纵差线路保护装置RTDS实验方案设计
王学强1，黄立滨1，崔伟2
(1．国家继电器检测中心数字模拟实验室，河南许昌461000；2．中原石油化工有限责任公司，河南濮阳457000)
摘要：介绍一种应用RTDS对纵差线路保护进行测试的实验方案，应用此方案可以对纵差线路保护进行较为全面的考察，以便对保护性能作出评价。
关键词：纵差线路保护；实时数字仿真仪(RTDS)；动模实验
Test scheme ofline differentia relay by RTDS
WANGXue－Qiang1，HUANGLi－Bin1，CUIWei2
(1．Digital Simulation Lab of NCQTR，XuChang 461000 China；
2．ZhongYuan Petroleumand Chemical Limited Responsibility Company，Puyang 457000 China)
Abstract：This paper presents a method of testing differentialline protection with RTDS．Using this method can appraise the protection′soverallperformance．
Key words：differentialline relay；RTDS；dynamic simulation
1 引言
纵差线路保护由于其灵敏度高、选择性强、动作快速等特点在高压线路上得到了越来越多的应用，众多厂家纷纷推出了各自的纵差线路保护装置。但由于纵差保护尚未形成一套完整成熟的理论，各个厂家的保护装置的理论基础、研发水平和制造工艺也不同，因此产品的各项性能指标存在着较大的不同。同时，即使是同一厂家的产品，由于各种因素的存在，也可能导致动作行为上的差异，这就影响了对一个保护装置的客观评价。产品在参与实际运行前，动模实验是检验装置性能的最好方法，因此一套全面、客观的实验方案设计在审定保护装置性能上的作用非常重要。在本文中，作者根据实践，提出了一套较为全面的纵差线路保护装置数模实验方案。
2 RTDS简介
与传统的物理模拟方法不同，数模实验采用RTDS设备对电力系统进行数字化模拟。RTDS的全称为实时数字仿真仪(Real－Time Digital Simulator)，加拿大曼巴托尼HVDC研究中心开发，RTDS公司制造，是一种专门用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。基于DSP的强大计算能力，RTDS能够实时计算电力系统状态并输出到工作站或外部装置如保护。在运行于工作站上的PSCAD软件中，用户可以使用元件库中的各种电力系统元件模型，方便快速地搭建电力系统模型，编译后下载到DSP中计算，在模拟系统运行过程中能够通过工作站对所模拟的电力系统进行控制。相比传统的物理模拟方法，数字模拟方法具有建模周期短、灵活性强、安全性好、结果直观等特点，其计算精度和模型的合理性已通过多年的国内外运行实践证实是可以信赖的。
3 实验方案考虑的主要性能指标
纵差线路保护装置的主要性能指标是确定实验方案的主要因素，也是不同产品之间考查比较的项目。因此在提出实验方案之前，有必要对目前纵差保护装置的主要性能指标作一小结。
动模实验的目的是为了让电力系统用户了解保护装置的主要指标，并在不同装置之间作出比较和选择。电力系统对保护装置主要要求集中于保护的可靠性、选择性、灵敏性和速动性四个指标上，实验方案考查对象也主要是这四个指标，其他性能指标如结构、电气性能、冲击、高低温、湿热、盐雾、电磁兼容等应由其他实验考查，不在本方案考虑之列。
对于微机纵差线路保护而言，主要性能指标的考察项目如下：
(1)选择性
主要通过各种线路纵差区内外故障来考查保护的选择性，在线路区内发生故障时应可靠动作，故障发生在区外时应可靠不动作。
(2)可靠性
