配電網(wǎng)饋線故障仿真系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

李俊達(dá)

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

配電網(wǎng)饋線故障仿真系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

李俊達(dá)

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

為了保證配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)上線運(yùn)行后能夠正確可靠地進(jìn)行故障處理，需要對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的饋線自動(dòng)化功能進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)的饋線自動(dòng)化功能的測(cè)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(wǎng)故障仿真系統(tǒng)，作為對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)饋線自動(dòng)化這一功能的測(cè)試系統(tǒng)。

配電網(wǎng)；饋線自動(dòng)化；故障仿真

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,大型的發(fā)電廠往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心,發(fā)電廠發(fā)出的電能,一般要通過高壓或超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)送到負(fù)荷中心,然后在負(fù)荷中心由電壓等級(jí)較低的網(wǎng)絡(luò)把電能分配到不同電壓等級(jí)的用戶。這種在電力網(wǎng)中主要起分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)就稱為配電網(wǎng)。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(shè)備所構(gòu)成。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)(DAS)是一種可以使供電企業(yè)在遠(yuǎn)方以實(shí)時(shí)方式監(jiān)控、協(xié)調(diào)和操作配電設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)，本文簡(jiǎn)稱為配網(wǎng)主站[1]。

按照國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)對(duì)配電自動(dòng)化的定義，饋線自動(dòng)化系統(tǒng)是對(duì)配電線路上的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)控、協(xié)調(diào)及控制的一個(gè)集成系統(tǒng)。在正常情況下，遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)控饋線開關(guān)的狀態(tài)和饋線電流電壓情況，實(shí)現(xiàn)線路開關(guān)的遠(yuǎn)方合閘和分閘操作。在負(fù)荷不均勻時(shí)，通過負(fù)荷均衡化達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行方式的目的；在故障時(shí)獲取故障記錄，并自動(dòng)判別和隔離饋線故障區(qū)段以及恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域供電[2]。

目前饋線自動(dòng)化包括2類：一種是采用配電自動(dòng)化開關(guān)設(shè)備相互配合的饋線自動(dòng)化；另一種是基于計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)和饋線終端設(shè)備(FTU)饋線自動(dòng)化。本文研究的是第2種饋線自動(dòng)化的故障數(shù)據(jù)仿真技術(shù)。傳統(tǒng)的饋線自動(dòng)化功能的測(cè)試主要有實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)仿真測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，需要使用測(cè)試儀、模擬斷路器等多種設(shè)備。以上方法測(cè)試成本高，測(cè)試周期長(zhǎng)，只能進(jìn)行很有限的故障測(cè)試[3]。為了解決以上的問題，本研究提供了一種純軟件實(shí)現(xiàn)的配網(wǎng)故障仿真系統(tǒng)。

1 仿真系統(tǒng)介紹

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)在二、三十年來的研究和應(yīng)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(fù)責(zé)對(duì)配電網(wǎng)的一次設(shè)備三遙(遙測(cè)、遙信、遙控)。子站作為域內(nèi)的各饋線終端設(shè)備(FTU)與主站的通訊網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)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(hào)，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

本仿真系統(tǒng)主要模擬其中的子站層和終端層。本仿真系統(tǒng)根據(jù)配電電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀，模擬真實(shí)配電網(wǎng)拓?fù)洵h(huán)境，對(duì)配電網(wǎng)中任意線路設(shè)定故障，仿真模塊會(huì)設(shè)定故障開關(guān)的狀態(tài)及電流、電壓、有功等時(shí)序信息并將數(shù)據(jù)發(fā)送給終端模擬器，終端模擬器通過標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約發(fā)送給配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)接收到信息后，饋線自動(dòng)化功能開始處理故障。

仿真系統(tǒng)的模塊劃分

配電網(wǎng)饋線故障仿真系統(tǒng)由繪圖工具、故障仿真模塊、終端模擬器、配置數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)模塊劃分

繪圖工具軟件用于繪制配電網(wǎng)各個(gè)開關(guān)的電氣連接關(guān)系，并且關(guān)聯(lián)開關(guān)所屬終端量測(cè)信息，將繪制好的圖形和參數(shù)保存到配置數(shù)據(jù)庫(kù)，保存的圖形可以直接導(dǎo)出為公共信息模型文件(CIM)和可伸縮矢量圖形(SVG) ，對(duì)于支持圖模導(dǎo)入的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)可以直接進(jìn)行導(dǎo)入而無需再次繪制。

