適用于動模仿真試驗的虛擬線路保護邏輯設計

姜 光，申留生

（東方電子股份有限公司，山東煙臺264000）

0 引言

部分電力系統控制與保護裝置在動模試驗環節中，需要與線路保護裝置協同動作，實現特定的保護功能[1]。如母線斷路器發生失靈故障時，母線保護與線路保護之間存在協同動作行為；安裝有串聯電容器補償裝置的線路上的斷路器發生失靈故障時，串補控保裝置與線路保護之間存在協同動作行為[2-4]。

串補控保裝置部分保護功能，涉及到與線路保護裝置的相互配合。當旁路斷路器發生合閘失靈故障時，串補控保裝置需向線路保護發出“串補跳線路”信號，后者接收到信號后，動作于跳線路兩側斷路器，避免電容器組因過負荷故障而損毀[5-7]。線路保護動作，跳閘線路兩側斷路器時，需向串補控保裝置發送“線路跳串補”信號，串補裝置接收到該信號后，執行相應的動作[8-10]。

采用實際線路保護裝置配合串補裝置進行動模試驗，需要增加試驗設備（如功率放大器）投入數量，試驗規模、測試人員工作量及試驗成本均會增加，不利于檢測試驗效率的提高。開發虛擬線路保護技術，在電力系統實時仿真平臺上進行近似的線路保護邏輯仿真建模，完成對實際線路保護的動作行為的等價替換，信號不出仿真系統，完成串補控保裝置動模測試配合的同時，提高了仿真環境的集成度及試驗效率，降低了試驗成本。

1 系統介紹

串補控保裝置動模試驗結構圖如圖1所示。在電力系統實時仿真器中完成輸電線路、串補一次設備、虛擬線路保護及故障觸發的仿真建模，串補電容器補償裝置采樣系統電流二次值、旁路斷路器位置、線路跳串補等開關量信號，并向仿真系統發送動作出口開關量信號。

圖1 串補控保裝置動模試驗結構圖

虛擬線路保護分相跳閘控制模塊如圖1中小虛線框所示，在實時仿真系統中完成邏輯的建模，虛擬保護控制模塊提取仿真系統中的故障觸發模塊的特征并進行邏輯運算，實現以下保護功能：1）單相故障，單相跳閘、重合閘；2）多相故障，三相跳閘，閉鎖重合閘；3）重合閘于故障線路，三相跳閘；4）單相跳閘時，發送故障相的“線路跳串補”信號；5）多相跳閘時，發送三相的“線路跳串補”信號；6）接收“串補跳線路”指令后，三跳線路兩側斷路器。

2 故障類型特征提取

仿真系統中輸電線路故障點觸發原理如圖2所示，故障觸發控制字由4個bit位組成，依次控制FA、FB、FC及FG四個斷路器的分閘與合閘操作。例如：系統無故障觸發時，4個斷路器均保持分閘狀態；模擬A相接地故障時，FA斷路器與FG斷路器閉合，FB、FC斷路器保持分閘狀態。

故障類型觸發及控制字配置對應關系如表1所示，分析表1內容可知，當故障觸發控制字為9、10、12時，分別對應A相接地故障、B相接地故障、C相接地故障，其它情況為多相故障。將故障觸發控制字的十進制數值，作為虛擬線路保護的動作出口判據，可以便捷、正確的等效實際線路保護裝置的動作出口，配合串補控制與保護裝置的功能驗證試驗。

圖2 輸電線路故障觸發結構圖

表1 故障類型觸發及控制字配置對應表

3 虛擬保護邏輯設計

虛擬保護的設計思路為：解析仿真系統的故障觸發控制字，提取故障類型的特征值并采樣線路斷路器的位置信息，并執行與之對應的動作出口，完成實際線路保護裝置的功能等效。圖3所示為虛擬線路保護設計結構圖，可劃分為輸入、邏輯運算、輸出三部分。

圖3 虛擬線路保護設計結構圖

輸入部分包含：故障觸發控制字、分相斷路器合位信號、重合閘控制字、首次跳閘動作時間、重合閘動作時間、加速跳閘動作時間。邏輯運算包括：單相故障保護邏輯、多相故障保護邏輯及跳閘合閘出口融合模塊。輸出部分包含：三相斷路器的跳閘、合閘指令出口。

