基于RTDS的超高壓線路保護(hù)裝置的試驗(yàn)研究

超高壓電網(wǎng)線路本身特點(diǎn)所決定的某些元件模型的構(gòu)建應(yīng)特別注意，盡量作到設(shè)計(jì)的與實(shí)際相符，其真實(shí)性將直接影響保護(hù)裝置的性能指標(biāo)。其中電容式電壓互感器(CVT)的采用，導(dǎo)致了故障后獲取的二次信號(hào)具有明顯的暫態(tài)特性，其對(duì)于距離保護(hù)在暫態(tài)超越試驗(yàn)以及出口故障試驗(yàn)中有重要的考驗(yàn)；另外由于超高壓電網(wǎng)的衰減時(shí)間常數(shù)較大，某些故障情況下非周期分量衰減緩慢，從而導(dǎo)致電流互感器(CT)出現(xiàn)飽和，此點(diǎn)對(duì)保護(hù)裝置也是一個(gè)非常重要的考核內(nèi)容，由此可知高壓電網(wǎng)的特點(diǎn)對(duì)保護(hù)裝置提出了更高的要求。對(duì)于不同的通道連接方式，我們利用SEL保護(hù)裝置的“可編程邏輯功能”來模擬，得到了較好的試驗(yàn)效果。
1.2 測試內(nèi)容及結(jié)果
為使研制開發(fā)的保護(hù)裝置有一個(gè)較高的起點(diǎn)，以優(yōu)良的性能滿足于高壓/超高壓線路保護(hù)的各項(xiàng)要求，以SD286-88《線路繼電保護(hù)產(chǎn)品動(dòng)模試驗(yàn)技術(shù)條件》的內(nèi)容為基本要求，另外考慮到此標(biāo)準(zhǔn)制訂于10幾年前，部分內(nèi)容已不適應(yīng)當(dāng)前形式的需要，所以結(jié)合目前系統(tǒng)的實(shí)際需要，借鑒國內(nèi)其他保護(hù)廠家的企標(biāo)，制定了我們的測試內(nèi)容和性能要求。
我們開發(fā)的線路保護(hù)裝置DF3621定位于高壓/超高壓電力系統(tǒng)，基本配置：以縱聯(lián)距離保護(hù)為主，三段式距離保護(hù)、階段式零序保護(hù)和反時(shí)限零序保護(hù)為后備保護(hù)，以及完善的輔助功能的成套保護(hù)裝置。裝置采用先進(jìn)、可靠的軟件平臺(tái)，硬件平臺(tái)采用32位CPU+DSP模式，為保護(hù)整體性能提供了可靠基礎(chǔ)；保護(hù)原理完備、先進(jìn)，在吸收目前國內(nèi)同類保護(hù)產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了自適應(yīng)、模式識(shí)別等一些成熟的研究成果，從而使此裝置在滿足目前保護(hù)裝置基本要求的前提下，對(duì)特殊工況時(shí)的故障也具有另人滿意的結(jié)果。
此次RTDS試驗(yàn)屬于研制階段的手段，所以試驗(yàn)項(xiàng)目在完全包括電力科學(xué)院所有檢測項(xiàng)目，以及部分網(wǎng)局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，我們又增加了一些試驗(yàn)內(nèi)容：復(fù)故障、特高阻(大于300)接地故障、振蕩中經(jīng)過渡電阻接地故障、CT嚴(yán)重飽和工況等。DF3621的基本測試結(jié)果如表1所示。

其他項(xiàng)目如：PT斷線、CT斷線及飽和、手合空載線及故障線路等也作了充分的測試。經(jīng)過上千次的試驗(yàn)表明：DF3621高壓線路保護(hù)裝置各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求，性能穩(wěn)定可靠，對(duì)于特殊工況下的故障反應(yīng)也得到了比較滿意的結(jié)果。

2 高壓線路保護(hù)裝置的幾個(gè)難點(diǎn)^[3-6]
