配電網饋線故障仿真系統的研究和實現

李俊達

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211100)

配電網饋線故障仿真系統的研究和實現

李俊達

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211100)

為了保證配網自動化系統上線運行后能夠正確可靠地進行故障處理，需要對配網自動化系統的饋線自動化功能進行測試。傳統的饋線自動化功能的測試存在較多的問題和不足，此次研究的目的是提供一種純軟件的配網故障仿真系統，作為對配網自動化系統饋線自動化這一功能的測試系統。

配電網；饋線自動化；故障仿真

0 引言

在現代電力系統中,大型的發電廠往往遠離負荷中心,發電廠發出的電能,一般要通過高壓或超高壓輸電網絡送到負荷中心,然后在負荷中心由電壓等級較低的網絡把電能分配到不同電壓等級的用戶。這種在電力網中主要起分配電能作用的網絡就稱為配電網。它由架空線路、電纜配電線路、配電所、柱上降壓變壓器和直接接入用戶的設備所構成。

配電自動化系統(DAS)是一種可以使供電企業在遠方以實時方式監控、協調和操作配電設備的自動化系統，本文簡稱為配網主站[1]。

按照國際電氣電子工程師學會(IEEE)對配電自動化的定義，饋線自動化系統是對配電線路上的設備進行遠方實時監控、協調及控制的一個集成系統。在正常情況下，遠方實時監控饋線開關的狀態和饋線電流電壓情況，實現線路開關的遠方合閘和分閘操作。在負荷不均勻時，通過負荷均衡化達到優化運行方式的目的；在故障時獲取故障記錄，并自動判別和隔離饋線故障區段以及恢復對非故障區域供電[2]。

目前饋線自動化包括2類：一種是采用配電自動化開關設備相互配合的饋線自動化；另一種是基于計算機、通信網絡和饋線終端設備(FTU)饋線自動化。本文研究的是第2種饋線自動化的故障數據仿真技術。傳統的饋線自動化功能的測試主要有實驗室實時仿真測試和現場測試，需要使用測試儀、模擬斷路器等多種設備。以上方法測試成本高，測試周期長，只能進行很有限的故障測試[3]。為了解決以上的問題，本研究提供了一種純軟件實現的配網故障仿真系統。

1 仿真系統介紹

配網自動化系統在二、三十年來的研究和應用中，逐步形成了如圖1所示的功能分層圖，主要包括3層：終端層，子站層，主站層。

圖1 仿真層次

終端主要負責對配電網的一次設備三遙(遙測、遙信、遙控)。子站作為域內的各饋線終端設備(FTU)與主站的通訊網關，負責區域內FTU信息的匯總和控制。主站處于最上層，獲得子站和終端的三遙信號，負責對數據進行分析和處理，對整個配電網進行監視和控制。

本仿真系統主要模擬其中的子站層和終端層。本仿真系統根據配電電網運行現狀，模擬真實配電網拓撲環境，對配電網中任意線路設定故障，仿真模塊會設定故障開關的狀態及電流、電壓、有功等時序信息并將數據發送給終端模擬器，終端模擬器通過標準通信規約發送給配網自動化系統。配網自動化系統接收到信息后，饋線自動化功能開始處理故障。

仿真系統的模塊劃分

配電網饋線故障仿真系統由繪圖工具、故障仿真模塊、終端模擬器、配置數據庫、實時數據庫構成，如圖2所示。

圖2 仿真系統模塊劃分

繪圖工具軟件用于繪制配電網各個開關的電氣連接關系，并且關聯開關所屬終端量測信息，將繪制好的圖形和參數保存到配置數據庫，保存的圖形可以直接導出為公共信息模型文件(CIM)和可伸縮矢量圖形(SVG) ，對于支持圖模導入的配網自動化系統可以直接進行導入而無需再次繪制。

配置數據庫使用關系型數據庫進行數據存儲，為了適應配電網的一體化建模，數據庫采用面向對象建模，提供統一的設備創建接口，靈活構建各種應用系統數據對象。創建的數據模型具有動態特性，具備基本的數據交互能力，簡化了仿真系統的開發。

故障仿真模塊啟動時從數據庫讀取繪制好的圖形信息和配置參數信息并生成實時數據庫，進行電網故障位置和各個故障開關電流時序配置。開始仿真后自動進行故障模擬，把故障信息寫入實時數據庫。

終端模擬用于模擬真實配電終端，具備配電終端基本功能。可配置模擬遙測的初始值和變化步長，遙測，遙信變化時間。支持查看通道報文，查看遙信、遙測、遙控數據。支持模擬多個遙測、遙信、遙控和電度量。支持單點遙控和雙點遙控，支持IEC104、IEC101等通訊規約。終端模擬軟件通過注冊實時數據庫的變化通知方式接收故障仿真模塊中開關量測信息，將信息進行處理并且使用標準規約將數據發送到配網自動化系統。接收下發的隔離和恢復遙控命令，將命令發送給故障仿真模塊。

