季昕雨，范 宏，沈 冰，鄒曉峰，曾 平

(1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090;2.上海市電力公司 電力科學(xué)研究院，上海 200437)

隨著數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)的不斷加快，大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，繼電保護裝置的功能需求越來越高，繼電保護裝置在入網(wǎng)前必須進行入網(wǎng)檢測.在入網(wǎng)前對繼電保護設(shè)備進行實時數(shù)字仿真檢測和試驗，不僅是電力公司提出的要求，而且已經(jīng)成為各大繼電保護生產(chǎn)廠商在產(chǎn)品研發(fā)階段的需要.[1]

實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(Real Time Digital Simulator，RTDS)是由加拿大曼尼托巴 RTDS公司開發(fā)制造，專門用于研究電力系統(tǒng)的數(shù)字動模系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電力系統(tǒng)元件模型和仿真算法已獲得行業(yè)認可，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的實時數(shù)字仿真系統(tǒng).[2]與離線仿真軟件相比，其具有實時性及能夠帶被測試設(shè)備閉環(huán)運行的能力，不僅可以用于仿真分析，還可以提供一次設(shè)備、各類控制系統(tǒng)及各種電力系統(tǒng)自動化設(shè)備實時數(shù)字仿真閉環(huán)檢測試驗.[3]

RTDS包含硬件和軟件兩部分，硬件包含RACK(含3PC卡、GPC卡和PB5卡)，GTDO卡，GTAO卡，GTFPI卡，用于計算和數(shù)據(jù)輸出.軟件RSCAD包括電力系統(tǒng)元件庫和控制系統(tǒng)元件庫，用戶能夠利用元件模塊組建電力系統(tǒng)的一次系統(tǒng)及其控制回路，實現(xiàn)對現(xiàn)實系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時仿真和控制.[4-6]正是由于RTDS在實時仿真方面的巨大優(yōu)勢，國內(nèi)各大電科院及保護設(shè)備生產(chǎn)商都利用其對電力設(shè)備進行測試.本文提出利用實時仿真系統(tǒng)RTDS對變壓器差動保護裝置進行閉環(huán)檢測試驗.

1 變壓器差動保護原理

變壓器差動保護的基本原理是基爾霍夫電流定律，雙繞組變壓器的兩側(cè)裝設(shè)了電流互感器(Current Transformer，CT).正常情況下或外部故障時，兩側(cè)的電流互感器產(chǎn)生的二次電流流入差動繼電器的電流大小相等，方向相反，在繼電器中電流等于零，因此差動繼電器不動作.當(dāng)變壓器內(nèi)部或保護區(qū)域內(nèi)的供電線路發(fā)生故障時，流入差動繼電器的電流就會發(fā)生變化，當(dāng)電流值達到設(shè)定值時，繼電器就會動作.一般來說，在電力變壓器中有電流流過時，通過變壓器兩側(cè)的電流不會正好相等，這與變壓器和電流互感器的變比和接線組別有關(guān).變壓器在投入時會產(chǎn)生高于額定電流6～8倍的勵磁涌流，同時產(chǎn)生大量的高次諧波(其中以二次諧波為主).由于勵磁涌流只流過變壓器的某一側(cè)，因此通過電流互感器反應(yīng)到差動回路中將形成不平衡電流，引起差動保護動作.

變壓器差動保護一般包括差動速斷保護、比率差動保護和2次(或5次)諧波制動的比率差動保護，不管何種保護功能的差動保護，其差動電流都由通過變壓器各側(cè)電流的向量和得到，在變壓器正常運行或者保護區(qū)外部故障時，該差動電流近似為零，當(dāng)保護區(qū)內(nèi)出現(xiàn)故障時，該差動電流增大.

差動保護首先要根據(jù)高低壓側(cè)的三相電流二次值分相計算差動電流 Id和制動電流 Ir，由于變壓器接線方式的不同及高低壓側(cè)TA變比的差異，應(yīng)當(dāng)將高低壓側(cè)的三相電流分別進行調(diào)整，使兩側(cè)三相電流的幅值和相位達到平衡后再對差動和制動電流進行計算.

