基于邏輯配電終端的饋線自動化系統(tǒng)測試平臺

羅 偉，王海杰，項 瑛

(國網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心，浙江 杭州 310007)

0 引言

饋線自動化系統(tǒng)(feeden autonation，F(xiàn)A)作為配電網(wǎng)自動化的核心技術(shù)之一，具有故障診斷、定位、隔離、恢復(fù)非故障區(qū)域供電等功能。傳統(tǒng)的饋線自動化系統(tǒng)分為集中式和就地式2種。FA在應(yīng)用于實際配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)之前，需要在配電網(wǎng)上頻繁地進(jìn)行故障試驗以驗證其算法的正確性。由于在真實的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中進(jìn)行故障試驗較為困難，且不利于配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此需要建立一套完備的測試平臺，來驗證FA算法的正確性，確保其在真實配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中正常運(yùn)行。

國內(nèi)外就饋線自動化測試平臺進(jìn)行了相關(guān)的研究，文獻(xiàn)1研究并建立了饋線自動化仿真測試環(huán)境，該環(huán)境分別仿真了配電系統(tǒng)和饋線終端單元通信，能夠在不同故障下驗證饋線自動化動作邏輯的正確性。文獻(xiàn)2建立了具有智能分布式饋線自動化功能的實時數(shù)字仿真儀(real time digital simulator，RTDS)。該系統(tǒng)能夠驗證和檢測配網(wǎng)架空線的饋線自動化系統(tǒng)在處理不同類型故障時的邏輯功能。饋線自動化測試平臺中，配電終端是不可或缺的組成部分。系統(tǒng)需要利用它獲取配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的電壓電流信息以及配電網(wǎng)的故障信息。

目前，饋線自動化系統(tǒng)測試平臺中常用的配電終端多為硬件。文獻(xiàn)3設(shè)計了一款遠(yuǎn)程饋線智能終端單元(FTU)，該單元可以選擇不同的運(yùn)行模式，簡單可靠。文獻(xiàn)4介紹了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端單元(DTU)，該單元具有實時性好、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)5介紹了一款基于數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)的配電變壓器遠(yuǎn)方終端單元(TTU)。這些終端單元均需要安裝在配電網(wǎng)的柱上開關(guān)或者環(huán)網(wǎng)柜中，在安裝、管理和維護(hù)上不夠方便，且價格成本較高。因此，建立一套方便、安全以及功能完善的測試平臺具有重要的意義。

利用RTDS仿真環(huán)境建立并運(yùn)行配電網(wǎng)模型。同時設(shè)計出一款邏輯配電終端，該終端能夠模擬多個配電終端，并能與真實的配電終端協(xié)同使用。研究并分析測試平臺的整體結(jié)構(gòu)，將RTDS模擬的配網(wǎng)模型、配電終端與主站系統(tǒng)共同構(gòu)成完整的測試平臺。通過在測試平臺中運(yùn)行饋線自動化系統(tǒng)，并在RTDS中模擬配電網(wǎng)的各種故障。研究平臺配電終端、主站及各模塊通信的運(yùn)行性能，并通過仿真結(jié)果驗證饋線自動化系統(tǒng)的檢測、定位、隔離故障以及恢復(fù)供電的實現(xiàn)功能。

1 測試平臺的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試平臺的整體方案設(shè)計如圖1所示，利用RTDS模擬并運(yùn)行配電網(wǎng)模型，配電終端采集配網(wǎng)模型各開關(guān)處的信息參數(shù)，并利用以太網(wǎng)將采集到的信息上送給主站系統(tǒng)，形成一條完整的鏈路，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)整體運(yùn)行情況的監(jiān)控。主站根據(jù)需求在鏈路中通過配電終端，反向?qū)TDS配電網(wǎng)模型上的開關(guān)狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行改變與控制。RTDS仿真環(huán)境、配電終端、配電自動化主站系統(tǒng)共同構(gòu)成了一個完備的閉環(huán)測試平臺。

圖1 測試平臺的整體方案設(shè)計

1.1 RTDS仿真環(huán)境

RTDS是實時的、數(shù)字的仿真系統(tǒng)，它能夠滿足智能配電網(wǎng)對系統(tǒng)的仿真需求。作為真實配電網(wǎng)的替代者，擁有豐富的電路器件模型，能夠?qū)崿F(xiàn)如下幾個功能：