微机纵差线路保护在系统异常情况下应能正确判别和动作，这些异常情况包括：系统振荡、非全相运行、线路充电、非正常频率下运行。
微机纵差线路保护在其他装置处在不正常工作状态时应正确动作，这些情况包括：TA饱和、TV闪络、开关跳闸失败或偷跳、通信故障。
另外保护装置一般有距离、零序等保护作为后备保护，故在考查装置整体性能的时候，后备保护的考核也应列入实验项目。
(3)灵敏性
保护的灵敏性主要反映在判断高阻接地故障的能力中，在区内故障经一定电阻接地时，保护应当可靠动作。由于制动电流随着负荷电流的增大而增大，因此保护在重负荷下的动作情况也应当考查。
(4)速动性
由于超高压线路在系统连接和功率传送中占重要地位，因此一旦发生故障，必须快速地切除，以免故障扩散和造成其他元件损坏。
4 实验设计方案
4．1 实验所用的电力系统模型
实验采用单机对无穷大系统双回线路模型和短线环网模型，实际实验过程证明这两种模型能够完成所有实验项目。
4．1．1 双回路系统模型
双回路系统结构如图1。
由于RTDS设备以Rack为单位，每个Rack的计算能力受其中的DSP数目的限制，图1所示的系统加上相应的TA、TV元件模型及模拟/数字输入/输出元件模型所需的计算量已经超过了单独一个Rack的能力。我们使用RTDS中的行波线路模型将整个系统分为两个子系统，分别运行于两个Rack中。
实际在PSCAD中的系统模型如图2、图3所示。
同样，我们将这个系统分为两个子系统，在PSCAD中建立的系统模型如下：
4．2 实验方案设计
4．2．1 选择性实验方案
对线路保护选择性的测试主要是考查保护在发生各种区内外故障和转换性故障时的动作行为，有如下实验项目：
(1)区内简单故障
在区内线路发生的金属性接地故障，包括故障点在线路始端、中间和未端处的单相、相间和三相接地故障，故障时间分瞬时性和永久性两种，考查保护对区内故障的动作行为。
(2)区外简单故障
在区外线路发生的金属性接地故障，包括母线和另一回线路上的单相、相间和三相接地故障，故障时间分瞬时性和永久性两种，考查保护对区外故障的动作行为。
(3)区内发展性故障
在区内线路的始端、中间和末端某处发生单相接地故障后10 ms、20 ms、50 ms、100 ms发展为相间或三相短路故障。
(4)区内外转换故障
故障类型有区内转区外同名相故障、区内转区外异名相故障、区外转区内同名相故障、区外转区内异名相故障，故障分别发生于区内外不同地点，故障转换时间分别为10 ms、20 ms、50 ms、100 ms、200 ms。
应当使用上文所述的两种系统模型分别实现上述的实验项目。
为更严格考察产品性能，在进行简单和转换性故障项目检测时，可以改变系统(由电流源模拟)的大小，以模拟强电源和弱电源两种情况，其故障角可以分别设定为0°、45°、90°。
以上实验项目均是电力线路发生故障的常见形式，因此对保护在这些故障下的动作行为的检验是十分必要的。
4．2．2 灵敏性实验方案
由于在高阻接地时的故障电流比金属性接地时大大减少，穿越的负荷电流相应增加，保护用以判别故障的差流也相应减少，保护装置在高阻接地时的行为能够反映其动作的灵敏程度。
具体实验方案为：在PSCAD中改变Fault模型参数中的Ron值为0～300Ω，在区内线路的始端、中间和末端以及区外线路上施加各种单相接地和相间故障。
由于目前并未有判别纵差保护装置的灵敏程度是否合格的统一标准，高阻接地实验结果一般用来在不同保护装置之间作对比。
应用上文所说明的两种系统模型分别进行实验。
4．2．3 可靠性实验方案
保护装置的可靠性是实际电力系统运行和实验方案考虑的重点内容。线路保护在异常情况下应能正确判别和动作，如前所述，这些异常情况包括：系统振荡、非全相运行、线路充电、非正常频率下运行、TA饱和、TV闪络、开关跳闸失败或偷跳、通信故障，具体实验项目如下：
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