10 kV配電網(wǎng)自動化仿真模擬系統(tǒng)的設計

高汝武，游志成

(1.福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，武漢 430074)

10 kV配電網(wǎng)自動化仿真模擬系統(tǒng)的設計

高汝武1*，游志成2

(1.福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，武漢 430074)

隨著供電要求的不斷提高，城市供電中配電網(wǎng)的自動化水平得以迅速提升，為加強對配電網(wǎng)運行現(xiàn)象的研究和提高運行管理水平，極為需要建立一套配電網(wǎng)自動化仿真模擬系統(tǒng)。采用先進的計算機技術、通信技術和物理模擬手段實現(xiàn)10kV配電網(wǎng)自動化的仿真模擬，可以有效地對配電網(wǎng)工作狀況進行模擬和研究，同時實現(xiàn)對配網(wǎng)工作人員的業(yè)務培訓。

配電網(wǎng)；仿真系統(tǒng)；培訓；檢測控制

配電網(wǎng)連接輸電網(wǎng)與電力用戶，起著接收并分配電能的作用[1]。世界發(fā)達國家配電網(wǎng)自動化發(fā)展較快，大部分發(fā)達國家和地區(qū)的配電網(wǎng)負荷已進入平穩(wěn)發(fā)展期，例如法國、德國、美國和日本的配電自動化覆蓋率達到90%～100%。法國在20世紀末實現(xiàn)了配電網(wǎng)絡的自動化全覆蓋，大部分使用饋線自動化模式，通過GPRS短信實現(xiàn)配電網(wǎng)遙控操作[2]。配電網(wǎng)自動化建設也是我國智能電網(wǎng)建設的主要組成部分和重要基礎[3]。我國配電網(wǎng)自動化建設發(fā)展速度很快，所有大中城市和經(jīng)濟比較發(fā)達的中小城市都進行了配電網(wǎng)的改造，并實現(xiàn)了配網(wǎng)系統(tǒng)的自動化。但是部分城市配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、實用性有待進一步的考驗，其中實用性不夠高的原因之一是現(xiàn)場運行維護人員對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的安裝、調(diào)試過程的參與少，又沒得到較好的培訓，對系統(tǒng)進行操作和運行維護時可能出現(xiàn)的問題無法預期[4-5]?，F(xiàn)在配網(wǎng)系統(tǒng)大部分是由廠家或安裝單位進行安裝調(diào)試，調(diào)試并投入運行后的實際系統(tǒng)不能進行較自由的模擬操作，對崗位人員的培訓不夠直觀，因此建立功能完整的配網(wǎng)自動化模擬與培訓系統(tǒng)極為必要。本文采用計算機仿真控制技術、通信技術、實物模擬和大屏幕顯示實現(xiàn)配網(wǎng)自動化模擬，設計模擬系統(tǒng)的主站系統(tǒng)，開關、終端、通訊模擬和培訓系統(tǒng)，構建了一套先進、完整、實用的配電網(wǎng)自動化仿真模擬實驗與培訓系統(tǒng)。

1 配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)的原理

配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)的硬件結構主要由主系統(tǒng)、網(wǎng)監(jiān)控終端設備和配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)等3個部分組成。整個模擬系統(tǒng)的各個層次協(xié)同工作，共同組成配電模擬系統(tǒng)(見圖1)。在硬件配置的要求上，主要有：1)應最大限度地仿真機運行實時性；2)要實現(xiàn)一個系統(tǒng)資源多種模擬的要求；3)硬件設備要有高度的可靠性和良好的可維護性。

圖1 配電網(wǎng)仿真模擬系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 主站系統(tǒng)方案設計

作為模擬系統(tǒng)最高層的主站系統(tǒng)是整個配電網(wǎng)模擬培訓系統(tǒng)的核心，是數(shù)據(jù)采集中心和處理中心，設計方案采用集中控制模式。其主要功能有：1)實現(xiàn)配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和整理；2)進行配電網(wǎng)控制與檢測部分的模擬；3)協(xié)調(diào)配電網(wǎng)各級系統(tǒng)和設備的關系，并實現(xiàn)運行狀態(tài)分析；4)提供模擬虛擬操作功能進行培訓；5)模擬配電網(wǎng)的各種故障及處理故障方案。

主站系統(tǒng)實現(xiàn)控制執(zhí)行、模擬操作、培訓學習和考核、系統(tǒng)自檢與維護、設備管理和圖形顯示與數(shù)據(jù)打印等功能，并提供操作方便、顯示美觀的友好人機界面。

采用先進的光纖技術實現(xiàn)與饋線終端設備(FTU)的通信聯(lián)系，把FTU采集到的配網(wǎng)中虛擬負荷開關信息數(shù)據(jù)組傳送到主站系統(tǒng)，并且實現(xiàn)用主站系統(tǒng)的控制命令通過FTU，實現(xiàn)對各個模擬負荷開關的控制和操作。本系統(tǒng)還具有遠程診斷服務功能，主站系統(tǒng)設計原則是：

1)模擬系統(tǒng)功能要完全符合配電網(wǎng)實際情況；

2)要采用當今最先進和開放穩(wěn)定的操作系統(tǒng)；

3)通信系統(tǒng)的選用要滿足可靠、實用的標準，并提供多種路由及設備接口；

4)要能夠采用模擬、仿真和微課等現(xiàn)代教學手段滿足培訓需要。

2.2 模擬系統(tǒng)終端層的設計

配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)終端設備層就是整個系統(tǒng)的底層，它主要由各種饋線監(jiān)控終端TTU和FTU，TTU是實現(xiàn)對低壓變壓器的監(jiān)控[6]，F(xiàn)TU實現(xiàn)對配網(wǎng)中的開閉所、環(huán)網(wǎng)開關和柱上開關等終端設備的現(xiàn)場狀態(tài)信息的采集、處理和監(jiān)控。