變壓器通常有3種典型的接線方式，分別為Y/Y，Y/Δ-11，Y/Δ-1.本文采用 Y/Δ-11 方式.設(shè)高低壓側(cè)的變比為K，高壓側(cè)TA變比為KH，低壓側(cè)TA變比為 KL，則調(diào)整后的低壓側(cè)三相電流為:

調(diào)整后的高壓側(cè)三相電流為:

運用幅值和相位平衡調(diào)整后的高壓側(cè)三相電流 IA，IB，IC和低壓側(cè)三相電流 Ia，Ib，Ic就可以計算變壓器的三相差動電流和制動電流:

在變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復(fù)的情況下，則可能出現(xiàn)很大的勵磁電流即勵磁涌流，這是由變壓器鐵心飽和及剩磁的存在引起的.變壓器勵磁涌流僅流經(jīng)變壓器的某一側(cè)，因此通過電流互感器反應(yīng)到差動回路中將形成不平衡電流.在實際保護中多采用二次諧波制動原理來躲避勵磁涌流.

2 RTDS下的系統(tǒng)平臺建模

本文利用RTDS的軟件平臺RSCAD來搭建閉環(huán)檢測平臺模型.該模型在 RTDS的 RSCAD軟件中的仿真建模 Draft模塊下完成，形成后綴為.dft的系統(tǒng)文件.系統(tǒng)平臺模型又包含一次系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型.

2.1 一次系統(tǒng)模型的建設(shè)

圖1為在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS中搭建的一次系統(tǒng)接線圖.

該模型為一簡單電力系統(tǒng)，無窮大電源與變壓器經(jīng)一段線路相連，變壓器向負荷供電.在該模型中設(shè)置了區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障，并對兩種故障分別設(shè)置不同故障類型，可模擬的故障類型包括:A相、B相、C相3種單相故障，AB相、BC相、CA相3種兩相故障，ABC 3相故障，共7種，故障類型由控制電路進行選擇.

圖1 一次系統(tǒng)接線示意

2.2 控制系統(tǒng)模型的建設(shè)

該控制系統(tǒng)模型包括故障類型控制模型，控制模型同樣保存在系統(tǒng)模型文件中，可從控制模型中對控制對象進行控制操作和/或相應(yīng)控制參數(shù)的配置.通過斷路器控制電容器或電抗器的投入或切除，通過相應(yīng)的開關(guān)控制邏輯框圖實現(xiàn)開關(guān)的分合操作.完成上述系統(tǒng)平臺模型和相應(yīng)的子模塊參數(shù)配置后，即可編譯模型，也可仿真所研究的區(qū)域電網(wǎng).[7]

然后根據(jù)系統(tǒng)平臺模型的一次系統(tǒng)模型圖，在RSCAD的仿真運行模塊中，搭建該閉環(huán)測試平臺的操作系統(tǒng)模型，便于仿真運行時對系統(tǒng)進行觀察和控制.

2.3 硬件裝置的連接原理

實時數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS與繼電保護裝置的硬件連接原理如圖2所示.

由圖2可知，RTDS由GTAO卡輸出兩組三相電流、三相電壓，接至功率放大器，電壓放大20倍，電流放大8倍，經(jīng)過錄波儀傳送至線路保護設(shè)備;RTDS由GTDO卡輸出9個斷路器位置信號，分別為 BRK1，BRK6，BRK9的 ABC三相斷路器狀態(tài);線路保護設(shè)備根據(jù)電壓電流、斷路器位置等信息判斷故障的類型與地點，發(fā)出相應(yīng)的跳閘信號;RTDS由GTDI卡接收9個斷路器跳閘信號，分別為 BRK1，BRK6，BRK9的 ABC三相斷路器跳閘信號.[8]

圖2 閉環(huán)測試的硬件接線原理

3 測試項目及仿真測試

3.1 測試項目

依照GB/T 14285—2006繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程和DL/T 769—2001電力系統(tǒng)微機繼電保護技術(shù)導(dǎo)則，利用前述搭建的仿真測試平臺對變壓器保護進行功能測試，測試項目包括:區(qū)內(nèi)區(qū)外的單一故障測試，轉(zhuǎn)換性故障測試，手合試驗，CT飽和試驗，CT斷線試驗，變壓器抽頭上調(diào)測試，PT 斷線測試等.[9-10]

