周 寧，陳 波，程 正，舒 展，賈蕗路

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077）

0 引言

全實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RealTimeDigitalSimulator，RTDS），可以為外部設(shè)備提供良好的測(cè)試環(huán)境[1]。在RTDS仿真平臺(tái)上建立220kV及以上的等值系統(tǒng)和不同類型的故障邏輯，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障錄波裝置的動(dòng)態(tài)測(cè)試。在常規(guī)的故障錄波器測(cè)試中，錄波器的測(cè)試項(xiàng)目眾多，大部分測(cè)試項(xiàng)目都采用靜態(tài)的測(cè)試方法，對(duì)于考驗(yàn)故障錄波器的長(zhǎng)時(shí)間大電流的動(dòng)態(tài)錄波功能往往不易實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種基于RTDS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方案比其他測(cè)試方案更全面，通過RTDS系統(tǒng)模擬許多電力系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)中的許多復(fù)雜故障和發(fā)展性故障，從而進(jìn)一步彌補(bǔ)了常規(guī)物理測(cè)試系統(tǒng)在這一方面的不足。本文介紹的測(cè)試方法既適用于常規(guī)故障錄波器，也適用于數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)故障錄波器。通過該方法，能靈活檢測(cè)出靜態(tài)試驗(yàn)難以發(fā)現(xiàn)的問題，能夠應(yīng)用于大型變電站故障錄波裝置的閉環(huán)測(cè)試，具有廣泛的適用性。

1 測(cè)試平臺(tái)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)框架

基于RTDS故障錄波裝置測(cè)試方法首先需要搭建測(cè)試系統(tǒng)模型。模型由仿真系統(tǒng)工作站、RTDS、GTAO、GTDI、GTFPI、功率放大器、線路控保裝置及故障錄波器連接構(gòu)成。仿真系統(tǒng)工作站通過以太網(wǎng)與RTDS相連接，RTDS輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過GTAO板卡輸出后連接到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出的二次信號(hào)同時(shí)連接到線路控保裝置，故障錄波器串聯(lián)接在回路里。仿真系統(tǒng)輸出的跳合閘信號(hào)通過GTFPI卡線路控保裝置的跳閘繼電器相連接，線路控保裝置輸出的跳合閘信號(hào)與故障錄波器相連接。

圖1 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

圖1中功率放大器輸出的二次信號(hào)包括電壓信號(hào)及電流信號(hào)，經(jīng)過放大后的電壓和電流模擬量信號(hào)連接到線路控保及故障錄波裝置的采樣端子上。如果是數(shù)字化控保裝置，則在功率放大器輸出后先連接到線路的合并單元MU裝置上，經(jīng)過合并單元MU裝置轉(zhuǎn)換后再連接到控保和故障錄波器裝置上。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)模型

在RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置上建立動(dòng)態(tài)測(cè)試模型（該模型適用于110kV及以上電壓等級(jí)的裝置測(cè)試），模型示意圖見圖2，

圖2 動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真模型示意圖

圖2中，M側(cè)接有一個(gè)發(fā)電廠和一個(gè)負(fù)荷模型，負(fù)荷模型經(jīng)過降壓變壓器后直接掛接在M側(cè)母線上。N側(cè)接有一個(gè)等值的無窮大電源（根據(jù)被測(cè)裝置所處的具體位置，結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行等值后得出）。測(cè)試模型包括發(fā)電機(jī)模型、升壓變模型、兩條線路模型、故障設(shè)置模型、負(fù)荷模型等、電壓互感器模型和電流互感器模型、開關(guān)模型、母線模型等內(nèi)容。線路模型1包括Brk1斷路器、1TA電流互感器、2TA電流互感器、Brk2斷路器。線路模型2包括Brk3斷路器和Brk4斷路器。其中M側(cè)母線模型包括1TV電壓互感器及相鄰的出線，N側(cè)母線模型包括2TV電壓互感器及相鄰的出線。

在測(cè)試過程中設(shè)置了整個(gè)系統(tǒng)的大、小兩種運(yùn)行方式，其對(duì)應(yīng)的短路容量設(shè)置為1000MVA及10000MVA。線路1和線路2單位長(zhǎng)度線路參數(shù)采用具體運(yùn)行中的實(shí)際參數(shù)。該測(cè)試仿真模型，參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單明了，適用于不同的電壓等級(jí)。本次測(cè)試過程中，模型以線路1為基本被試驗(yàn)線路，以線路控保裝置為依托，將需要測(cè)試的故障錄波器串入線路控保裝置的尾端，形成一個(gè)模擬的仿真系統(tǒng)，對(duì)裝置進(jìn)行離線的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試。測(cè)試過程中，為檢驗(yàn)故障錄波器的故障測(cè)距功能的準(zhǔn)確性共設(shè)置一下幾個(gè)短路點(diǎn)（以M側(cè)為準(zhǔn)）：