我國的微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品從投入現(xiàn)場實(shí)際到現(xiàn)在已有十幾年的歷史了，在完成其之前集成保護(hù)所有功能的基礎(chǔ)上，就保護(hù)功能而言真正性能提高的幅度不大，也可以說就保護(hù)原理而言未能充分發(fā)揮微機(jī)的優(yōu)勢(shì)。尤其是目前隨著軟、硬技術(shù)的飛速發(fā)展，一些研究成熟的高級(jí)算法、智能化分析方法等完全可以引入的保護(hù)中。當(dāng)然保護(hù)裝置的開發(fā)以可靠為首，我們也正是本著這一原則，就目前保護(hù)裝置解決不太理想的地方進(jìn)行了試驗(yàn)性嘗試。也希望同時(shí)引起同行對(duì)此類問題的關(guān)注。
2.1 狀態(tài)識(shí)別及自適應(yīng)
嚴(yán)格的講狀態(tài)識(shí)別及自適應(yīng)涉及很多方面，限于篇幅及本文的側(cè)重點(diǎn)，就幾個(gè)主要方面提出予以探討。目前國內(nèi)的保護(hù)裝置，啟動(dòng)元件動(dòng)作后，后續(xù)的故障處理過程是按照啟動(dòng)時(shí)刻為基準(zhǔn)展開的，如突變量啟動(dòng)后相繼執(zhí)行快速段、穩(wěn)態(tài)階段、振蕩閉鎖階段、跳閘后階段以及非全相階段，其他的內(nèi)容如PTDX、加速則包含于其中。應(yīng)該說此種方案是不合理的，我們所制定的保護(hù)處理方案是針對(duì)于保護(hù)裝置之外的一次、二次的狀態(tài)而言的，除了簡單的單一性故障，程序處理和系統(tǒng)狀態(tài)相符合，大多數(shù)會(huì)導(dǎo)致不一致從而影響保護(hù)整體性能。列舉幾例如下：
(1) 啟動(dòng)元件為保證各種可能故障下都能動(dòng)作，整定的靈敏度非常高，所以啟動(dòng)元件動(dòng)作往往并非是故障的真實(shí)發(fā)生時(shí)刻；距離保護(hù)為兼顧近端故障快速切除和末端暫態(tài)超越不超標(biāo)一般采用快速段保護(hù)以啟動(dòng)時(shí)刻為基準(zhǔn)階段放開保護(hù)范圍的方法，此策略勢(shì)必導(dǎo)致的結(jié)果是暫態(tài)超越試驗(yàn)動(dòng)作時(shí)間不會(huì)太快，另外對(duì)于小擾動(dòng)導(dǎo)致啟動(dòng)后一段時(shí)間發(fā)生的故障勢(shì)必可能出現(xiàn)暫態(tài)超越超標(biāo)。
(2) 目前微機(jī)距離保護(hù)一般采用短時(shí)開放，150ms后(以啟動(dòng)時(shí)刻為基準(zhǔn))后進(jìn)入振蕩閉鎖處理模塊，通過增加條件來開放保護(hù)。應(yīng)當(dāng)說此方案側(cè)重于可靠性考慮，對(duì)于我國的電網(wǎng)穩(wěn)定等方面具有積極的實(shí)用意義。但僅通過突變量啟動(dòng)元件動(dòng)作后150ms來運(yùn)行振蕩閉鎖程序，應(yīng)當(dāng)說此元件過于靈敏，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，小擾動(dòng)導(dǎo)致啟動(dòng)后，再發(fā)生故障導(dǎo)致保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。
(3) 系統(tǒng)非全相運(yùn)行期間，由于存在零序電流等特點(diǎn)，保護(hù)裝置自動(dòng)投入相應(yīng)保護(hù)的同時(shí)，應(yīng)退出某些會(huì)誤動(dòng)的保護(hù)元件，因此非全相狀態(tài)一旦漏判，勢(shì)必會(huì)影響保護(hù)裝置的整體性能。而目前有些保護(hù)裝置僅從本保護(hù)端三相斷路器是否閉合來斷定是否系統(tǒng)處于非全相狀態(tài)的做法是不準(zhǔn)確的，會(huì)將導(dǎo)致單跳后優(yōu)先重合側(cè)保護(hù)裝置誤認(rèn)為系統(tǒng)已恢復(fù)三相運(yùn)行。
對(duì)于上述問題的出現(xiàn)，其根本性原因在于保護(hù)裝置未能充分利用其強(qiáng)大的記憶及分析功能來準(zhǔn)確的識(shí)別系統(tǒng)狀態(tài)，通過狀態(tài)識(shí)別結(jié)果來投入相應(yīng)的處理模塊，此過程本身就體現(xiàn)了自適應(yīng)思想。