配置數(shù)據(jù)庫(kù)使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為了適應(yīng)配電網(wǎng)的一體化建模，數(shù)據(jù)庫(kù)采用面向?qū)ο蠼＃峁┙y(tǒng)一的設(shè)備創(chuàng)建接口，靈活構(gòu)建各種應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)象。創(chuàng)建的數(shù)據(jù)模型具有動(dòng)態(tài)特性，具備基本的數(shù)據(jù)交互能力，簡(jiǎn)化了仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

故障仿真模塊啟動(dòng)時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取繪制好的圖形信息和配置參數(shù)信息并生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行電網(wǎng)故障位置和各個(gè)故障開關(guān)電流時(shí)序配置。開始仿真后自動(dòng)進(jìn)行故障模擬，把故障信息寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

終端模擬用于模擬真實(shí)配電終端，具備配電終端基本功能?？膳渲媚M遙測(cè)的初始值和變化步長(zhǎng)，遙測(cè)，遙信變化時(shí)間。支持查看通道報(bào)文，查看遙信、遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)。支持模擬多個(gè)遙測(cè)、遙信、遙控和電度量。支持單點(diǎn)遙控和雙點(diǎn)遙控，支持IEC104、IEC101等通訊規(guī)約。終端模擬軟件通過注冊(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的變化通知方式接收故障仿真模塊中開關(guān)量測(cè)信息，將信息進(jìn)行處理并且使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約將數(shù)據(jù)發(fā)送到配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。接收下發(fā)的隔離和恢復(fù)遙控命令，將命令發(fā)送給故障仿真模塊。

3 仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)

由于繪圖工具、配置數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)屬于較通用功能，本文不詳細(xì)描述。本文只描述終端模擬器和故障仿真模塊的設(shè)計(jì)。

3.1 終端模擬器軟件設(shè)計(jì)

終端模擬器負(fù)責(zé)仿真數(shù)據(jù)的發(fā)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(dòng)

終端模擬器啟動(dòng)后首先從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取多個(gè)終端的配置，包括終端的地址，端口，所用規(guī)約，遙信、遙測(cè)、遙控的容量等信息。每個(gè)終端對(duì)應(yīng)1個(gè)通訊通道，每個(gè)通道可配置1種通訊規(guī)約。啟動(dòng)后每個(gè)終端可以接受配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的連接并發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，接受遙控命令并根據(jù)遙控的開關(guān)更新開關(guān)的狀態(tài)信息。

終端模擬器采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)支持多種通訊規(guī)約，而這些規(guī)約都有共同的特性，本設(shè)計(jì)采用通用的規(guī)約類作為父類，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)所有規(guī)約所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀寫等通用功能，所有的具體規(guī)約都繼承自該父類，便于模塊的維護(hù)和擴(kuò)展。

3.2 故障仿真模塊設(shè)計(jì)

故障仿真模塊負(fù)責(zé)故障信息的產(chǎn)生和更新，也是故障仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，其工作流程如圖5所示。

圖5 故障仿真模塊活動(dòng)

啟動(dòng)時(shí)需要根據(jù)繪圖工具配置的配電網(wǎng)拓?fù)湫畔⒑徒K端信息顯示初始化狀態(tài)的配電網(wǎng)，用戶在預(yù)配置的故障點(diǎn)選擇啟動(dòng)故障后，順序?qū)懭朐摴收习l(fā)生后的開關(guān)信息、保護(hù)動(dòng)作和警告信息到實(shí)時(shí)庫(kù)。模擬終端實(shí)時(shí)接收到該信息后發(fā)送給配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。其饋線故障處理程序運(yùn)行后會(huì)進(jìn)行開關(guān)的遙控操作，模擬終端會(huì)接收到該信息并接受遙控操作。故障仿真模塊根據(jù)遙控結(jié)果設(shè)置該開關(guān)的量測(cè)信息仿真相應(yīng)的電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證和測(cè)試

根據(jù)Q/GDW 513—2010《配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站功能規(guī)范》，本仿真系統(tǒng)主要對(duì)以下幾種典型的饋線故障進(jìn)行了模擬。