K1：區(qū)外

K2：線路全長(zhǎng)約10%，10.0km處。

K3、K6：線路全長(zhǎng)約50%，50.0km處。

K4：線路全長(zhǎng)約90%，90.0km處。

K5：區(qū)外。

動(dòng)態(tài)測(cè)試過程中的連接：

1）交流電壓輸入信號(hào)：被檢測(cè)的故障錄波器分別安裝在被控保線路的M側(cè)和N側(cè)，M側(cè)控保的電壓信號(hào)由M側(cè)母線電壓互感器1TV提供，N側(cè)控保的電壓信號(hào)由N側(cè)母線電壓互感器2TV提供。電壓互感器變比可根據(jù)需要設(shè)置。

2）交流電流輸入信號(hào)：M側(cè)控保的電流信號(hào)由1TA的二次電流提供，N側(cè)控保的電流信號(hào)由2TA的二次電流提供。電壓互感器變比可根據(jù)需要設(shè)置。

3）控制信號(hào)輸入：將M側(cè)和N側(cè)模擬斷路器的常開輔助接點(diǎn)接入模型中的兩側(cè)線路控保裝置和故障錄波器相應(yīng)的位置。

將圖2所示的動(dòng)模示意圖在RTDS上進(jìn)行創(chuàng)建、編輯和編譯后，形成了圖3動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真RTDS模型和圖4動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真建模的操作界面。

圖3 動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真RTDS模型

圖4 動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真建模的操作界面

1.3 模擬故障模型

為了檢驗(yàn)故障錄波器在故障前后的錄波數(shù)據(jù)在各段記錄中的準(zhǔn)確性和精度，動(dòng)態(tài)測(cè)試在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型搭建的基礎(chǔ)上，還專門設(shè)計(jì)搭建了不同類型的故障模型，其中將故障模型分為簡(jiǎn)單故障模型和復(fù)雜故障模型。復(fù)雜故障模型包括發(fā)展性故障、轉(zhuǎn)換型故障、振蕩性故障等等。其中，圖5中搭建的是簡(jiǎn)單故障的實(shí)現(xiàn)邏輯，圖6中搭建的是發(fā)展和轉(zhuǎn)換性故障實(shí)現(xiàn)邏輯。

兩種邏輯共同組成后，可以模擬出各種不同類型的故障，這就與靜態(tài)測(cè)試中故障模擬有著本質(zhì)的區(qū)別。常規(guī)的靜態(tài)測(cè)試中，模擬故障一般都按照測(cè)試儀固有的故障邏輯和程序進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于復(fù)雜的故障和故障的時(shí)間控制不利于靈活改變。而動(dòng)態(tài)測(cè)試方法能有效彌補(bǔ)這個(gè)不足，只要根據(jù)本文中設(shè)計(jì)搭建的故障邏輯，可以靈活的模擬和控制所需要的故障類型和故障時(shí)間。常規(guī)測(cè)試裝置在模擬非金屬性和振蕩過程中的短路故障時(shí)往往不夠靈活。而該動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，將非金屬性短路和振蕩過程中短路故障的控制利用滑塊的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)定，通過設(shè)置滑塊中間變量值的大小來模擬不同程度的非金屬性和振蕩過程中的短路故障。

圖5 動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真RTDS模型中的故障邏輯1

圖6 動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真RTDS模型中的故障邏輯2

2 動(dòng)態(tài)測(cè)試內(nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)記錄方式測(cè)試

1）在圖2中，在K3點(diǎn)模擬線路單相永久性故障，其順序?yàn)椋?.0s單相故障——0.1s切除故障——1.0s重合于故障——1.1s故障再切除。

2）要求裝置的數(shù)據(jù)記錄時(shí)間，記錄方式及采樣速率應(yīng)滿足如下：

A時(shí)段：系統(tǒng)大擾動(dòng)開始前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出原始記錄波形及有效值，記錄時(shí)間≥0.04s，采樣速率一般不小于5kHz。

B時(shí)段：系統(tǒng)大擾動(dòng)后初期的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可直接輸出原始記錄波形，可觀察到5次諧波，同時(shí)也可輸出每一周波的工頻有效值及直流分量值，記錄時(shí)間≥0.1s，采樣速率一般不小于5kHz。

C時(shí)段：系統(tǒng)大擾動(dòng)后的中期狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出連續(xù)的工頻有效值，記錄時(shí)間≥1.0s，記錄錄波的記錄時(shí)間及采樣速率。

D時(shí)段：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)，每0.1s輸出一個(gè)工頻有效值，記錄時(shí)間≥20s，記錄錄波的記錄時(shí)間及采樣速率。

E時(shí)段：系統(tǒng)長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，每1s輸出一個(gè)工頻有效值，記錄時(shí)間＞10min。