系統(tǒng)設計時，利用繼電器模擬負荷開關，可以很完整的模擬開關的位置狀態(tài)和跳合閘操作，能夠提供單點和雙點開關的觸點狀態(tài)信息，并采集到信息傳輸?shù)街鳈C集中處理，各個負荷開關的模擬遙測信息由標準源提供。

虛擬開關裝置與FTU終端具有良好性能配合，且具有可以方便替換的通訊規(guī)約模塊，以適應不同配電網(wǎng)絡模擬的需要，通訊模塊包括IEC870-5-101、104、DNP 3.0等功能。為了滿足模擬系統(tǒng)可靠、經(jīng)濟和實用的要求，設計模擬系統(tǒng)中的通訊部分采用光纖接入FTU信息，TTU的通信設計無線和有線2種方式。按照DNP 3.0、IEC101、104規(guī)約實現(xiàn)系統(tǒng)主站與終端設備之間的通信。

2.3 一次配網(wǎng)開關系統(tǒng)的模擬

終端系統(tǒng)及配合的一次開關模擬系統(tǒng)的設計如下：根據(jù)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)使用的開關情況分析，采用測量標準源和繼電器組的組合方式實現(xiàn)實際配電網(wǎng)里斷路器和負荷開關等一次開關設備的模擬。由此實現(xiàn)的配電網(wǎng)開關模擬設備完成一次開關設備的遙控、遙信及開關閉鎖等動作動作狀態(tài)的模擬。采用標準源加到開關模擬裝置的相關繼電器的觸點，以此實現(xiàn)一次開關設備開斷和接通負荷電流能力的模擬，開關模擬端子圖見圖2。

配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)開關模擬設備加入自動重合裝置配合后，可實現(xiàn)對實際一次開關的遙控、遙信、開關閉鎖、自動重合閘等動作狀態(tài)的模擬(由時間延時繼電器或者FTU來實現(xiàn))。使用標準源(必需)加到模擬裝置的對應的繼電器觸點，模擬一次斷路器開斷/接通負荷電流或故障電流的能力。

使用IES-F30系列的終端單元和一次開關模擬設備組合成一個柜，該機柜的面板直觀清晰的進行開關狀態(tài)、開關閉鎖和開關操作的指示，并設置開關的操作按鈕。根據(jù)培訓規(guī)模要求，需要考慮模擬2～3條線路的一個配電自動化一次網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡按照5個開關分段(主流廠家的DTU、TTU)進行設計。

圖2 配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)開關模擬端子

2.4 終端與通信培訓功能設計

仿真模擬系統(tǒng)功能之一的培訓內(nèi)容主要側(cè)重于FTU/TTU的設備各種接線，可采用交互式課件和實際操作相結合的培訓方式：實現(xiàn)FTU/TTU的各種電氣功能檢測知識及技能培訓；實現(xiàn)FTU/TTU設備故障檢查及參數(shù)維護。

應用交互式課件和實際操作相結合的培訓模式，設計到配電網(wǎng)終端層通信部分培訓系統(tǒng)中[7]，如圖3所示。培訓內(nèi)容主要包括：光調(diào)制解調(diào)器(俗稱光貓)組成的光纖環(huán)網(wǎng)的通信系統(tǒng)組網(wǎng)知識及技能培訓；光纖交換機組成的光纖以太網(wǎng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)知識及技能培訓；RS-485傳輸方式通信系統(tǒng)組網(wǎng)知識及技能培訓。

3 結語

采用分層式體系結構實現(xiàn)對實際城區(qū)10 kV配電網(wǎng)自動化的計算機模擬，各個功能模塊分配在系統(tǒng)的各個層次上，保證了系統(tǒng)的可擴充性。根據(jù)現(xiàn)實的配網(wǎng)系統(tǒng)，整個模擬系統(tǒng)分為配電網(wǎng)主站層、終端層和一次設備層3個層次。通過通信系統(tǒng)將3個層次統(tǒng)一起來，可以實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)各種工況和故障的模擬實驗，也讓學習者充分了解現(xiàn)代化的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，了解配電網(wǎng)運行規(guī)律和電網(wǎng)調(diào)度運行技術，充分掌握電力系統(tǒng)遠動技術。

圖3 配電模擬培訓系統(tǒng)配置

[1] 王楓,祁彥鵬,傅正財.面向開關的復雜配電網(wǎng)可靠性評估簡化模型[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2015,27(2):57-63.

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Design of an Automation Simulation System for a 10 KV Power Distribution Network

GAORuwu1*,YOUZhicheng2

(1. Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

With the constant improvement of the power supply requirements, automation level increases rapidly in urban power distribution network. In order to strengthen the research on the phenomenon of power distribution network operation and improve the level of operation management, a distribution network automation simulation system needs to set up. The use of advanced computer technology, communication technology and means of physical simulation and the automation simulation system for 10 kV distribution network can effectively study the working condition of the distribution network, and can be used for training the staff of the distribution network as well.

distribution network; simulation system; training; detection control

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.010

2016-05-09

高汝武(1962— )，男(漢族)，山東沂水人，教授，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護、配網(wǎng)自動化，通信作者郵箱：fjsdxy@126.com。 游志成(1962— )，男(漢族)，湖北孝感人，教授，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)自動控制。

TM7

A

2095-5383(2016)04-0036-04