模块化配电网物理仿真实验系统设计与实现

郭谋发， 林 成， 高 伟， 黄志鹏， 洪 翠， 杨耿杰

(福州大学 电气工程与自动化学院，福州 350116)

0 引 言

对配电网的科学实验研究可以在实际配电系统上进行，也可以在模拟的配电系统上进行。在运行中的配电网进行故障实验可以得到真实可靠的实验数据，但受时间、经济、安全等多方面因素限制，通常是不允许的[1-2]。通过数学建模实现数字仿真，具有建模速度快，经济性好，参数调整方便等优点，但难于真实模拟配电网的运行规律和物理现象。因此，研制配电网物理仿真实验系统对开展相关科研和教学是有意义的[3]。

动态模拟技术的应用已有百余年的历史，早在20世纪50年代前苏联就建立了电力系统动模实验平台，采用全物理的动态模拟技术，对古比雪夫水电站到莫斯科的220 kV输电线路进行实验。我国对电力系统动模实验的研究始于20世纪50年代末，中国电力科学院在1958年建成动态模拟实验室，此后华中科技大学、西安交通大学、上海交通大学、华北电力大学等院校相继建立了动模实验室[4-6]。其中，华中科技大学目前已建立10台模拟发电机组和超过3 000 km的交、直流模拟输电线路，配备先进的自动化设备，能够实现自动监控、录波和遥视等功能[7]。文献[8]中在华北电力大学动态模拟实验室的基础上，采用了全球定位系统、以太网、数字信号处理器以及面向对象编程的软件技术研制了一套基于以太网的动态模拟实时仿真系统，实现模拟实验的序列控制、模拟保护的跳合闸控制、波形记录及各种算法的实时仿真功能。文献[9]中选用可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)作为短路故障模拟控制器，开发了短路故障模拟控制系统，编程实现上位机监控平台软件，通过对一次模拟设备的控制实现各种类型的金属性和非金属性短路模拟。文献[10]中提出了基于数字模拟仿真和物理动态模拟组成的直流配电模拟实验系统，开展配电网系统控制与保护等相关技术的建模仿真与实验研究。文献[11]中在对线路模型、并联电抗器等元件进行了分析检测的基础上，研究了适用于特高压实验系统的模型元件，所搭建的1 000 kV特高压模拟系统为特高压交流试验示范工程的继电保护选型提供了重要技术依据。

1 系统总体方案

1.1 系统主接线

目前，我国10 kV配电网广泛使用架空线、电缆线路、电缆-架空线和架空线-电缆混合的网架结构[12]。架空线主要有4种典型接线模式，分别是：单辐射接线、单联络接线、2分段2联络接线、3分段3联络接线。近几年随着系统容量的增长，配电网中广泛应用电缆线路，主要有3种典型接线模式，分别是：单环网接线、电缆开闭所接线、双环网接线。模块化配电网物理仿真实验系统根据配电网架空和电缆线路的典型接线模式，整合相似部分，设计如图1所示的主接线。

图1 配电网物理仿真实验系统主接线

主接线中所有馈线均设置分段开关，模拟真实配电网多分段、多分支和多联络的复杂接线情况。包含2座变电站：B变电站有两台相同容量变压器，设计单母线分段接线方式，可模拟负荷中心变电站。A、B变电站通过电缆馈线连接多个环网柜，可模拟城市或城郊变电站。系统可将3台变压器分别独立运行，也可以模拟3个电源配合的运行情况，例如将2个变电站中的1个变电站完全停电，模拟大范围停电情况，由另外一个变电站转供供电，验证停电转供供电策略。后期可接入光伏发电、风力发电、微网等分布式电源模拟器，实现多源配电网的模拟。

