基于RTDS的配电网单相接地选线方法验证
国电南瑞科技股份有限公司的研究人员张建伟、张然等，在2018年第10期《电气技术》杂志上撰文，针对配电网单相接地选线方法缺乏系统验证的现况，本文阐述了基于RTDS实时仿真平台的试验研究方法。在RTDS中依据配电网实际数据建立仿真模型，模拟典型的单相接地故障并将仿真系统的模拟信号输出，通过自动化装置构成系统性的闭环试验环境。
改进了群体比幅比相法的3C方案，对选线方案中故障分量较小的“时针效应”，改进了测量算法和判线逻辑两个方面，有效提高了小信号的测量精度和故障判断冗余性。实验对架空出线金属性单相接地、电缆出线经过渡电阻单相接地这两种故障进行了模拟试验。
测试结果表明，此试验方法切实可行，验证了选线方法的准确性和实用性。
配电网单相接地选线一直是影响我国配电网运行可靠性与经济性的实际问题，现行的选线方法实用性能有待提高。本文通过建立试验环境，对选线方法进行了全面客观的验证，为相关理论研究和性能提升提供了分析和支撑。
本文依据配电网中性点不接地系统实际数据搭建仿真模型，基于RTDS仿真环境模拟各类典型的接地故障，并测试分析改进后的选线方法，为选线方法的实际应用提供可靠性分析。
1 RTDS配电网模型设计
1.1 RTDS简介
RTDS的全称是实时数字仿真仪（real time digital simulator），是专门用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。RTDS由RSCAD程序、数据工作站、RACK接口等组成，可实时地模拟电力系统的电磁暂态和机电暂态现象。仿真步长通常为50～80s。因为RTDS可以连续运行，所以控制保护设备连接到RTDS进行闭环试验，就可以分析和研究控制保护设备的性能。
RTDS可应用于实时仿真大型交直流混合电力系统，因此得到广泛应用[1]。
1.2 配电网模型设计
配电网仿真试验模型设计为10kV电压等级，中性点不接地。为了保证试验的全面性和可信度，出线采用架空线路与电缆线路的混合类型[2]。
配电网模型结构如图1所示。
图1 配电网系统模型结构图
模型设计说明如下：
1）系统结构图采用单相线路代表三相线路，系统空载运行。
2）主变参数：110kV/10.5kV，40MVA。
3）出线结构：架空与电缆混合线路，其中4条架空线路（线路1、线路2、线路3、线路4），2条电缆线路（线路5、线路6）。
4）线路参数：依据实际配电网出线参数设置，具体参数见表1。
表1 线路详细参数
1.3 RTDS仿真验证系统结构
为验证配电网单相接地选线方法，需要进行针对性的配置RTDS仿真系统，该系统主要由4个部分构成：RACK、RTDS工作站、选线自动化装置、功率放大器。系统结构如图2所示。
RTDS工作站是通过运行RSCAD软件完成建模计算、系统控制、数据分析等专业领域的高性能计算机。RSCAD软件采用模块化设计，由图形用户界面、编译程序、元件模型库三部分组成。RTDS工作站建立的仿真配电网可视作实际一次配电系统。当仿真配电网运行进入稳态后，母线电压、线路电流可以反映实际电力系统运行的真实状况[3]。
图2 RTDS仿真系统结构图
仿真模型的RACK主要与工作站的数据交换通过局域网实现。仿真系统模拟量通过3PC卡中的DAC通道输出，每一块3PC卡有24个DAC通道。
RACK输出的交流模拟信号幅值范围仅为10～ +10V，因此需要配置功率放大器，使输出的交流模拟量趋近于电力系统的实际运行状态[4]。
选线自动化装置采用嵌入式硬件平台开发，集成接地选线算法，能够实时采集RTDS输出的模拟量并完成分析判断。当仿真系统模拟单相接地故障时，该装置可以依据选线算法进行故障判别，达到验证选线算法准确性、选线装置实用性的目标[5]。
2 中性点不接地系统选线方法改进
针对中性点不接地系统的选线方法，目前常见的有比幅法、比相法、群体比幅比相法、小波法等。从选线方法的准确性、实用性和应用范围等方向考虑，选择群体比幅比相法进行深入分析。因为该方法综合利用幅值和相位的故障特征，可以对所有出线的零序电流进行幅值和相位的比较，出现幅值最大且相位相反的，即为故障线路。但是，若故障电流较小，则采用此方法测量出的相位误差较大，装置也会出现误选的情况。
行业内有许多已实现的技术方案，包括3C、2C1V、2C、1C1V、1C等选线方案[6]。这类方案结合现场装置应用情况，特别是以零序电压作为参考时，要求电压互感器（PT）与电流互感器（CT）的同名端一致。
本文着重对3C方案进行分析，并且通过比较全部线路零序电流的最大值与电流零门槛设定值，有效提高对非单相接地故障造成母线零序电压抬高的识别功能，减少保护装置误动作[7]。改进后的选线方法流程如图3所示。
图3 选线流程图
1）通过信号处理方法和滤波技术，抑制外部干扰，提高信号测量精度，保证特征量提取精确度。
2）逻辑选线判断时，若相位结果不能满足严格的相位条件，就需要结合幅值进行综合判断，保证判断的冗余性和结果的准确性。
因此，改进上述问题可降低因故障分量较小而产生的“时针效应”对保护装置准确性的影响[8]。
3 RTDS实验数据及分析
3.1 架空出线金属性单相接地
选用模型中出线2进行实验，出线2的A相首端发生金属性单相接地故障，实验波形如图4所示，实验数据见表2。
表2 实验数据
根据实验数据做出各条线路零序电流的向量图如图5所示。
根据实验所得数据分析，针对架空出线金属性单相接地故障，故障线路2的零序电流测量值为6条线路中最大值，相位落在第一象限，明显与其他线路相反。同时，对最短的线路3和线路4的零序电流相位测量也非常精确，可以准确地实现选线[9]。
而表2中装置测量幅值与RTDS仿真值数据之间存在一定的误差，导致该误差的原因主要有以下两点：
1）RTDS系统的功率放大器的处理误差及测量误差；2）数据选取点不同，仿真值数据为一次值，装置采样输入为CT二次值，CT变比造成误差[10]。
图4 出线2金属性接地，各出线零序电流波形
图5 出线2金属性接地，各出线零序电流向量图
3.2 电缆出线经过渡电阻单相接地
选用模型中的出线5进行实验，出线5的A相末端经300过渡电阻接地，实验波形如图6所示，实验数据见表3。
图6 出线5经电阻接地，各出线零序电流波形
表3 实验数据
各条线路的零序电流向量图如图7所示。
图7 出线5经电阻接地，各出线零序电流向量图
通过表3的实验数据和图7的零序电流向量可以分析得出结论，对于电缆线路经电阻单相接地故障，采用改进后的选线原理，保护装置可以精确测量零序电流幅值和相位，从而更加准确地实现选线，实现优化选线算法的要求。
本文基于在RTDS仿真平台上搭建配电网模型与实际选线自动化装置构成仿真验证系统，从而针对不同类型的出线，模拟出不同类型的单相接地故障。试验结果表明，仿真验证系统能够真实地模拟配电网的各类单相接地故障，且改进后的选线方法测量精度更高，准确率得到有效提升，能够满足项目实际应用的要求。