基于RTDS的超高压线路保护装置的试验研究与分析

其他项目如：PT断线、CT断线及饱和、手合空载线及故障线路等也作了充分的测试。经过上千次的试验表明：DF3621高压线路保护装置各项指标均能满足要求，性能稳定可靠，对于特殊工况下的故障反应也得到了比较满意的结果。

2 高压线路保护装置的几个难点^[3-6]
我国的微机保护产品从投入现场实际到现在已有十几年的历史了，在完成其之前集成保护所有功能的基础上，就保护功能而言真正性能提高的幅度不大，也可以说就保护原理而言未能充分发挥微机的优势。尤其是目前随着软、硬技术的飞速发展，一些研究成熟的高级算法、智能化分析方法等完全可以引入的保护中。当然保护装置的开发以可靠为首，我们也正是本着这一原则，就目前保护装置解决不太理想的地方进行了试验性尝试。也希望同时引起同行对此类问题的关注。
2.1 状态识别及自适应
严格的讲状态识别及自适应涉及很多方面，限于篇幅及本文的侧重点，就几个主要方面提出予以探讨。目前国内的保护装置，启动元件动作后，后续的故障处理过程是按照启动时刻为基准展开的，如突变量启动后相继执行快速段、稳态阶段、振荡闭锁阶段、跳闸后阶段以及非全相阶段，其他的内容如PTDX、加速则包含于其中。应该说此种方案是不合理的，我们所制定的保护处理方案是针对于保护装置之外的一次、二次的状态而言的，除了简单的单一性故障，程序处理和系统状态相符合，大多数会导致不一致从而影响保护整体性能。列举几例如下：
(1) 启动元件为保证各种可能故障下都能动作，整定的灵敏度非常高，所以启动元件动作往往并非是故障的真实发生时刻；距离保护为兼顾近端故障快速切除和末端暂态超越不超标一般采用快速段保护以启动时刻为基准阶段放开保护范围的方法，此策略势必导致的结果是暂态超越试验动作时间不会太快，另外对于小扰动导致启动后一段时间发生的故障势必可能出现暂态超越超标。
(2) 目前微机距离保护一般采用短时开放，150ms后(以启动时刻为基准)后进入振荡闭锁处理模块，通过增加条件来开放保护。应当说此方案侧重于可靠性考虑，对于我国的电网稳定等方面具有积极的实用意义。但仅通过突变量启动元件动作后150ms来运行振荡闭锁程序，应当说此元件过于灵敏，从而导致系统稳定情况下，小扰动导致启动后，再发生故障导致保护延时动作。
(3) 系统非全相运行期间，由于存在零序电流等特点，保护装置自动投入相应保护的同时，应退出某些会误动的保护元件，因此非全相状态一旦漏判，势必会影响保护装置的整体性能。而目前有些保护装置仅从本保护端三相断路器是否闭合来断定是否系统处于非全相状态的做法是不准确的，会将导致单跳后优先重合侧保护装置误认为系统已恢复三相运行。
对于上述问题的出现，其根本性原因在于保护装置未能充分利用其强大的记忆及分析功能来准确的识别系统状态，通过状态识别结果来投入相应的处理模块，此过程本身就体现了自适应思想。
新开发的线路保护装置DF3621改变了以前基于启动时刻调节保护范围的做法，而采用元件所用电流、电压量的波形(提出了波形系数的概念)来作为自适应选用数字滤波器、调节保护范围、调节方向元件动作范围等各个环节的基准。理论上分析可知：故障时刻的不同，故障暂态分量中非周期分量和各高次谐波分量是不同的。采用自适应调节滤波器后，可以避免统一采用差分傅氏算法在某些情况下放大谐波的可能。CT饱和后，自适应采用短数据窗保证计算量的真实性。这样直接定位为体现元件输入量可信度的处理方式，从根本上解决了不论是何种原因导致的信号畸变不会影响保护性能，同时也确保了任何故障情况下，保护在暂态超越指标范围内快速切除故障的可能。
系统振荡状态的出现是有先兆和需要过程的，这为我们提供了振荡状态识别的可能，充分利用微机保护的强记忆功能，采用状态预测算法，保证系统发生振荡之前，及时投入振荡闭锁处理模块，取消突变量启动150ms后自认为系统已振荡的做法，确保小扰动启动后系统未振荡情况下再故障时保护装置的动作性能，这样从整体上提高了保护装置的性能指标。而对于非全相状态的识别，在监视跳开相电量和开关量的同时，应综合利用本保护各元件曾经的感受行为，以及系统零序电量的变化行为，来作出定位于一次系统的非全相状态识别。