馈线为电缆、架空混合线路和电缆、架空可切换线路，方便模拟全电缆配电网、全架空配电网和长度可变的缆线-架空混合配电网线路：A站901馈线由3条1 km电缆和3条0.5 km电缆组成总长度为4.5 km的电缆；B站911馈线由3段5 km的架空线组成；B站912馈线为5 km电缆和1 km架空线混合线路；B站921馈线为架空线-电缆可切换线路(图1中实线为电缆线，虚线为架空线)，长度均为3 km；B站922馈线为5 km架空线和1 km电缆线混合线路。系统中利用PLC与接触器模拟线路断路器与负荷开关的投切控制，实现馈线长度的改变和馈线类型的切换。

1.2 系统模块化设计方案

依据相似性原理，模拟配电网一次系统的元件，搭建配电网物理模型。对电力系统的模拟，主要依据功率、电压、电流等物理量，因此在建立模型系统时，主要考虑的有名值参数比一般有4个，分别为功率模拟比、电压模拟比、电流模拟比和阻抗模拟比，各个物理量的比例之间是可以相互转化的。设功率模拟比、电压模拟比为

KS=Sy/Sm

(1)

KU=Uy/Um

(2)

式中：KS为功率模拟比;Sy为原型系统的功率;Sm为模型系统的功率;KU为电压模拟比;Uy为原型系统的电压；Um为模型系统的电压。由功率和电压模拟比可得电流模拟比和阻抗模拟比分别为

(3)

(4)

式中：KI为电流模拟比;KZ为阻抗模拟比。

采用模块化设计方法，将一次设备和二次设备组成典型功能模块，组合生成所需的配电网络，既利于设计和安装，也有利于后期更改线路结构和系统拓展。系统分为：变电站、馈线、环网柜、柔性故障发生、故障录波和监控系统等模块，各模块通过以太网实现互联。系统构成如图2所示。

图2 系统构成

变电站、馈线和环网柜等模块的一次设备包含变压器、电抗器、配电线路、断路器、电压互感器、电流互感器、以及负载等物理模拟元件，根据变电站、馈线和环网柜等模块实现的功能不同，选取相应元件进行组合。二次设备包含以PLC为核心的监控装置及保护装置等。一次、二次设备经组合安装于标准配电柜内。采用双向晶闸管实现柔性故障发生模块，接入物理仿真实验系统的母线或线路，模拟不同类型故障：两相短路、单相接地短路、三相短路故障、断线等；故障位置可设置在母线上、环网柜内、出线侧和负荷侧等位置。故障录波模块采用工业控制计算机及高速多通道数据采集卡实现，系统发生故障时，可记录故障前后各电气量的波形，并上传至监控系统模块。监控系统模块包括应用软件、通信服务、数据库等。可实现对变电站、馈线、环网柜、柔性故障发生和故障录波等模块的监测和控制，实现对系统正常及故障工况下的数据及波形的存储、分析及管理等功能。

2 各模块的实现

2.1 变电站模块

不同变电站模块的主接线、设备数量及型号基本相同，仅馈线数量略有差别，以B变电站#1变压器及其出线为例进行说明。B变电站#1变压器及其出线的主接线及实物如图3所示。其中TM10为主变压器，TM11为Z型变压器，KM10为进线断路器，KM11为母线断路器，KS10～13为刀闸开关，用于实现变压器中性点接地方式的切换，TV10、TV11为电压互感器，TA11、TA11-1、TA15和TA17为电流互感器，LTA11、LTA15、LTA17为零序电流互感器。

(a) 主接线图

(b) 主变压器实物图

(c) 出线实物图

变电站模块二次部分主要实现对进出线断路器的监控功能。变电站模块监控装置结构如图4所示。以PLC为主控单元，其通过自带及扩展的多种通信接口，同微机继电保护装置、电量采集装置、监控系统模块等各测控设备互连[13]。PLC通过输入I口读取断路器当前状态，反馈给保护装置、监控系统模块，并输出断路器状态，供监控FTU/DTU等设备使用。PLC与被控断路器采用继电器隔离。