3.2 仿真測試

以區(qū)內(nèi)區(qū)外故障的仿真測試為例說明測試過程.當(dāng)?shù)蛪?側(cè)區(qū)內(nèi)F1點發(fā)生A相單相接地瞬時故障時，變壓器3側(cè)電壓電流變化如圖3所示.圖3 中，IHA，IHB，IHC分別為高壓側(cè) A，B，C 三相電流;ISBRK1A，ISBRK1B，ISBRK1C分別為中壓側(cè) A，B，C 三相電流;ISBRK2A，ISBRK2B，ISBRK2C分別為低壓側(cè)負荷支路 A，B，C 三相電流;UHA，UHB，UHC分別為高壓側(cè)三相電壓;T11，T12，T13分別為高中低3側(cè)斷路器跳閘信號.

圖4為變壓器高壓側(cè)空投故障變壓器(高壓側(cè)B相)并發(fā)涌流時變壓器各側(cè)電壓電流及保護動作波形圖;圖5為變壓器低壓區(qū)外F5點發(fā)生AN故障、高壓側(cè)電流互感器 A相4.8 ms后發(fā)生飽和時變壓器各側(cè)電壓電流及保護動作波形.

圖3 低壓1側(cè)區(qū)內(nèi)F1點AN瞬時故障時變壓器3側(cè)電壓電流及保護動作波形

圖4 變壓器高壓側(cè)空投故障變壓器(高壓側(cè)B相)并發(fā)涌流時變壓器各側(cè)電壓電流及保護動作波形

根據(jù)圖3至圖5電流波形可知，繼電保護裝置判斷正確.在變壓器區(qū)內(nèi)相間短路故障時，可將變壓器從系統(tǒng)中切除.此外，本文還對區(qū)內(nèi)AB相間短路、區(qū)內(nèi)BC相間短路進行了試驗，所得到的結(jié)果與區(qū)內(nèi)CA相間短路類似，斷路器能正確動作.由此表明，該平臺能夠?qū)ψ儔浩鞅Ｗo設(shè)備的主要功能進行有效的動模閉環(huán)測試，檢測結(jié)果有效，符合相關(guān)標準.

圖5 變壓器低壓區(qū)外F5點發(fā)生AN故障，高壓側(cè)電流互感器A相4.8 ms后發(fā)生飽和時變壓器各側(cè)電壓電流及保護動作波形

4 結(jié)論

(1)本文提出了基于實時數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS的變壓器差動保護閉環(huán)測試平臺建設(shè)方法，根據(jù)該平臺能夠有效檢測繼電保護裝置的變壓器差動保護功能;

(2)該檢測平臺可以為其他繼電保護設(shè)備的閉環(huán)動模測試提供了一個借鑒方法，基本原理不變，只要將系統(tǒng)模型稍加改變，即可用于檢測線路保護或母線保護及其他二次設(shè)備的動模測試;

(3)該檢測方法在大規(guī)模測試中人工操作量較大，如對上述系統(tǒng)的每個故障點、每個相別故障都一一測試，則至少需要幾百次故障模擬，在以后的改進中可以考慮利用RTDS的腳本功能，將固定的測試項目寫入腳本中自動執(zhí)行，并分析測試結(jié)果，以達到更高的測試效率.

[1]KUTFE R，GIESBRECH J，MAGUIRE T，et al.RTDS-a fully power system simulator operating in real times[C]∥IEEE Energy Management and Power Delivery，Proceedings of EMPD 95，1995:498-503.

[2]毛鵬，楊立，杜肖功，等.基于 RTDS的超高壓線路保護裝置的試驗研究[J].繼電器，2004，32(3):55-59.

[3]鄭三立，雷憲章，RELZMANN D，等.電力系統(tǒng)計算機及實時數(shù)字仿真(下) 電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2001，14(25):40-44.

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[5]馮小玲，郭裊，譚建成.實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(RTDS)在繼電保護上的應(yīng)用研究[J].國際電力，2005，9(4):43-47.

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[8]沈冰，鄒曉峰.實時數(shù)字仿真技術(shù)在智能變電站測試中的應(yīng)用[J].華東電力，2012，40(6):938-941.