4.1 簡(jiǎn)單架空線故障仿真

簡(jiǎn)單的帶分支的饋線，如圖6所示，在本場(chǎng)景下配置4個(gè)模擬終端，分別用于發(fā)送S1出口開關(guān)，B，C，N開關(guān)的量測(cè)信息。

圖6 簡(jiǎn)單架空線路故障仿真場(chǎng)景

重合閘故障仿真：?jiǎn)?dòng)仿真后，終端發(fā)送S1斷路器開關(guān)分、過流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，B斷路器過流報(bào)警信號(hào)，隨后發(fā)送S1斷路器開關(guān)合信號(hào)。配網(wǎng)主站收集一系列信號(hào)后應(yīng)判斷為重合閘故障。

饋線支路故障仿真：?jiǎn)?dòng)仿真后，終端發(fā)送S1斷路器開關(guān)分、過流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，B、N斷路器過流報(bào)警信號(hào)。配網(wǎng)主站應(yīng)判斷為在FTU2處發(fā)生支路故障，并發(fā)遙控命令斷開N開關(guān)，合S1開關(guān)。仿真系統(tǒng)接收到遙控命令后發(fā)送相應(yīng)開關(guān)的分合狀態(tài)和量測(cè)信息。

開關(guān)拒動(dòng)仿真：開關(guān)拒動(dòng)仿真時(shí)需要設(shè)置隔離遙控分的開關(guān)，允許遙控但狀態(tài)閉鎖，即使遙控成功了也不發(fā)送開關(guān)的分位信息，當(dāng)主站遙控操作時(shí)會(huì)發(fā)生遙控超時(shí)。以圖6為例，在FTU2位置處仿真故障，開關(guān)N拒動(dòng)，主站擴(kuò)大范圍隔離，遙控開關(guān)B，C分，切除故障區(qū)域。

故障信息漏報(bào)仿真：故障信息的漏報(bào)將導(dǎo)致饋線故障處理的誤判，仿真時(shí)需要設(shè)置某開關(guān)的過流信號(hào)閉鎖，不發(fā)送到主站。本測(cè)試案例中在FTU2位置處仿真故障，閉鎖發(fā)送N開關(guān)的過流報(bào)警信號(hào)，則主站系統(tǒng)判斷為FTU1處支路故障，遙控分B，C開關(guān)，仿真系統(tǒng)接收到遙控命令后發(fā)送相應(yīng)開關(guān)的分合狀態(tài)和量測(cè)信息。

4.2 電纜線路多重故障仿真

對(duì)于較復(fù)雜的手拉手環(huán)網(wǎng)線路，在本場(chǎng)景下模擬4個(gè)FTU，2個(gè)DTU，分別發(fā)送3個(gè)出口斷路器的信息和2個(gè)環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)信息。在此場(chǎng)景下可進(jìn)行多重故障的仿真。

圖7 電纜線路故障仿真場(chǎng)景

模擬F3，F(xiàn)4，F(xiàn)5三處的饋線故障，發(fā)送S2，S3，S4開關(guān)的跳閘信號(hào)以及到故障點(diǎn)沿路開關(guān)的過流告警信號(hào)，配網(wǎng)主站收集一系列信號(hào)后應(yīng)判斷到多處故障，并遙控分E，I，O開關(guān)，故障切除后合S2，S3和S4開關(guān)，恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。

5 結(jié)束語

在配網(wǎng)主站系統(tǒng)測(cè)試中需要對(duì)其饋線自動(dòng)化功能進(jìn)行測(cè)試，本系統(tǒng)能通過IEC104、IEC101等通信規(guī)約和主站進(jìn)行通信，將人工設(shè)定故障生成開關(guān)分合信息和保護(hù)動(dòng)作告警信息發(fā)送到主站。對(duì)主站的饋線自動(dòng)化測(cè)試提供可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)，保證了主站系統(tǒng)上線運(yùn)行饋線自動(dòng)化功能的可靠性和穩(wěn)定性。

[1]于力.基于RTDS的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真與分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，27(4)：18-24.

[2]姜映輝.基于PSCAD的架空饋線自動(dòng)化系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)研究[D].淄博：山東理工大學(xué),2014.

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

TM 76

A

1674-1951(2017)12-0024-03

2017-07-10；

2017-08-14

(本文責(zé)編：齊琳)

李俊達(dá)(1984—)，男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)通訊、調(diào)度及配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)研發(fā)方面的工作(E-mail:ljdsmail@sina.com)。