图4 变电站模块监控装置

2.2 馈线模块

馈线模块包含：A站901电缆线路、B站911架空线路、B站912缆线混合线路、B站921缆线切换线路、B站922缆线混合线路。各馈线模块一次接线不同，但二次设备的功能相似。以B站912线路为例进行说明。B站912线路的主接线及实物如图5所示。其中TV为电压互感器，FU为电压互感器一次侧熔断器，KM为断路器，TA为电流互感器，KS1、KS2及KS3为刀闸。

(a) 主接线图

(b) 实物图

根据π型等效模型设计了一种计及互感的配电线路实物等效模型[14]。互感模型采用闭合磁路环形空心电感器的设计方案。配电线路的电容包括线间电容和对地电容，不仅影响系统的有功和无功分布，也影响着配电线路的电压降落和单相接地故障零序电流大小。假设三相平衡的，同时考虑线路自感和互感，设计线路三相π型线路等效模型如图6所示。

(a) 原理图

(b) 实物图

图中，R为线路的电阻，Lx是线路的自感，My是两条线路之间的互感，相间的电容为Cp，相对地电容为CgCp/(Cg+Cp),配电网三相平衡运行时，图中点N的电位为零，对地无电容电流流过。

馈线模块监控装置结构如图4所示，PLC的监控软件实现断路器控制、负荷开关控制及遥测等功能。断路器控制子程序，设置了断路器的多种工况，主要包括断路器拒动、误动、抖动实验，程序流程如图7所示。

图7 断路器控制子程序流程图

2.3 环网柜模块

环网柜模块包含：环网柜1#～4#。环网柜模块包含环网柜以及其联络的电缆线路和负载。环网柜模块若连接变电站模块，则配置馈线开关和相应的保护装置；若含联络开关，则联络开关两侧配置电压互感器。以下以环网柜4#为例进行说明。环网柜模块一次接线及实物如图8所示。其主要包括：馈线模块、汇流母线、断路器、负荷等。环网柜模块的每条进出线配置两套TA，母线配置两套TV。

(a) 主接线图

(b) 实物图

图8 环网柜模块

环网柜模块监控装置结构主要包括PLC、触摸屏、电量采集装置、UT811S馈线保护装置等(见图4)。实现对环网柜模块的开关的控制，测量环网柜各进出线电压、电流值，对线路进行保护。数字量输出接口主要连接至中间继电器，继电器的控制回路再与模拟断路器相连。

2.4 故障录波模块

故障录波模块分为硬件和软件两大部分，如图9所示。硬件部分由三相和零序电压互感器、三相和零序电流互感器、PCI-9223采集卡、MXC-2002(G)工控机、电源模块以及显示器等组成。软件采用LabVIEW编制，主要实现对采集卡的采样通道采样频率、采样模式等的配置，选择波形录制启动方式，并实现录波数据的查询、显示、存储和传输等功能。

图9 故障录波模块的构成

2.5 柔性故障发生模块

柔性故障发生模块选用晶闸管作为开关元件，动作快速，无机械弹跳，且动作时间可控[15]。采用ARM单片机作为控制核心，监测系统电压过零时刻，对晶闸管的触发信号进行精准控制，生成特定类型和特定相角的故障。通过以太网接口和监控系统模块交互数据。柔性故障发生模块的原理图及实物图如图10所示。

柔性故障发生模块共有11个晶闸管，通过不同的开关切换，实现不同类型故障的生成。软件设计包括初始化、故障设置、故障实验、接地方式设置等。主程序流程如图11所示。初始化程序使上电后故障模拟模块为非故障状态。判断为故障生成模式或中性点电阻模拟模式，执行不同程序。故障生成模式下，循环扫描等待故障标识位变更，进入设定故障子程序，通过设定参数和开始故障标志位触发故障；程序按照故障类型控制指定开关动作和动作时间。在未进行故障时，可对接地故障电阻进行修改。其中的弧光接地设置软件用于模拟配电网导线断线后，导线电源端掉到地面并产生燃弧。

