系統(tǒng)，對外施信號型故障指示器的接地識別功能進(jìn)行調(diào)試或考核。介紹了外施信號源的系統(tǒng)組成，并在仿真系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了集成兩種外施信號源特征的信號源發(fā)生器，根據(jù)不同的測試對象可以便捷的切換信號源的工作模式，對外施信號型故障指示器的調(diào)試及測試提供了良好的試驗(yàn)環(huán)境。

1 外施信號源一次系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)

中性點(diǎn)非有效性接地運(yùn)行方式下，系統(tǒng)單相接地故障電流小，不利于故障指示器的精確故障定位。外施信號發(fā)生裝置通過自動投切內(nèi)部對應(yīng)的交流真空接觸器，向配電系統(tǒng)提供零序回路，并對零序回路的開通、關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)行編碼，協(xié)助外施信號型故障指示器實(shí)現(xiàn)故障區(qū)間的精確定位。外施信號源如圖1所示，外施信號發(fā)生裝置主要有一次設(shè)備和二次測量控制部分組成。根據(jù)一次部分接入系統(tǒng)的方式不同，外施信號發(fā)生裝置可以分為經(jīng)接地變接入型（如虛線框A所示）和直接接入型（如虛線框B所示）；根據(jù)所產(chǎn)生特征電流劃分，可以分為工頻正弦波型（如虛線框A-2，B-2所示）和工頻半波型（如虛線框A-1，B-1所示）。

圖1 外施信號源集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

外施信號發(fā)生裝置的二次測量部分如虛線框C所示，主要有電壓采集模塊、啟動模塊、選相模塊及特征序產(chǎn)生模塊組成。其中KTb、KTq分別為經(jīng)接地變接入的信號源半波斷路器、經(jīng)接地變接入的全波信號源斷路器。Kb、Kq分別為直接接入的半波、全波信號源斷路器。

通過特征序列脈沖驅(qū)動接地開關(guān)，向配電網(wǎng)系統(tǒng)提供間歇性的零序回路通道，外施信號型故障指示識別接地故障時的特征信號，外施信號發(fā)生裝置發(fā)出的特征序列信號如圖2所示，△T1=120 ms（±30 ms），△T2=800 ms（±30 ms），△T3=1 000 ms（±30 ms），△I=I2-I1，最小識別電流不大于10 A。

圖2 外施典型特征信號

2 外施信號源控制邏輯的集成設(shè)計(jì)

外施信號源控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)如圖3所示，主要有輸入部分、集成部分、輸出部分組成。其中，輸入部分包括系統(tǒng)相電壓、零序電壓、零序電壓啟動定值、特征電流序列定值、信號源接入方式、特征電流波形選擇。集成部分為信號源不同工作狀態(tài)的仿真集成設(shè)計(jì)。輸出部分為圖1中各斷路器的驅(qū)動控制字，執(zhí)行集成部分的設(shè)計(jì)輸出。

圖3 控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)框圖

集成部分主要分為兩部分：特征序列發(fā)生系統(tǒng)及中驅(qū)動脈沖通道選擇部分。特征序列發(fā)生系統(tǒng)如圖4所示，實(shí)時觀測零序電壓，當(dāng)超過設(shè)定值時，產(chǎn)生特征序列使能信號。特征序列產(chǎn)生模塊接收Ty，T1，T2，T3預(yù)設(shè)定值，當(dāng)接收到序列使能信號后，發(fā)出特征脈沖信號。

圖4 特征序列發(fā)生系統(tǒng)

驅(qū)動脈沖通道選擇部分如圖5所示。信號源接入方式選擇器負(fù)責(zé)特征脈沖信號的引導(dǎo)，特征電流波形選擇器負(fù)責(zé)KNA、KNB、KNC、Kb控制信號的解鎖及閉鎖。當(dāng)信號源接入方式選擇器為直接接入配電網(wǎng)時，通過觀測故障后相電壓的變化趨勢識別故障相，根據(jù)預(yù)設(shè)順序，選擇投切控制斷路器及閉鎖斷路器；當(dāng)信號源接入方式選擇器為經(jīng)接地變接入時，特征脈沖信號直接驅(qū)動KTb或KTq斷路器。

圖5 驅(qū)動脈沖通道選擇系統(tǒng)

對外施信號源的一次系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，并完成對應(yīng)控制邏輯的封裝設(shè)計(jì)，可以便捷的實(shí)現(xiàn)外施信號源的仿真建模，簡化了外施信號型故障指示器的仿真測試環(huán)境的建設(shè)。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的外施信號源仿真系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)是有效、可行的。在仿真平臺上搭建典型的小電流接地配電系統(tǒng)，并分別搭建一次系統(tǒng)集成模塊及控制邏輯的集成設(shè)計(jì)模塊。模擬配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，觀測所設(shè)計(jì)的外施信號源在不同工作模式下是否有效工作。圖6所示為外施信號源直接接入配電網(wǎng)系統(tǒng)，注入全波特征電流工作模式下的觀測波形。圖7所示為外施信號源經(jīng)接地變接入配電網(wǎng)系統(tǒng)，注入半波特征電流工作模式下的觀測波形。

其中U1_3U0為配電系統(tǒng)零序電壓；IL1A1、IL1B1、IL1C1為故障線路電流觀測值；ZJ3I0為信號源提供零序回路流過的零序電流；ZT3I0為信號源經(jīng)接地變注入的零序電流；SW_ConTyp為信號源接入方式（0：直接注入，1：經(jīng)接地變注入）；SW_WaveTyp為特征波形類別（0全波，1：半波）；Plus_ws為特征序列脈沖；BRK_X（X=KNA，KNB，KNC，Kq，Kb，KTq，KTb）為對應(yīng)斷路器的驅(qū)動脈沖。

圖6 直接注入全波特征電流

圖7 經(jīng)接地變接入注入半波特征電流

圖6 所示為出線A相發(fā)生單相接地故障，外施信號源通過C相注入全波型特征電流。即BRK_KNC通道間歇性通斷且BRK_Kq保持導(dǎo)通狀態(tài)，ZJ3I0為全波型特征電流，并疊加到故障相即ILB1呈現(xiàn)特征電流波形。

圖7所示為出線A相發(fā)生單相接地故障，外施信號源經(jīng)接地變注入半波型特征電流。即BRK_KTb間歇性通斷，ZT3I0為半波型特征電流，并疊加到故障相即TL1B1呈現(xiàn)特征電流波形。

4 結(jié)語

采用實(shí)時仿真技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)故障指示器外施信號源一次、二次系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，為外施型故障指示器裝置的功能調(diào)試、性能測試提供了低成本、易操作、高效率的解決思路。在RTDS實(shí)時仿真平臺上對所提出的外施信號源一次系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、外施信號源控制邏輯集成設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真建模，并分別在直接注入全波特征電流和經(jīng)接地變注入半波特征電流兩種工作模式下，模擬線路發(fā)生單相接地故障，外施信號源實(shí)現(xiàn)了自動啟動、自動判別故障相、正確驅(qū)動斷路器并發(fā)出特征電流脈沖。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的設(shè)計(jì)方案是有效、可行的。