新開發(fā)的線路保護(hù)裝置DF3621改變了以前基于啟動(dòng)時(shí)刻調(diào)節(jié)保護(hù)范圍的做法，而采用元件所用電流、電壓量的波形(提出了波形系數(shù)的概念)來作為自適應(yīng)選用數(shù)字濾波器、調(diào)節(jié)保護(hù)范圍、調(diào)節(jié)方向元件動(dòng)作范圍等各個(gè)環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)。理論上分析可知：故障時(shí)刻的不同，故障暫態(tài)分量中非周期分量和各高次諧波分量是不同的。采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波器后，可以避免統(tǒng)一采用差分傅氏算法在某些情況下放大諧波的可能。CT飽和后，自適應(yīng)采用短數(shù)據(jù)窗保證計(jì)算量的真實(shí)性。這樣直接定位為體現(xiàn)元件輸入量可信度的處理方式，從根本上解決了不論是何種原因?qū)е碌男盘?hào)畸變不會(huì)影響保護(hù)性能，同時(shí)也確保了任何故障情況下，保護(hù)在暫態(tài)超越指標(biāo)范圍內(nèi)快速切除故障的可能。
系統(tǒng)振蕩狀態(tài)的出現(xiàn)是有先兆和需要過程的，這為我們提供了振蕩狀態(tài)識(shí)別的可能，充分利用微機(jī)保護(hù)的強(qiáng)記憶功能，采用狀態(tài)預(yù)測算法，保證系統(tǒng)發(fā)生振蕩之前，及時(shí)投入振蕩閉鎖處理模塊，取消突變量啟動(dòng)150ms后自認(rèn)為系統(tǒng)已振蕩的做法，確保小擾動(dòng)啟動(dòng)后系統(tǒng)未振蕩情況下再故障時(shí)保護(hù)裝置的動(dòng)作性能，這樣從整體上提高了保護(hù)裝置的性能指標(biāo)。而對(duì)于非全相狀態(tài)的識(shí)別，在監(jiān)視跳開相電量和開關(guān)量的同時(shí)，應(yīng)綜合利用本保護(hù)各元件曾經(jīng)的感受行為，以及系統(tǒng)零序電量的變化行為，來作出定位于一次系統(tǒng)的非全相狀態(tài)識(shí)別。
2.2 振蕩中選相處理^[7]
振蕩閉鎖模塊的處理方案，從確保電網(wǎng)穩(wěn)定等方面出發(fā)，基本要求是振蕩情況下保護(hù)不誤動(dòng)，其次是振蕩中又發(fā)生故障，保護(hù)能夠正確動(dòng)作。目前保護(hù)裝置基本上都能滿足第一個(gè)性能指標(biāo)，而第二個(gè)指標(biāo)一般是通過保護(hù)延時(shí)動(dòng)作，和降低性能指標(biāo)等方式來實(shí)現(xiàn)的，即對(duì)于振蕩中故障能否正確選相、正確計(jì)算阻抗量、耐過渡電阻各方面不作太嚴(yán)格的要求。而作為保護(hù)科技工作人員當(dāng)希望此工況下，保護(hù)性能指標(biāo)不受影響，此點(diǎn)也是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。
目前振蕩中選相元件僅在故障開放條件滿足后通過序分量以及計(jì)算阻抗來實(shí)現(xiàn)，勢(shì)必導(dǎo)致某些故障情況下，僅當(dāng)兩端電勢(shì)夾角擺到一定范圍內(nèi)才能開放，從而使保護(hù)延時(shí)動(dòng)作；甚至不能開放，導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)或無選擇性出口。新開發(fā)的線路保護(hù)裝置DF3621中，專門針對(duì)系統(tǒng)振蕩狀態(tài)研制了一基于模型識(shí)別方法的新型選相元件，其基本原理為綜合利用保護(hù)安裝處的各序量關(guān)系，以及推算得到的故障點(diǎn)處的各序量關(guān)系，最終給出正確的故障類型。由于此選相元件所需的開放條件比較靈敏，確保各種工況下都能選相，且振蕩周期中不工作的盲區(qū)大大減少，提高了保護(hù)的選跳正確率和動(dòng)作時(shí)間。大量的RTDS動(dòng)模試驗(yàn)已證明了此點(diǎn)。
