基于RTDS的超高壓線(xiàn)路保護裝置的試驗研究

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

其他項目如：PT斷線(xiàn)、CT斷線(xiàn)及飽和、手合空載線(xiàn)及故障線(xiàn)路等也作了充分的測試。經(jīng)過(guò)上千次的試驗表明：DF3621高壓線(xiàn)路保護裝置各項指標均能滿(mǎn)足要求，性能穩定可靠，對于特殊工況下的故障反應也得到了比較滿(mǎn)意的結果。

2 高壓線(xiàn)路保護裝置的幾個(gè)難點(diǎn)^[3-6]
我國的微機保護產(chǎn)品從投入現場(chǎng)實(shí)際到現在已有十幾年的歷史了，在完成其之前集成保護所有功能的基礎上，就保護功能而言真正性能提高的幅度不大，也可以說(shuō)就保護原理而言未能充分發(fā)揮微機的優(yōu)勢。尤其是目前隨著(zhù)軟、硬技術(shù)的飛速發(fā)展，一些研究成熟的高級算法、智能化分析方法等完全可以引入的保護中。當然保護裝置的開(kāi)發(fā)以可靠為首，我們也正是本著(zhù)這一原則，就目前保護裝置解決不太理想的地方進(jìn)行了試驗性嘗試。也希望同時(shí)引起同行對此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)注。
2.1 狀態(tài)識別及自適應
嚴格的講狀態(tài)識別及自適應涉及很多方面，限于篇幅及本文的側重點(diǎn)，就幾個(gè)主要方面提出予以探討。目前國內的保護裝置，啟動(dòng)元件動(dòng)作后，后續的故障處理過(guò)程是按照啟動(dòng)時(shí)刻為基準展開(kāi)的，如突變量啟動(dòng)后相繼執行快速段、穩態(tài)階段、振蕩閉鎖階段、跳閘后階段以及非全相階段，其他的內容如PTDX、加速則包含于其中。應該說(shuō)此種方案是不合理的，我們所制定的保護處理方案是針對于保護裝置之外的一次、二次的狀態(tài)而言的，除了簡(jiǎn)單的單一性故障，程序處理和系統狀態(tài)相符合，大多數會(huì )導致不一致從而影響保護整體性能。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；距離保護為兼顧近端故障快速切除和末端暫態(tài)超越不超標一般采用快速段保護以啟動(dòng)時(shí)刻為基準階段放開(kāi)保護范圍的方法，此策略勢必導致的結果是暫態(tài)超越試驗動(dòng)作時(shí)間不會(huì )太快，另外對于小擾動(dòng)導致啟動(dòng)后一段時(shí)間發(fā)生的故障勢必可能出現暫態(tài)超越超標。
(2) 目前微機距離保護一般采用短時(shí)開(kāi)放，150ms后(以啟動(dòng)時(shí)刻為基準)后進(jìn)入振蕩閉鎖處理模塊，通過(guò)增加條件來(lái)開(kāi)放保護。應當說(shuō)此方案側重于可靠性考慮，對于我國的電網(wǎng)穩定等方面具有積極的實(shí)用意義。但僅通過(guò)突變量啟動(dòng)元件動(dòng)作后150ms來(lái)運行振蕩閉鎖程序，應當說(shuō)此元件過(guò)于靈敏，從而導致系統穩定情況下，小擾動(dòng)導致啟動(dòng)后，再發(fā)生故障導致保護延時(shí)動(dòng)作。
(3) 系統非全相運行期間，由于存在零序電流等特點(diǎn)，保護裝置自動(dòng)投入相應保護的同時(shí)，應退出某些會(huì )誤動(dòng)的保護元件，因此非全相狀態(tài)一旦漏判，勢必會(huì )影響保護裝置的整體性能。而目前有些保護裝置僅從本保護端三相斷路器是否閉合來(lái)斷定是否系統處于非全相狀態(tài)的做法是不準確的，會(huì )將導致單跳后優(yōu)先重合側保護裝置誤認為系統已恢復三相運行。
對于上述問(wèn)題的出現，其根本性原因在于保護裝置未能充分利用其強大的記憶及分析功能來(lái)準確的識別系統狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)識別結果來(lái)投入相應的處理模塊，此過(guò)程本身就體現了自適應思想。
新開(kāi)發(fā)的線(xiàn)路保護裝置DF3621改變了以前基于啟動(dòng)時(shí)刻調節保護范圍的做法，而采用元件所用電流、電壓量的波形(提出了波形系數的概念)來(lái)作為自適應選用數字濾波器、調節保護范圍、調節方向元件動(dòng)作范圍等各個(gè)環(huán)節的基準。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。采用自適應調節濾波器后，可以避免統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，自適應采用短數據窗保證計算量的真實(shí)性。這樣直接定位為體現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導致的信號畸變不會(huì )影響保護性能，同時(shí)也確保了任何故障情況下，保護在暫態(tài)超越指標范圍內快速切除故障的可能。
系統振蕩狀態(tài)的出現是有先兆和需要過(guò)程的，這為我們提供了振蕩狀態(tài)識別的可能，充分利用微機保護的強記憶功能，采用狀態(tài)預測算法，保證系統發(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后自認為系統已振蕩的做法，確保小擾動(dòng)啟動(dòng)后系統未振蕩情況下再故障時(shí)保護裝置的動(dòng)作性能，這樣從整體上提高了保護裝置的性能指標。而對于非全相狀態(tài)的識別，在監視跳開(kāi)相電量和開(kāi)關(guān)量的同時(shí)，應綜合利用本保護各元件曾經(jīng)的感受行為，以及系統零序電量的變化行為，來(lái)作出定位于一次系統的非全相狀態(tài)識別。
