配电网馈线故障仿真系统的研究和实现

李俊达

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100)

配电网馈线故障仿真系统的研究和实现

李俊达

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100)

为了保证配网自动化系统上线运行后能够正确可靠地进行故障处理，需要对配网自动化系统的馈线自动化功能进行测试。传统的馈线自动化功能的测试存在较多的问题和不足，此次研究的目的是提供一种纯软件的配网故障仿真系统，作为对配网自动化系统馈线自动化这一功能的测试系统。

配电网；馈线自动化；故障仿真

0 引言

在现代电力系统中,大型的发电厂往往远离负荷中心,发电厂发出的电能,一般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心,然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起分配电能作用的网络就称为配电网。它由架空线路、电缆配电线路、配电所、柱上降压变压器和直接接入用户的设备所构成。

配电自动化系统(DAS)是一种可以使供电企业在远方以实时方式监控、协调和操作配电设备的自动化系统，本文简称为配网主站[1]。

按照国际电气电子工程师学会(IEEE)对配电自动化的定义，馈线自动化系统是对配电线路上的设备进行远方实时监控、协调及控制的一个集成系统。在正常情况下，远方实时监控馈线开关的状态和馈线电流电压情况，实现线路开关的远方合闸和分闸操作。在负荷不均匀时，通过负荷均衡化达到优化运行方式的目的；在故障时获取故障记录，并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域供电[2]。

目前馈线自动化包括2类：一种是采用配电自动化开关设备相互配合的馈线自动化；另一种是基于计算机、通信网络和馈线终端设备(FTU)馈线自动化。本文研究的是第2种馈线自动化的故障数据仿真技术。传统的馈线自动化功能的测试主要有实验室实时仿真测试和现场测试，需要使用测试仪、模拟断路器等多种设备。以上方法测试成本高，测试周期长，只能进行很有限的故障测试[3]。为了解决以上的问题，本研究提供了一种纯软件实现的配网故障仿真系统。

1 仿真系统介绍

配网自动化系统在二、三十年来的研究和应用中，逐步形成了如图1所示的功能分层图，主要包括3层：终端层，子站层，主站层。

图1 仿真层次

终端主要负责对配电网的一次设备三遥(遥测、遥信、遥控)。子站作为域内的各馈线终端设备(FTU)与主站的通讯网关，负责区域内FTU信息的汇总和控制。主站处于最上层，获得子站和终端的三遥信号，负责对数据进行分析和处理，对整个配电网进行监视和控制。

本仿真系统主要模拟其中的子站层和终端层。本仿真系统根据配电电网运行现状，模拟真实配电网拓扑环境，对配电网中任意线路设定故障，仿真模块会设定故障开关的状态及电流、电压、有功等时序信息并将数据发送给终端模拟器，终端模拟器通过标准通信规约发送给配网自动化系统。配网自动化系统接收到信息后，馈线自动化功能开始处理故障。

仿真系统的模块划分

配电网馈线故障仿真系统由绘图工具、故障仿真模块、终端模拟器、配置数据库、实时数据库构成，如图2所示。

图2 仿真系统模块划分

绘图工具软件用于绘制配电网各个开关的电气连接关系，并且关联开关所属终端量测信息，将绘制好的图形和参数保存到配置数据库，保存的图形可以直接导出为公共信息模型文件(CIM)和可伸缩矢量图形(SVG) ，对于支持图模导入的配网自动化系统可以直接进行导入而无需再次绘制。

配置数据库使用关系型数据库进行数据存储，为了适应配电网的一体化建模，数据库采用面向对象建模，提供统一的设备创建接口，灵活构建各种应用系统数据对象。创建的数据模型具有动态特性，具备基本的数据交互能力，简化了仿真系统的开发。

故障仿真模块启动时从数据库读取绘制好的图形信息和配置参数信息并生成实时数据库，进行电网故障位置和各个故障开关电流时序配置。开始仿真后自动进行故障模拟，把故障信息写入实时数据库。

终端模拟用于模拟真实配电终端，具备配电终端基本功能。可配置模拟遥测的初始值和变化步长，遥测，遥信变化时间。支持查看通道报文，查看遥信、遥测、遥控数据。支持模拟多个遥测、遥信、遥控和电度量。支持单点遥控和双点遥控，支持IEC104、IEC101等通讯规约。终端模拟软件通过注册实时数据库的变化通知方式接收故障仿真模块中开关量测信息，将信息进行处理并且使用标准规约将数据发送到配网自动化系统。接收下发的隔离和恢复遥控命令，将命令发送给故障仿真模块。