2.3 轉(zhuǎn)換性故障
對(duì)于同一點(diǎn)不同故障類型轉(zhuǎn)換的發(fā)展性故障，采用選相元件、阻抗元件并行實(shí)時(shí)運(yùn)算，故障類型變化后最先滿足入段的元件優(yōu)先固定的原則，可以滿足測試指標(biāo)；對(duì)于二次故障，即兩次故障轉(zhuǎn)換間隔相對(duì)較長，第一次故障已成功切除，此時(shí)按照狀態(tài)檢測調(diào)度再發(fā)生故障將由非全相故障處理模塊來切除，各項(xiàng)性能指標(biāo)一般保護(hù)裝置都能滿足。難點(diǎn)在于正、反向復(fù)故障情況，即正向出口、反向出口故障點(diǎn)同時(shí)存在，如果為不同相，對(duì)于單通道高頻保護(hù)，遠(yuǎn)端保護(hù)裝置只能無選擇三跳，而近端保護(hù)裝置則希望能夠正確選跳，就此特殊故障類型，如果不作專門性處理，僅當(dāng)在保護(hù)安裝處所感受的區(qū)內(nèi)故障附加電源產(chǎn)生的故障電量遠(yuǎn)大于區(qū)外故障附加電源所產(chǎn)生的電量時(shí)，才能保證選相正確，從而不能確保各種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下保護(hù)性能的一致性。對(duì)此我們?cè)黾右混`敏度足夠高的復(fù)故障檢測元件，通過此元件來投入此工況下的專門選相元件，其綜合利用電流序分量選相結(jié)果和電壓序分量選相結(jié)果，以及保護(hù)測量元件的歷史和當(dāng)前感受情況，統(tǒng)一分析后最終給出正確的選相結(jié)果。
2.4 高阻接地故障
接地保護(hù)的耐過渡電阻能力是距離保護(hù)元件的重要測試項(xiàng)目，而距離保護(hù)元件是越量型元件，有別于測量元件，在保護(hù)范圍之內(nèi)，即使測量誤差很大，也能使保護(hù)元件正確動(dòng)作，由此可知耐過渡電阻的能力對(duì)于保護(hù)范圍的不同點(diǎn)，具有不同的性能。所有基于金屬性故障推出的距離元件在保護(hù)范圍末端必將耐過渡電阻能力較弱。對(duì)此，我們采用了基于零序電流修正的測距算法來作為保護(hù)范圍末端高阻單相接地故障時(shí)的測量元件，從而保證了不論保護(hù)范圍內(nèi)的何處故障都具有較高的耐過渡電阻能力，提高了裝置的整體性能。

3 結(jié)論
經(jīng)過大量的RTDS試驗(yàn)，表明新開發(fā)的DF3621型線路保護(hù)裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)比較另人滿意，當(dāng)然還需要長期現(xiàn)場試運(yùn)行的考驗(yàn)。
RTDS數(shù)字動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)在保護(hù)裝置開發(fā)中具有非常重要的作用，對(duì)原先基于經(jīng)驗(yàn)開發(fā)裝置、模擬動(dòng)模試驗(yàn)測試、長期現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)的裝置研發(fā)模式有所改變，充分利用RTDS試驗(yàn)，作為保護(hù)裝置開發(fā)的重要手段，將在縮短研發(fā)周期的同時(shí)，會(huì)不同程度的提高保護(hù)裝置的整體性能。另外，我們?cè)谘邪l(fā)過程中感覺到：在完全理解目前保護(hù)裝置產(chǎn)品處理方案的基礎(chǔ)上，繼承優(yōu)點(diǎn)，就某些具有開發(fā)時(shí)代局限，而不能很好的滿足現(xiàn)在實(shí)際現(xiàn)場需求的處理方法，在充分測試的前提下可以采用新的研究成果，以提高保護(hù)裝置的綜合性能指標(biāo)；隨著技術(shù)的發(fā)展，用戶需求的進(jìn)一步提高，以及保護(hù)本身原理研究的突破，保護(hù)裝置產(chǎn)品也應(yīng)及時(shí)的升級(jí)換代或研制開發(fā)新產(chǎn)品。