基于RTDS的超高压线路保护装置的试验研究

　

摘要：RTDS(Real Time Digital System)能够比较真实的反映实际电力系统的故障性征，且较模拟动模试验系统，有易于控制故障工况、故障可重现等优点，使其在高压线路保护装置的研制及开发过程中发挥着重要的作用。本文介绍高压线路保护装置动模测试的模型及要求的同时，着重分析了当前高压线路保护装置研究的几个难点，并就此给出了我们在研制新一代高压线路保护产品DF3621中的处理策略和方法。大量的RTDS试验表明：DF3621对于特殊工况、转换性故障等方面表现良好，装置整体性能可靠，能够满足高压线路对保护的要求。此装置还有待于现场试运行的进一步考验。
关键字：RTDS，高压线路保护，振荡闭锁

1 引言
电力系统数字仿真具有不受原型系统规模和结构复杂性的限制，能够保证被研究、试验系统的安全性和具有良好的经济性、方便性等许多优点，正被越来越多的电力科技工作者所关注，并且在电力系统规划和设计、装置的研究开发、运行人员培训等领域发挥着重要的作用[1]。众所周知，电力系统保护装置，尤其是高压/超高压电网的保护装置，需要足够的可靠性，并能适应于电力系统的各种工况，在任何故障类型下具有充分的灵敏度，来快速、准确的切除故障，以确保电网稳定、设备安全。但对于要求如此苛刻的装置，在现场中仅在很短的时间动作外，长期处于不动作状态，所以可供参考的实际故障经验非常少，至于实际电网试验机会则更少。从而导致了高压电网保护装置产品一直是一个高技术含量、高门槛的行业，其开发研究中，电力系统实际经验和动模试验具有重要的地位。相比于传统的动模试验，全数字RTDS动模系统，具有模型构建方便、系统模型多、同类故障工况可重复再现等诸多方面的优点，给保护装置的开发研究提供了极其有利的手段，也从而确保了由此开发出的装置性能更加可靠。
本文在介绍基于我公司RTDS动模系统测试新开发的超高压线路保护装置DF3621的基础上，详细的阐述了RTDS试验中几个特殊工况的测试情况，指出了当前超高压微机线路保护的几个研究难点，并给出了我们的处理方案和试验结果，以供同行参考。对特殊问题的研究尚需进行，开发研制的装置也需进一步现场试运行的考核。
2 RTDS动模试验系统
2.1 RTDS试验模型[2]
RTDS是由加拿大Maniloba直流研究中心（HVDC）开发的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统，该系统中的电力系统元件模型和仿真算法建立在已获得行业认可，且已广泛应用的EMTP和EMTDC基础上的，其仿真结果与现场实际系统的真实情况是一致的。该系统已在全球多个国家和地区推广使用，我国目前也有多个单位引进了规模不等的RTDS系统。
RTDS的基本组成部分为组（RACK），多个RACK之间通过总线相联，RACK的数量决定了可仿真系统的规模。将RTDS实时模拟电量和开关量输入被测试保护装置，再将装置的输出信号引入仿真系统的开关量板，即可实现保护装置的闭环实时仿真试验。
使用RTDS进行继电保护产品试验的关键在于试验模型系统的建立。参照电力科学院的试验模型系统，结合本装置的开发定位：应用于220KV及以上电压等级的单回线路，构建了以下几种线路模型。为更加接近现场实际，使测试结果具有说服力，所有线路模型均采用分布参数模型，电压等级为500kv。
.单电源空载长线模型(I)
无穷大电源带400km单回架空线路，无穷大电源短路容量为3000MVA。主要用于测试距离保护的暂态超越性能。
.双电源双回线长线模型(II)
仿真系统模型入图1所示。被测保护装置P1和P2分别安装在NL1线路的N侧和L侧，保护所需的线路电压信号由500kV/0.1kV的电容式电压互感器提供，保护所需的线路电流信号由1250A/1A的电流互感器提供。



N系统为一地区等值系统，短路容量分别为3000MVA，L厂装有等值容量为2100MW的发电机M1一台，变压器B1容量为2500MVA，所带负荷最大容量为1000MW，其中电动机负荷占65％，电阻负荷占35％。每条输电线路的两端都装有容量为150Mvar的并联电抗器。正常情况下潮流P=1000MW,Q=480Mvar。输电线路主要参数:z1=z2=0.0193 j* 0.2793 /km,z0=0.1788 j*0.8412 /km,c1=0.013uF/km, c0=0.0092uF/km.

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图1 双回长线路模型
Fig.1 Double Long Line Model

.短线环网模型(III)
短线环网系统模型如图2所示。线路主要参数与模型II中的线路参数相同。被测试保护装置分别安装在NL线路的L侧和N侧。



M厂、N厂及L系统经500kV短距离输电线路相互连接。M厂装有等值容量为1050MW的发电机M1一台，N厂装有等值容量为1050MW的发电机M2一台。N厂还接有负荷变压器FB，负荷变压器的容量为1200MVA，所带负荷最大容量为1000MW，其中电动机负荷占65％左右，电阻性负荷占35％左右。L系统为一地区等值系统，有大、小两种运行方式，其对应的短路容量为3000MVA及20000MVA。

图2 500kV短线环网输电模拟系统
Fig.2 500kV Short Line Ring-bus Model

超高压电网线路本身特点所决定的某些元件模型的构建应特别注意，尽量作到设计的与实际相符，其真实性将直接影响保护装置的性能指标。其中电容式电压互感器（CVT）的采用，导致了故障后获取的二次信号具有明显的暂态特性，其对于距离保护在暂态超越试验以及出口故障试验中有重要的考验；另外由于超高压电网的衰减时间常数较大，某些故障情况下非周期分量衰减缓慢，从而导致电流互感器（CT）出现饱和，此点对保护装置也是一个非常重要的考核内容，由此可知高压电网的特点对保护装置提出了更高的要求。对于不同的通道连接方式，我们利用SEL保护装置的“可编程逻辑功能”来模拟，得到了较好的试验效果。
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