總錄波時(shí)間；大于3s；時(shí)間零坐標(biāo)誤差1ms，記錄錄波的記錄時(shí)間及采樣速率。

2.2 裝置記錄容量測(cè)試

1）在10min內(nèi)，線路上相繼發(fā)生兩次永久性故障，緊接著系統(tǒng)開始長(zhǎng)過程振蕩，待振蕩平息后線路上又相繼發(fā)生三次永久故障，每次故障包括如下過程：故障發(fā)生→故障切除→重合于永久性故障→再次切除故障；

2）在10min內(nèi)，線路上相繼發(fā)生兩次永久性故障，緊接著系統(tǒng)開始長(zhǎng)過程振蕩，在振蕩過程中線路上又相繼發(fā)生三次永久性故障，每次故障過程同1）；

3）在20s內(nèi)，線路上相繼發(fā)生五次永久性故障，緊接一次10min長(zhǎng)過程振蕩，每次故障過程同1）；

4）以上過程連續(xù)進(jìn)行，要求裝置能完整記錄全部故障和振蕩過程數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)內(nèi)容正確，記錄方式符合DL/T553-94的要求。檢查被測(cè)裝置是否具有穩(wěn)態(tài)（全天侯）記錄功能。

2.3 大短路電流記錄能力測(cè)試

在K1點(diǎn)連續(xù)兩次模擬三相短路，每次短路持續(xù)時(shí)間為0.04s，兩次短路間隔時(shí)間為1s，控制合閘角，使某相短路電流的非周期分量達(dá)到最大。

上述試驗(yàn)進(jìn)行兩次，試驗(yàn)時(shí)短路電流工頻有效值分別為20倍和10倍額定電流，要求裝置記錄的電流波形不失真，電流瞬時(shí)值測(cè)量誤差不大于10%。

2.4 故障測(cè)距測(cè)試

在圖2中的K2、K3點(diǎn)模擬單相金屬性接地、兩相金屬性短路、單相經(jīng)10Ω過渡電阻接地和兩相短路再經(jīng)10Ω過渡電阻接地故障時(shí)，要求裝置的測(cè)距誤差不大于5%，無判相錯(cuò)誤。在K1點(diǎn)模擬單相金屬性接地、兩相金屬性短路、單相經(jīng)10Ω過渡電阻接地和兩相短路再經(jīng)10Ω過渡電阻接地中故障時(shí)，要求裝置的測(cè)距誤差不大于2km，無判相錯(cuò)誤。

3 動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)例

選取一個(gè)WY*-901型號(hào)的測(cè)試品（網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析及故障錄波一體化裝置）實(shí)例進(jìn)行測(cè)試。這里采用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析及故障錄波一體化裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試的目的在于證明該測(cè)試方法不僅適用于常規(guī)故障錄波器的動(dòng)態(tài)測(cè)試，同樣適用于智能變電站內(nèi)的故障錄波裝置。該測(cè)試實(shí)例接線方式如模型中一致，測(cè)試的內(nèi)容為220kV電壓等級(jí)的測(cè)試品。

3.1 數(shù)據(jù)記錄方式檢驗(yàn)

按照2.1的測(cè)試方法，對(duì)被測(cè)試品進(jìn)行測(cè)試，得到波形如圖7所示：

圖7 K3點(diǎn)發(fā)生2次A相永久性故障的裝置錄波圖

3.2 裝置記錄容量測(cè)試

按照2.2的測(cè)試方法，對(duì)被測(cè)試品進(jìn)行測(cè)試，得到波形如圖8所示：

圖8 K3點(diǎn)發(fā)生4次A相永久性故障的裝置錄波圖

3.3 故障測(cè)距測(cè)試

按2.4中要求（測(cè)距誤差不大于5%，無判相錯(cuò)誤）來進(jìn)行測(cè)試。分別在K3點(diǎn)模擬單相金屬性接地故障和兩相經(jīng)10Ω過渡電阻接地故障，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 故障測(cè)距功能的測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩次故障的故障類型、故障相判別和實(shí)測(cè)的故障距離與故障設(shè)定時(shí)一致，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)語

本動(dòng)態(tài)測(cè)試方法合理地將仿真工作站、RTDS、功率放大器及線路控保裝置結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了故障錄波器的數(shù)字動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試功能。該動(dòng)態(tài)測(cè)試方法同時(shí)適用于常規(guī)故障錄波器和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析及故障錄波一體化裝置的測(cè)試。該方法對(duì)被測(cè)試品可根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行情況，進(jìn)行離線等值的實(shí)時(shí)校核。在檢測(cè)過程中，運(yùn)用該動(dòng)態(tài)測(cè)試方法所檢驗(yàn)出現(xiàn)的問題是常規(guī)的靜態(tài)測(cè)試過程中難以發(fā)現(xiàn)的，對(duì)于檢測(cè)故障錄波器的動(dòng)態(tài)特性具有廣泛的適用性。