3 仿真系统的关键软件设计

由于绘图工具、配置数据库、实时数据库属于较通用功能，本文不详细描述。本文只描述终端模拟器和故障仿真模块的设计。

3.1 终端模拟器软件设计

终端模拟器负责仿真数据的发送，是仿真软件的主要模块之一。终端模拟器的操作流程如图3所示。

图3 终端模拟器活动

终端模拟器启动后首先从数据库读取多个终端的配置，包括终端的地址，端口，所用规约，遥信、遥测、遥控的容量等信息。每个终端对应1个通讯通道，每个通道可配置1种通讯规约。启动后每个终端可以接受配网自动化系统的连接并发送实时数据，接受遥控命令并根据遥控的开关更新开关的状态信息。

终端模拟器采用面向对象设计，依赖通讯通道类和配置读写类，其类图如图4所示。

由于模拟终端设计支持多种通讯规约，而这些规约都有共同的特性，本设计采用通用的规约类作为父类，负责实现所有规约所需的实时数据的读写等通用功能，所有的具体规约都继承自该父类，便于模块的维护和扩展。

3.2 故障仿真模块设计

故障仿真模块负责故障信息的产生和更新，也是故障仿真系统的关键模块，其工作流程如图5所示。

图5 故障仿真模块活动

启动时需要根据绘图工具配置的配电网拓扑信息和终端信息显示初始化状态的配电网，用户在预配置的故障点选择启动故障后，顺序写入该故障发生后的开关信息、保护动作和警告信息到实时库。模拟终端实时接收到该信息后发送给配网自动化系统。其馈线故障处理程序运行后会进行开关的遥控操作，模拟终端会接收到该信息并接受遥控操作。故障仿真模块根据遥控结果设置该开关的量测信息仿真相应的电流、电压、开关状态。

4 系统验证和测试

根据Q/GDW 513—2010《配电自动化系统主站功能规范》，本仿真系统主要对以下几种典型的馈线故障进行了模拟。

4.1 简单架空线故障仿真

简单的带分支的馈线，如图6所示，在本场景下配置4个模拟终端，分别用于发送S1出口开关，B，C，N开关的量测信息。

图6 简单架空线路故障仿真场景

重合闸故障仿真：启动仿真后，终端发送S1断路器开关分、过流保护动作信号，B断路器过流报警信号，随后发送S1断路器开关合信号。配网主站收集一系列信号后应判断为重合闸故障。

馈线支路故障仿真：启动仿真后，终端发送S1断路器开关分、过流保护动作信号，B、N断路器过流报警信号。配网主站应判断为在FTU2处发生支路故障，并发遥控命令断开N开关，合S1开关。仿真系统接收到遥控命令后发送相应开关的分合状态和量测信息。

开关拒动仿真：开关拒动仿真时需要设置隔离遥控分的开关，允许遥控但状态闭锁，即使遥控成功了也不发送开关的分位信息，当主站遥控操作时会发生遥控超时。以图6为例，在FTU2位置处仿真故障，开关N拒动，主站扩大范围隔离，遥控开关B，C分，切除故障区域。

故障信息漏报仿真：故障信息的漏报将导致馈线故障处理的误判，仿真时需要设置某开关的过流信号闭锁，不发送到主站。本测试案例中在FTU2位置处仿真故障，闭锁发送N开关的过流报警信号，则主站系统判断为FTU1处支路故障，遥控分B，C开关，仿真系统接收到遥控命令后发送相应开关的分合状态和量测信息。

4.2 电缆线路多重故障仿真

对于较复杂的手拉手环网线路，在本场景下模拟4个FTU，2个DTU，分别发送3个出口断路器的信息和2个环网柜的开关信息。在此场景下可进行多重故障的仿真。

图7 电缆线路故障仿真场景

模拟F3，F4，F5三处的馈线故障，发送S2，S3，S4开关的跳闸信号以及到故障点沿路开关的过流告警信号，配网主站收集一系列信号后应判断到多处故障，并遥控分E，I，O开关，故障切除后合S2，S3和S4开关，恢复非故障区域的供电。

5 结束语

在配网主站系统测试中需要对其馈线自动化功能进行测试，本系统能通过IEC104、IEC101等通信规约和主站进行通信，将人工设定故障生成开关分合信息和保护动作告警信息发送到主站。对主站的馈线自动化测试提供可靠的测试数据，保证了主站系统上线运行馈线自动化功能的可靠性和稳定性。

[1]于力.基于RTDS的有源配电网暂态实时仿真与分析[J].电力系统及其自动化学报，2015，27(4)：18-24.

[2]姜映辉.基于PSCAD的架空馈线自动化系统仿真分析平台研究[D].淄博：山东理工大学,2014.

[3]许琪.基于配电网的馈线自动化算法及仿真研究[D].江苏：江苏科技大学,2012.

TM 76

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1674-1951(2017)12-0024-03

2017-07-10；

2017-08-14

(本文责编：齐琳)

李俊达(1984—)，男，江苏南京人，工程师，从事电力系统通讯、调度及配网自动化系统研发方面的工作(E-mail:ljdsmail@sina.com)。