3 仿真系統的關鍵軟件設計

由于繪圖工具、配置數據庫、實時數據庫屬于較通用功能，本文不詳細描述。本文只描述終端模擬器和故障仿真模塊的設計。

3.1 終端模擬器軟件設計

終端模擬器負責仿真數據的發送，是仿真軟件的主要模塊之一。終端模擬器的操作流程如圖3所示。

圖3 終端模擬器活動

終端模擬器啟動后首先從數據庫讀取多個終端的配置，包括終端的地址，端口，所用規約，遙信、遙測、遙控的容量等信息。每個終端對應1個通訊通道，每個通道可配置1種通訊規約。啟動后每個終端可以接受配網自動化系統的連接并發送實時數據，接受遙控命令并根據遙控的開關更新開關的狀態信息。

終端模擬器采用面向對象設計，依賴通訊通道類和配置讀寫類，其類圖如圖4所示。

由于模擬終端設計支持多種通訊規約，而這些規約都有共同的特性，本設計采用通用的規約類作為父類，負責實現所有規約所需的實時數據的讀寫等通用功能，所有的具體規約都繼承自該父類，便于模塊的維護和擴展。

3.2 故障仿真模塊設計

故障仿真模塊負責故障信息的產生和更新，也是故障仿真系統的關鍵模塊，其工作流程如圖5所示。

圖5 故障仿真模塊活動

啟動時需要根據繪圖工具配置的配電網拓撲信息和終端信息顯示初始化狀態的配電網，用戶在預配置的故障點選擇啟動故障后，順序寫入該故障發生后的開關信息、保護動作和警告信息到實時庫。模擬終端實時接收到該信息后發送給配網自動化系統。其饋線故障處理程序運行后會進行開關的遙控操作，模擬終端會接收到該信息并接受遙控操作。故障仿真模塊根據遙控結果設置該開關的量測信息仿真相應的電流、電壓、開關狀態。

4 系統驗證和測試

根據Q/GDW 513—2010《配電自動化系統主站功能規范》，本仿真系統主要對以下幾種典型的饋線故障進行了模擬。

4.1 簡單架空線故障仿真

簡單的帶分支的饋線，如圖6所示，在本場景下配置4個模擬終端，分別用于發送S1出口開關，B，C，N開關的量測信息。

圖6 簡單架空線路故障仿真場景

重合閘故障仿真：啟動仿真后，終端發送S1斷路器開關分、過流保護動作信號，B斷路器過流報警信號，隨后發送S1斷路器開關合信號。配網主站收集一系列信號后應判斷為重合閘故障。

饋線支路故障仿真：啟動仿真后，終端發送S1斷路器開關分、過流保護動作信號，B、N斷路器過流報警信號。配網主站應判斷為在FTU2處發生支路故障，并發遙控命令斷開N開關，合S1開關。仿真系統接收到遙控命令后發送相應開關的分合狀態和量測信息。

開關拒動仿真：開關拒動仿真時需要設置隔離遙控分的開關，允許遙控但狀態閉鎖，即使遙控成功了也不發送開關的分位信息，當主站遙控操作時會發生遙控超時。以圖6為例，在FTU2位置處仿真故障，開關N拒動，主站擴大范圍隔離，遙控開關B，C分，切除故障區域。

故障信息漏報仿真：故障信息的漏報將導致饋線故障處理的誤判，仿真時需要設置某開關的過流信號閉鎖，不發送到主站。本測試案例中在FTU2位置處仿真故障，閉鎖發送N開關的過流報警信號，則主站系統判斷為FTU1處支路故障，遙控分B，C開關，仿真系統接收到遙控命令后發送相應開關的分合狀態和量測信息。

4.2 電纜線路多重故障仿真

對于較復雜的手拉手環網線路，在本場景下模擬4個FTU，2個DTU，分別發送3個出口斷路器的信息和2個環網柜的開關信息。在此場景下可進行多重故障的仿真。

圖7 電纜線路故障仿真場景

模擬F3，F4，F5三處的饋線故障，發送S2，S3，S4開關的跳閘信號以及到故障點沿路開關的過流告警信號，配網主站收集一系列信號后應判斷到多處故障，并遙控分E，I，O開關，故障切除后合S2，S3和S4開關，恢復非故障區域的供電。

5 結束語

在配網主站系統測試中需要對其饋線自動化功能進行測試，本系統能通過IEC104、IEC101等通信規約和主站進行通信，將人工設定故障生成開關分合信息和保護動作告警信息發送到主站。對主站的饋線自動化測試提供可靠的測試數據，保證了主站系統上線運行饋線自動化功能的可靠性和穩定性。

[1]于力.基于RTDS的有源配電網暫態實時仿真與分析[J].電力系統及其自動化學報，2015，27(4)：18-24.

[2]姜映輝.基于PSCAD的架空饋線自動化系統仿真分析平臺研究[D].淄博：山東理工大學,2014.

[3]許琪.基于配電網的饋線自動化算法及仿真研究[D].江蘇：江蘇科技大學,2012.

TM 76

A

1674-1951(2017)12-0024-03

2017-07-10；

2017-08-14

(本文責編：齊琳)

李俊達(1984—)，男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統通訊、調度及配網自動化系統研發方面的工作(E-mail:ljdsmail@sina.com)。