單相故障保護邏輯由A相、B相、C相三部分組成，圖4為所示的虛擬線路保護的保護邏輯示意圖僅體現A相部分。故障觸發特征提取模塊解析故障觸發控制字（FltCtrlWord），分別輸出單相故障標識位（如F_AN）或多相故障標識位（F_Multi）。

系統模擬A相接地故障時（B相、C相接地故障的保護邏輯相似，不再重復分析），運行圖4的綠色虛線框中的邏輯，A相接地故障標識位（F_AN）置1時，上升沿觸發模塊（PU）、下降沿觸發模塊（PD）相互配合，經預定延時（T_Tz1st）產生100 ms的跳閘脈沖（TZ_1A）。TZ_1A經上升沿觸發模塊展寬后并檢測A相斷路器跳閘位置信號，滿足條件后觸發重合閘邏輯，并產生重合閘動作出口（CHZ_1A）。CHZ_1A經上升沿觸發模塊展寬后，觀測A相故障觸發是否有效且A相斷路器是否合閘位置，執行重合于故障加速跳閘邏輯。

圖4 虛擬線路保護邏輯框圖

系統模擬多相故障時，虛擬保護應跳閘三相斷路器，并閉鎖重合閘操作。首次跳閘出口（TZ_1A）、重合于故障跳閘出口（TZ_2A）、三相跳閘出口（TZ_3T）經或邏輯，組成虛擬保護跳A相斷路器出口（TZ_PA）。

重合閘出口（CHZ_1A）經重合閘控制字（EN_CHZ）、多相故障標志位（F_Multi）閉鎖后輸出A相斷路器合閘出口（HZ_PA）。

4 仿真驗證

在RTDS仿真系統中搭建所設計的虛擬線路保護邏輯，并進行線路發生區內單相永久性故障試驗，對虛擬線路保護的功能進行驗證。試驗過程中對線路電流、斷路器位置信號、故障觸發控制字及虛擬保護的動作出口等關鍵量進行錄波。

區內發生單相永久性接地故障時，虛擬線路保護裝置的動作應為依次應該為：單相跳閘隔離故障、單相重合閘、重合于故障、加速三相跳閘。圖5、圖6為單相永久性接地故障時的仿真錄波圖。CT2A、CT2B、CT2C為圖1中的線路L1的N側電流互感器二次值，Flt1為故障標志位，BitA、BitB、BitC、BitN為4個故障觸發開關的控制位。FaultAN為A相接地故障識別位，TZ_1st_A、CHZ_1st_A、TZ_2nd_A分別為首次跳閘、重合閘、加速跳閘動作位。TZ_PA、TZ_PB、TZ_PC、HZ_PA、HZ_PB、HZ_PC，分別為虛擬保護的三相跳閘、合閘出口位。WZ_BRK2A、WZ_BRK2B、WZ_BRK2C為線路L1的N側斷路器的分相合位信號。

圖5 模擬量錄波圖

圖6 開關量錄波圖

模擬線路區內發生A相永久性接地故障。以故障觸發時刻為0時刻，故障觸發期間Flt1=1，故障觸發控制字為9（即BitA=BitN=1，BitB=BitC=0）。虛擬保護正確識別后，經跳閘延時執行A相跳閘，經重合閘延時識別A相斷路器位置處于分位，執行重合閘操作。重合閘于故障，加速三相跳閘（即TZ_PA，TZ_PB，TZ_PC均出口動作），虛擬保護的動作行為、故障觸發控制字及斷路器位置變位情況，符合邏輯設計。

5 結語

通過提取實時仿真系統中線路故障觸發控制字的特征值，搭建了虛擬線路保護邏輯，進行實際線路保護裝置的不同故障動作行為的等效，以一種更為簡便、經濟、高效的方式，完成了高壓串聯電容器補償控制保護裝置的動態特性功能試驗環境的建設。在試驗系統中所開展的典型仿真算例表明，所設計的虛擬線路保護邏輯，能夠滿足串補控保裝置動態特性試驗的應用。降低了試驗環境建設成本與周期，對相關從業人員具有一定的參考價值。