(1) 實現(xiàn)網(wǎng)架模擬，模擬真實的配電網(wǎng)，包括架空線路和電纜線路的接線方式；

(2) 模擬真實配電網(wǎng)進(jìn)行仿真運(yùn)行；

(3) 實現(xiàn)開關(guān)的模擬，模擬開關(guān)的分合、故障、跳閘；

(4) 模擬配電網(wǎng)的各種故障，包括相間短路、金屬接地、高阻接地等故障；

(5) 滿足配網(wǎng)自動化整體測試的要求。

1.2 配電終端

測試平臺中主站采集的配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)和開關(guān)設(shè)備狀態(tài)均來自于配電終端。當(dāng)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)采用分布式FA方案時，配電終端除了實現(xiàn)采集功能外，還需實現(xiàn)對配電網(wǎng)故障檢測、故障定位、故障隔離、恢復(fù)故障區(qū)域等功能。該系統(tǒng)的配電終端由真實配電終端和邏輯配電終端共同構(gòu)成。

1.3 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)是實現(xiàn)測試平臺的關(guān)鍵點(diǎn)。它能夠通過接口接收配電終端采集到的配電網(wǎng)開關(guān)處的遙測、遙信信息，并且向配電網(wǎng)下發(fā)遙調(diào)與遙控指令。當(dāng)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)采用集中式FA方案時，主站依據(jù)配電終端上傳的故障信息，實現(xiàn)定位故障、隔離故障和恢復(fù)故障區(qū)域等功能。

2 邏輯配電終端

作為綜合型自動監(jiān)控裝置，配電終端將測量、保護(hù)、監(jiān)控等功能融為一體。為了配合饋線自動化系統(tǒng)的功能測試，需要大量的配網(wǎng)終端接入，而實際在實驗室內(nèi)很難放置安裝大量的終端設(shè)備。因此，提出了一種適用于配網(wǎng)自動化的邏輯配電終端構(gòu)建方法，模擬出大量的智能配電網(wǎng)仿真終端，即邏輯配電終端同真實終端一起，完成數(shù)據(jù)的通信、饋線自動化及其他配網(wǎng)自動化功能測試。

該方法通過智能測試操作臺上安裝的工控機(jī)，來實現(xiàn)對系統(tǒng)中任意的FTU/DTU進(jìn)行邏輯模擬。工控機(jī)可以模擬出配電網(wǎng)模型中任意開關(guān)處的FTU/DTU設(shè)備。邏輯FTU/DTU主要由4個模塊組成，各個模塊之間通過轉(zhuǎn)發(fā)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，如圖2所示。

(1) 子站處理模塊。該模塊實現(xiàn)了RTDS端的接口注冊、接收命令數(shù)據(jù)、處理命令數(shù)據(jù)、采集端RTDS鏈接的超時處理等功能。

(2) 虛擬終端模塊。該模塊實現(xiàn)RTDS模擬配電網(wǎng)中數(shù)據(jù)的整合及分發(fā)，構(gòu)建邏輯FTU/DTU數(shù)據(jù)單元，并對數(shù)據(jù)刷新進(jìn)行同步。實現(xiàn)的功能：接收請求，構(gòu)建虛擬終端，建立對應(yīng)的鏈接；鏈接的超時處理、接收數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等。

(3) 主站處理模塊。該模塊用于實現(xiàn)接收用戶的請求、與主站建立對應(yīng)的鏈接、鏈接的超時處理、接收主站數(shù)據(jù)、將邏輯FTU/DTU數(shù)據(jù)單元中的信息轉(zhuǎn)發(fā)至主站等功能。

(4) 日志管理模塊。該模塊記錄軟件在運(yùn)行過程中的行為和異常情況。

邏輯配電終端內(nèi)部與各模塊之間的通信如圖3所示。

3 測試平臺通信設(shè)計

根據(jù)測試平臺的總體設(shè)計可知，通信部分是保障RTDS、配電終端(邏輯配電終端與真實配電終端)以及配電自動化主站之間信息交互的關(guān)鍵，通信設(shè)計分為如下3個部分。