2.6 监控系统模块

采用客户端/服务器结构，基于LabVIEW 2014开发监控系统模块软件。软件总体结构如图12所示，分为通信层、数据访问层和应用层等3层。实现以太网通信、人机交互、数据计算分析、数据库操作、报表生成等。

(a) 原理图

(b) 实物图

图11 柔性故障发生模块软件流程图

图12 软件总体结构

以太网通信是监控系统模块软件与各其他模块之间的桥梁，通信协议采用PLC的FATEK规约以及其他自定义的规约。监控系统模块软件首先从数据库中获取各模块的子站号、IP地址和端口号，并建立客户端，实现与其他模块的连接。数据库由实时数据库和历史数据库组成，选用SQL Server 2008作为数据库的开发平台，实现数据存储、处理、查询、管理等功能。人机交互展示整个系统的运行状态，包括各条线路的电压、电流、功率，开关的分合状态、线路属性，并可以对运行方式以及开关进行分监控。通过模块索引找到各个对应的模块，查看遥信，遥测信息并可进行遥控操作。还可实现各种实验流程的控制、通信的连接与断开、实验数据保存等功能。

3 实验分析

为验证配电网物理仿真实验系统生成的故障波形的正确性，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建与所构建的物理仿真实验系统一致的仿真模型，如图13所示，仿真得到典型故障波形，与物理仿真实验系统故障录波模块实测波形进行比对。

配电网故障包含多种类型，限于篇幅，以谐振接地系统在过补偿情况下，发生单相接地故障为例进行分析说明。将Z型变压器接入主变压器低压侧，并经过消弧线圈接地。故障点设为f2。经消弧线圈系统发生单相金属性接地故障时，故障相的对地电压降为0，非故障相电压上升为线电压，与不接地系统特征相似，如图14所示。

由于消弧线圈的补偿作用，与中性点不接地系统不同。在过补偿运行方式下，消弧线圈的电感电流大于所有线路的对地电容电流之和。稳态时，故障线路的零序电流和正常线路的零序电流同相。当故障发生在相电压过零点附近，即φ为0°时，暂态电感电流出现最大值，暂态电容电流出现最小值。因暂态电感电流只流经故障线路，包含交流分量和衰减直流分量，其中直流分量产生的原因是电感中的电流在接地故障瞬间不能突变，故在过零点附近发生故障时出现较大的直流分量[16]。如图15所示。

图13 PSCAD/EMTDC仿真模型

(a) 软件仿真波形

(b) 物理仿真波形

当故障发生在相电压接近90°时，暂态零序电流中既包含暂态电容电流又包含暂态电感电流，暂态电感电流较小，主要是电容电流，故直流分量较小。母线三相电压和各馈线零序电流分别如图16和17所示。

(a) 软件仿真波形

(b) 物理仿真波形

(a) 软件仿真波形

(b) 物理仿真波形

(a) 软件仿真波形

(b) 物理仿真波形

配电网物理仿真实验系统根据相似性原理将10 kV实际配电网缩小为0.4 kV物理仿真系统，以集中参数制作线路模型等效替代实际为分布参数的线路，存在一定误差。但故障波形的变化过程及主要特征与理论分析及软件建模仿真一致，可满足实验研究的要求。

4 结 语

考虑提高系统扩展的灵活性并降低设计和安装调试难度，根据相似性等效原理，采用模块化方法，研制了3个变电站模块、6个馈线模块、4个环网柜模块、1个柔性故障发生模块、1个故障录波模块及1个监控系统模块，介绍了各模块的软件和硬件实现方法。考虑工程实际典型接线，利用研制的各模块组合构成配电网物理仿真实验系统，在PSCAD/EMTDC平台上搭建与物理仿真系统一致的配电网模型，仿真结果对比验证了其可行性和有效性，可用于开展配电网故障相关的科研和教学实验。