配电线路单点断线故障模拟系统的仿真设计

由鹏琨

（东方电子股份有限公司，山东烟台264000）

0 引言

配电网架空绝缘导线的推广应用降低了架空线短路故障发生的概率，提升了线路的使用寿命，与此同时也导致了断线概率的增加。架空线发生断线故障给安全稳定供电造成较大危害，同时断线下垂易引发人畜触电事故，造成不良社会影响，线路断线已成为配电网的一个重要的故障类型[1-5]。

线路发生断线故障后，馈线终端装置能够准确、快速地完成断线故障识别及区间定位，才能确保供电公司快速、高效地解决断线故障。由于之前现场对断线故障关注度不高，并且线路断线故障特征不明显，目前缺乏行之有效的断线及坠地故障特征识别原理，随着供电部门对断线故障重视度的提高，各科研院所及继电保护设备制造商开始深入研究断线故障的识别[6-10]。

架空线断线故障类型是多样的，如断线后电源侧不接地且负荷侧不接地、断线后电源侧接地而负荷侧不接地、断线后电源侧不接地而负荷侧接地、断线后电源侧接地且负荷侧接地。各种断线故障工况的准确模拟，能够为馈线终端装置提供良好的调试环境，促进各种断线故障特征值的识别及提取。

文中设计了架空线单点断线故障模拟的控制逻辑，在电力系统仿真软件中进行了一次系统建模及二次控制逻辑搭建，并设计仿真算例对控制逻辑的正确性进行试验验证。

1 断线故障模拟系统

断线故障模拟装置串联接入输电线路中，模拟线路发生单相断线故障及断线后坠地故障。如图1所示，断线故障模拟装置由断线故障模拟单元和断线故障控制单元组成。以断线故障模拟单元（A相）为例，由断线开关（BrkDXA）、电源侧坠地开关（BrkGLA）、负荷侧坠地开关（BrkGRA）、电源侧坠地电阻（RgLA）、负荷侧坠地电阻（RgRA）组成。断线开关（BrkDXA）闭合即为线路非断线状态，负荷电流穿越BrkDXA开关；断开BrkDXA开关打开即为线路断线故障状态，负荷电流消失。分别投入BrkGLA或BrkGRA，模拟电源侧或负荷侧线路坠地故障，RgLA或RgRA用于线路坠地电阻值的模拟。

图1 断线故障模拟原理图

断线模拟控制单元通过模块化设计，能够便捷、高效地开展断线故障模拟工作。断线模拟控制单元由初始化配置、触发控制逻辑运算和触发控制字编码3个模块组成，通过发出一组触发控制字（CtrlWord_DX）驱动断线模拟单元中的开关，实现断线故障的全工况模拟。触发控制字由Bit0～Bit8共9个位组成，位与控制开关的对应关系如图1所示。

2 控制单元设计

配电网架空线路某一相发生断线故障后，体现形式包括：某一相架空线路发生物理性断开，随后断线线路的电源端和负荷端相继发生坠地或悬空状态。断线故障控制单元采用模块化设计思路，实现断线故障模拟的简化配置、顺序发生。断线故障模拟控制单元的系统结构图如图2所示，包括初始化配置模块、触发控制逻辑运算模块、触发控制字编码模块。

图2 断线故障控制系统结构图

初始化配置模块主要进行断线故障关键特征的配置及断线触发。断线故障的关键特征包括：断线故障类型、断线故障相、断线时间及断线坠地时间。断线故障类型和断线相的选择配置通过档位开关实现。触发控制逻辑运算模块依据初始化配置模块的配置输出，进行断线触发控制子元素的生成。断线触发控制字（CtrlWord_DX）由3个子元素组成：断线相控制字单元（Bits_DXPha）、电源侧坠地相控制字单元（Bits_SgPh）、负荷侧坠地相控制字单元（Bits_LgPh）。触发控制字编码模块接收触发控制逻辑运算模块输出的3个控制字单元，进行集成编码生成断线故障控制字（CtrlWord_DX）。图2所中各变量的含义见表1。

表1 变量释义

3 仿真算例

在电力系统仿真软件中搭建断线故障控制系统逻辑，分别设计2个典型仿真算例，观测关键变量进行逻辑功能验证。断线故障类型（Val_DXTyp）取值范围为1～4，分别对应“断线后双端不坠地”、“断线后电源侧坠地”、“断线后负荷侧坠地”及“断线后双端坠地”。断线相（Val_Pha）取值范围为1～3，分别对应“A相断线”、“B相断线”、“C相断线”。仿真算例1模拟A相断线且断线后电源侧线路坠地故障，图3（a）为对应的仿真录波图，表2为关键变量理论数值；仿真算例2模拟C相断线且断线后电源端和负荷端坠地故障，图3（b）为对应的仿真录波图，关键变量理论数值不再赘述。

表2 仿真算例关键变量数值

仿真算例1的断线故障模拟配置为“A相断线且断线后电源侧坠地故障”。分析图3（a）得知，初始化模块中的Val_DXTpy=2，Val_DXPha=1，符合断线故障模拟的理论值。断线故障触发前后，Bits_LgPh的数值为0且保持不变，断线故障触发后，Bits_DXPha数值由7跳变为6，Bits_SgPh数值相继由0跳变为1，CtrlWord_DX的Bit0～Bit8位与理论值相匹配，断线故障模拟成功。

图3 仿真算例录波图

仿真算例2的断线故障模拟配置为“C相断线且断线后电源侧、负荷侧坠地故障”。分析图3（b）得知，初始化模块中的Val_DXTpy=3，Val_DXPha=4，符合断线故障模拟的理论值。断线故障触发后，Bits_DXPha数值由7跳变为3，Bits_SgPha和Bits_LgPha数值相继由0跳变为4，CtrlWord_DX的Bit0～Bit8位与理论值相匹配，断线故障模拟成功。

4 结语

通过断线故障模拟装置的系统性设计，能够实现线路断线故障的全工况模拟，为继电保护装置开展断线故障识别提供调试环境。设计了分相断线故障模拟单元，并开发了断线模拟控制单元，通过简单配置断线故障类型及特征，即可实现断线故障的顺序模拟。通过仿真试验验证了设计方案是有效可行的，能够为继电保护装置的断线故障识别提供调试环境。