(1) RTDS與配電終端之間的通信設(shè)計。真實的配電終端通過電流放大器、功率放大器、電壓放大器與RTDS上的GTIO板卡的電流、電壓、功率輸出接口相連，實現(xiàn)真實配電終端與RTDS的“四遙”通信，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 配電終端結(jié)構(gòu)

圖3 邏輯配電終端內(nèi)部與各模塊之間的通信

圖4 RTDS與配電終端之間的通信結(jié)構(gòu)

邏輯配電終端則利用以太網(wǎng)與RTDS的GTNETx2板卡接口相連接，同時運(yùn)用RTDS軟件中的104模塊和IEC 60870-5-104協(xié)議(以下簡稱104協(xié)議)實現(xiàn)相互之間“四遙”信號的傳輸。

(2) 配電終端與配電自動化主站之間的通信設(shè)計。配電自動化終端與配電自動化主站之間采用以太網(wǎng)連接，并通過104協(xié)議進(jìn)行“四遙”通信。

配電終端通過RTDS上的板卡采集配電網(wǎng)模型各開關(guān)處的相關(guān)遙測、遙信信息，并將相關(guān)信息傳輸至主站。

配網(wǎng)自動化處于遠(yuǎn)方控制時，主站根據(jù)需求，下發(fā)遙調(diào)或遙控信號給配電終端，配電終端再下發(fā)至配電網(wǎng)模型的相應(yīng)開關(guān)處；當(dāng)處于就地控制時，配電終端直接根據(jù)需要向配電網(wǎng)模型下發(fā)遙控、遙調(diào)信號。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(3) 邏輯配電終端與真實配電終端之間的通信設(shè)計。邏輯配電終端與真實配電終端之間利用以太網(wǎng)相連，并采用104協(xié)議進(jìn)行相互之間的遙信與遙測信息的傳輸，能有效配合智能分布式饋線自動化的實現(xiàn)。

4 饋線自動化仿真測試

4.1 仿真案例

配電網(wǎng)采用圖6所示的帶互聯(lián)的單環(huán)網(wǎng)接線，S1，S2，S3為3個電源，A，B，C 3個開關(guān)為出口斷路器開關(guān)，負(fù)荷開關(guān)負(fù)5、負(fù)8為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常運(yùn)行時處于分閘狀態(tài)。該拓?fù)鋱D可以模擬電纜環(huán)網(wǎng)、多電源恢復(fù)等故障現(xiàn)象，測試多種故障處理功能。

圖5 配電終端與配電自動化主站之間的通信結(jié)構(gòu)

在該測試平臺中，利用RTDS建立拓?fù)鋱D的配電網(wǎng)仿真模型，采用真實的配電終端采集出口斷路器開關(guān)A、1號環(huán)網(wǎng)柜、2號環(huán)網(wǎng)柜、3號環(huán)網(wǎng)柜和4號環(huán)網(wǎng)柜等開關(guān)處的量；邏輯配電終端采集出口斷路器B、出口斷路器C、5號環(huán)網(wǎng)柜和6號環(huán)網(wǎng)柜等開關(guān)處的量。

對模型進(jìn)行正常狀態(tài)下的仿真運(yùn)行，并通過在模型上模擬短路故障，觀察相應(yīng)開關(guān)的動作，驗證本測試平臺的性能。針對圖6中的配電網(wǎng)接線，模擬了以下4種故障。

(1) 模擬3號環(huán)網(wǎng)柜與4號環(huán)網(wǎng)柜之間(即負(fù)9—負(fù)11)的電纜永久性過流故障。

(2) 模擬6號環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部的用戶側(cè)永久性過流故障。

(3) 模擬出口斷路器A與1號環(huán)網(wǎng)柜母線(A—負(fù)1之間)永久過流故障，且設(shè)置S3端負(fù)荷小，S2端負(fù)荷大。

(4) 模擬出口斷路器A與1號環(huán)網(wǎng)柜母線(即A—負(fù)1之間)永久過流故障，且設(shè)置S3端負(fù)荷大，S2端負(fù)荷小。