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)穩定等方面出發(fā)，基本要求是振蕩情況下保護不誤動(dòng)，其次是振蕩中又發(fā)生故障，保護能夠正確動(dòng)作。目前保護裝置基本上都能滿(mǎn)足第一個(gè)性能指標，而第二個(gè)指標一般是通過(guò)保護延時(shí)動(dòng)作，和降低性能指標等方式來(lái)實(shí)現的，即對于振蕩中故障能否正確選相、正確計算阻抗量、耐過(guò)渡電阻各方面不作太嚴格的要求。而作為保護科技工作人員當希望此工況下，保護性能指標不受影響，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(kāi)放條件滿(mǎn)足后通過(guò)序分量以及計算阻抗來(lái)實(shí)現，勢必導致某些故障情況下，僅當兩端電勢夾角擺到一定范圍內才能開(kāi)放，從而使保護延時(shí)動(dòng)作；甚至不能開(kāi)放，導致保護拒動(dòng)或無(wú)選擇性出口。新開(kāi)發(fā)的線(xiàn)路保護裝置DF3621中，專(zhuān)門(mén)針對系統振蕩狀態(tài)研制了一基于模型識別方法的新型選相元件，其基本原理為綜合利用保護安裝處的各序量關(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(lèi)型。由于此選相元件所需的開(kāi)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大大減少，提高了保護的選跳正確率和動(dòng)作時(shí)間。大量的RTDS動(dòng)模試驗已證明了此點(diǎn)。
2.3 轉換性故障
對于同一點(diǎn)不同故障類(lèi)型轉換的發(fā)展性故障，采用選相元件、阻抗元件并行實(shí)時(shí)運算，故障類(lèi)型變化后最先滿(mǎn)足入段的元件優(yōu)先固定的原則，可以滿(mǎn)足測試指標；對于二次故障，即兩次故障轉換間隔相對較長(cháng)，第一次故障已成功切除，此時(shí)按照狀態(tài)檢測調度再發(fā)生故障將由非全相故障處理模塊來(lái)切除，各項性能指標一般保護裝置都能滿(mǎn)足。難點(diǎn)在于正、反向復故障情況，即正向出口、反向出口故障點(diǎn)同時(shí)存在，如果為不同相，對于單通道高頻保護，遠端保護裝置只能無(wú)選擇三跳，而近端保護裝置則希望能夠正確選跳，就此特殊故障類(lèi)型，如果不作專(zhuān)門(mén)性處理，僅當在保護安裝處所感受的區內故障附加電源產(chǎn)生的故障電量遠大于區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)結構下保護性能的一致性。對此我們增加一靈敏度足夠高的復故障檢測元件，通過(guò)此元件來(lái)投入此工況下的專(zhuān)門(mén)選相元件，其綜合利用電流序分量選相結果和電壓序分量選相結果，以及保護測量元件的歷史和當前感受情況，統一分析后最終給出正確的選相結果。
2.4 高阻接地故障
接地保護的耐過(guò)渡電阻能力是距離保護元件的重要測試項目，而距離保護元件是越量型元件，有別于測量元件，在保護范圍之內，即使測量誤差很大，也能使保護元件正確動(dòng)作，由此可知耐過(guò)渡電阻的能力對于保護范圍的不同點(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范圍末端必將耐過(guò)渡電阻能力較弱。對此，我們采用了基于零序電流修正的測距算法來(lái)作為保護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范圍內的何處故障都具有較高的耐過(guò)渡電阻能力，提高了裝置的整體性能。

3 結論
經(jīng)過(guò)大量的RTDS試驗，表明新開(kāi)發(fā)的DF3621型線(xiàn)路保護裝置各項性能指標比較另人滿(mǎn)意，當然還需要長(cháng)期現場(chǎng)試運行的考驗。
RTDS數字動(dòng)模試驗系統在保護裝置開(kāi)發(fā)中具有非常重要的作用，對原先基于經(jīng)驗開(kāi)發(fā)裝置、模擬動(dòng)模試驗測試、長(cháng)期現場(chǎng)實(shí)際運行檢驗的裝置研發(fā)模式有所改變，充分利用RTDS試驗，作為保護裝置開(kāi)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裝置的整體性能。另外，我們在研發(fā)過(guò)程中感覺(jué)到：在完全理解目前保護裝置產(chǎn)品處理方案的基礎上，繼承優(yōu)點(diǎn)，就某些具有開(kāi)發(fā)時(shí)代局限，而不能很好的滿(mǎn)足現在實(shí)際現場(chǎng)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，以提高保護裝置的綜合性能指標；隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)需求的進(jìn)一步提高，以及保護本身原理研究的突破，保護裝置產(chǎn)品也應及時(shí)的升級換代或研制開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。