2.2 振荡中选相处理^[7]
振荡闭锁模块的处理方案，从确保电网稳定等方面出发，基本要求是振荡情况下保护不误动，其次是振荡中又发生故障，保护能够正确动作。目前保护装置基本上都能满足第一个性能指标，而第二个指标一般是通过保护延时动作，和降低性能指标等方式来实现的，即对于振荡中故障能否正确选相、正确计算阻抗量、耐过渡电阻各方面不作太严格的要求。而作为保护科技工作人员当希望此工况下，保护性能指标不受影响，此点也是进一步研究的重点。
目前振荡中选相元件仅在故障开放条件满足后通过序分量以及计算阻抗来实现，势必导致某些故障情况下，仅当两端电势夹角摆到一定范围内才能开放，从而使保护延时动作；甚至不能开放，导致保护拒动或无选择性出口。新开发的线路保护装置DF3621中，专门针对系统振荡状态研制了一基于模型识别方法的新型选相元件，其基本原理为综合利用保护安装处的各序量关系，以及推算得到的故障点处的各序量关系，最终给出正确的故障类型。由于此选相元件所需的开放条件比较灵敏，确保各种工况下都能选相，且振荡周期中不工作的盲区大大减少，提高了保护的选跳正确率和动作时间。大量的RTDS动模试验已证明了此点。
2.3 转换性故障
对于同一点不同故障类型转换的发展性故障，采用选相元件、阻抗元件并行实时运算，故障类型变化后最先满足入段的元件优先固定的原则，可以满足测试指标；对于二次故障，即两次故障转换间隔相对较长，第一次故障已成功切除，此时按照状态检测调度再发生故障将由非全相故障处理模块来切除，各项性能指标一般保护装置都能满足。难点在于正、反向复故障情况，即正向出口、反向出口故障点同时存在，如果为不同相，对于单通道高频保护，远端保护装置只能无选择三跳，而近端保护装置则希望能够正确选跳，就此特殊故障类型，如果不作专门性处理，仅当在保护安装处所感受的区内故障附加电源产生的故障电量远大于区外故障附加电源所产生的电量时，才能保证选相正确，从而不能确保各种电网结构下保护性能的一致性。对此我们增加一灵敏度足够高的复故障检测元件，通过此元件来投入此工况下的专门选相元件，其综合利用电流序分量选相结果和电压序分量选相结果，以及保护测量元件的历史和当前感受情况，统一分析后最终给出正确的选相结果。
2.4 高阻接地故障
接地保护的耐过渡电阻能力是距离保护元件的重要测试项目，而距离保护元件是越量型元件，有别于测量元件，在保护范围之内，即使测量误差很大，也能使保护元件正确动作，由此可知耐过渡电阻的能力对于保护范围的不同点，具有不同的性能。所有基于金属性故障推出的距离元件在保护范围末端必将耐过渡电阻能力较弱。对此，我们采用了基于零序电流修正的测距算法来作为保护范围末端高阻单相接地故障时的测量元件，从而保证了不论保护范围内的何处故障都具有较高的耐过渡电阻能力，提高了装置的整体性能。

3 结论
经过大量的RTDS试验，表明新开发的DF3621型线路保护装置各项性能指标比较另人满意，当然还需要长期现场试运行的考验。
RTDS数字动模试验系统在保护装置开发中具有非常重要的作用，对原先基于经验开发装置、模拟动模试验测试、长期现场实际运行检验的装置研发模式有所改变，充分利用RTDS试验，作为保护装置开发的重要手段，将在缩短研发周期的同时，会不同程度的提高保护装置的整体性能。另外，我们在研发过程中感觉到：在完全理解目前保护装置产品处理方案的基础上，继承优点，就某些具有开发时代局限，而不能很好的满足现在实际现场需求的处理方法，在充分测试的前提下可以采用新的研究成果，以提高保护装置的综合性能指标；随着技术的发展，用户需求的进一步提高，以及保护本身原理研究的突破，保护装置产品也应及时的升级换代或研制开发新产品。