對以上故障位置，若配電網(wǎng)線路上開關(guān)(包括出口斷路器)沒有配置重合閘功能，則只模擬永久故障。若變電站出線開關(guān)配置了重合閘功能，則分別模擬瞬時性故障和永久性故障，用于測試重合閘功能。

除此之外，還模擬了導(dǎo)致啟動變電站出線總后備保護(hù)的異常現(xiàn)象：傳輸信號失真，包括故障信號誤報、漏報；負(fù)荷開關(guān)拒動、誤動；后備電源故障；通信異常、通信故障等。

4.2 仿真結(jié)果

利用RTDS上的各模塊，模擬圖6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)模型，該模型包括電源、變壓器、母線、開關(guān)、負(fù)荷及線路等設(shè)備。

在仿真測試過程中，對每個故障點(diǎn)進(jìn)行了2次正常狀態(tài)、8次永久性故障實驗、6次瞬時性故障實驗。對6個故障點(diǎn)共計試驗64次，主要測試邏輯配電終端性能、分布式FA策略性能、主站設(shè)備的性能。

圖6 配電網(wǎng)接線

(1) 邏輯配電終端性能。邏輯配電終端能夠?qū)崟r獲取RTDS遙測信息(包括電壓、電流、功率等量)、遙信信息(開關(guān)狀態(tài))，并向RTDS下發(fā)遙控指令(控制開關(guān)狀態(tài))、遙調(diào)指令(設(shè)置配電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)值)。能夠模擬多個真實配電終端，采集的測點(diǎn)數(shù)超過RTDS最大傳輸限制，邏輯配電終端能夠運(yùn)行各種FA策略。

(2) 分布式FA策略性能。

故障定位：當(dāng)配電終端采集到一條過流故障信號時，在20 ms內(nèi)繼續(xù)收集相鄰開關(guān)的故障信息，然后判斷出出現(xiàn)故障的區(qū)域。

故障隔離：根據(jù)定位的故障區(qū)域，控制相應(yīng)開關(guān)做出跳閘動作。若在過流信號發(fā)生后的300 ms內(nèi)仍未被處理，則變電站出口斷路器后備保護(hù)跳閘。

故障恢復(fù)：對于分布式FA，不需要主站參與故障恢復(fù)；對于雙電源配電網(wǎng)，當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)出現(xiàn)一側(cè)失壓，且故障不在以聯(lián)絡(luò)開關(guān)為端點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，同時接收到出現(xiàn)過流故障區(qū)域開關(guān)發(fā)送來的“跳閘成功”信號，則配電終端對聯(lián)絡(luò)開關(guān)發(fā)出“控合”指令；對于多電源的配電網(wǎng)，當(dāng)一側(cè)出現(xiàn)過流故障時，對多個聯(lián)絡(luò)開關(guān)，除采用上述邏輯外，還需考慮剩余各端的負(fù)荷大小，將負(fù)荷較小的那一側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)“控合”。

(3) 主站設(shè)備性能。主站能夠?qū)崟r接收到配電終端上傳的遙測值和遙信值。當(dāng)系統(tǒng)采用集中式數(shù)模轉(zhuǎn)換(digital to analog，DA)時，主站能夠根據(jù)配電網(wǎng)上的開關(guān)狀態(tài)、負(fù)荷、過流信號等信息，向配電終端下發(fā)相應(yīng)的指令，達(dá)到系統(tǒng)實現(xiàn)自愈的目的。

5 結(jié)束語

提出了一種基于邏輯配電終端的饋線自動化系統(tǒng)測試平臺，該平臺采用RTDS來建立配電網(wǎng)模型，相對于其他平臺，RTDS的模塊更齊全且能實現(xiàn)配電網(wǎng)的運(yùn)行和模擬故障，真實高效。此平臺采用的邏輯配電終端，能夠模擬多臺真實的配電終端，并且能與真實終端協(xié)同使用，同時邏輯配電終端與RTDS和真實配電終端之間的通信采用104協(xié)議，實時方便。

通過仿真測試可以發(fā)現(xiàn)，此平臺通過對配電網(wǎng)各端點(diǎn)處進(jìn)行過流故障模擬，能夠有效檢測配電終端、饋線自動化系統(tǒng)方案、主站設(shè)備的性能。

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