馈线自动化仿真平台设计

具 浩 贾宏伟 杨世民 黎建乐

（ 1、广东电网有限责任公司培训与评价中心，广东 广州510520 2、广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞523000）

配电自动化是实现供电安全、优质、经济等要求的关键。馈线自动化系统是配电自动化的重要组成部分, 主要用于馈线故障自动定位、自动隔离和非故障区自动恢复供电。其中馈线是指任意配网节点相连接的支路, 馈线故障是指馈线发生的相间故障或接地故障。电力行业的设备在投入运行之前,需要通过严格的检测。而一直以来,对于馈线自动化系统的检测、处理馈线故障功能的测试往往是通过在现场长期的运行过程中执行。这样既不符合电力设备投运检测要求, 也不利于及时发现和处理系统缺陷。实际上,因为测试手段的缺乏,在目前已经投运的配电网运行现场中,大部分的馈线自动化功能并没有投入运行,只是使用其简单的数据采集以及故障检测等基础功能。

1 系统设计

本文参考馈线自动化的原理，搭建了一套馈线自动化的仿真系统。实现有压定值采集动作、无压定值采集动作、得电压延时合闸动作、失电压延时分闸动作。其意义在于模拟单电源供电、多电源供电且各电源中性点保护接地方式不同的复杂配电网架。基于断口继电器研发了一种银合金材质的模拟断路器，提供两组触点并适用于AC220V 电压，可拉断电流1A。其意义在于有效模拟了配网线路中的断路器开关动作分合后，线路的实际运行方式。在每组终端测控单元后设置故障量输入口，在测控单元上方设置故障分合指示灯。其意义在于直观全面了解故障动作效果，实现故障点在线路首、末、主干、分支等位置时定值配置方案有效性。在结构上，以DAL203 控制终端为核心建立馈线自动化系统；以软件控制模拟断路器为核心建立故障仿真系统。

将馈线故障类型进行分类，根据故障类型进行控制策略的设计。以不同的负荷切入和切出系统、设备可靠性的模拟以仿真各种故障类型。软件控制继电器以实现各种故障点和故障策略。常见的馈线故障类型主要包括瞬时故障、永久故障，其又可细分为相间短路故障、单点接地故障、多点接地故障等。从设备可靠性的角度出发也可以引出一系列的故障类型，如开关本体拒动导致的故障越级、定值整定差错引起的拒动等，以上的常见故障都要求馈线自动化系统能够正确判断且无误动。

图1 馈线自动化仿真平台柜体图

2 馈线自动化仿真模块

本文设计整个馈线自动化仿真系统仿真双电源馈线自动化网络，所有设计采用模块化设计，可根据需要增加或减少线段，也可调整结构。整个电路将运行方式进行分类，每种运行方式对应着相应的电压和电流阀值。在DAL203 控制终端里根据馈线自动化类型和负荷电路的各种电压电流阀值进行设置。在相应的母线段接上相应的负荷电路就会产生相应的电压电流值，进而触发DAL203 控制终端产生相应的动作。

整个电路主要包括，两组电源模块（三相），多段分段母线，多组DAL203 控制终端，模拟断路器，负荷模拟电路和负荷控制电路。两组三相电源用来仿真双电源的情况。每个DAL203 控制一组模拟断路器，用于断开和连接多段母线。每段母线上设有负荷模拟电路，用于仿真正常负荷和多种故障情况。负荷控制电路用于将不同的负荷连接到相应的仿真母线，或从相应的仿真母线上断开。其中DAL203 测控单元适用于10kV 及以下电压等级环网柜间隔单元的保护测控，具备完善、量制通信监视等功能，与断路器、负荷开关配合为10kV 及以下等级的线路馈出提供保护。

两组三相电源用于仿真双电源的情况。DAL203 是对电压信号进行采集，因此终端本身的功耗非常小。所以整个电路的主要功耗取决于负荷电路和故障点的数量。本文的电源电路设计如图。三相信号可由SA4828 或AD9834 等芯片电路产生。信号调节电路主要是控制功率放大电路的输入信号大小及滤波作用。功率放大电路可采用LM3886 等低成本的功率放大芯片。直流电源需要包括正负24V 及正12V 两组。为了控制整个电源模块的体积和考虑到功率放大模块的输出，升压变压器采用15V/220V 的升压变压器。由此，为了得到相电压57.7V，功率放大电路的输出电压约为有效值4V。

图2 电源模块设计示意图

3 故障仿真模块

正常情况下电压（电流）信号的采集通过电压（电流）互感器，本文采用一次运行母线模拟方法。通过直连或较低变压比例的变压器代替电压互感器以采集电压信号，电压母线直接做成电压互感器的二次输出值，即相电压57.7V（线电压100V）。母线上的电流信号的大小取决于负荷电路，同时母线上的各种运行状态也都要在电流上有所体现。正常情况下电流的检测通过电流互感器，将大电流变成小电流。本文中采用降压变压器连接仿真母线和负荷，这样做的好处在于仿真母线功耗不大的情况下可以得到明显的电流信号响应。负荷根据仿真的母线的运行情况分类进行连接。例如正常运行状态，相间短路，相对地短接等。所有的负荷和仿真母线之间采用继电器连接，由继电器的通断来控制负荷类型的连接，即故障模式的设定。所有的继电器由软件或负荷控制电路统一控制。每个DAL203 的信号检测都包括电源侧和负荷侧，电压电流信号和DAL203 的连接方式如图所示。负荷电路中的小电阻，对应的是故障电流，故障是否发生由此电阻连接的继电器开关控制。每组都设有三个是负荷电阻，对应的是正常电流。

图3 配网故障仿真模块硬件设计示意图

4 总结和展望

传统的测试方法主要采用继电保护仪与若干配电终端配合成馈线网络,使用继电保护仪注入故障电流生成馈线故障,由测试人员人工观察以检查馈线自动化系统的功能实现情况。此种测试方法成本较高,并且效率比较低,只能进行有限的故障测试。且在电气连接的逻辑上与真实的配电网差别太大。本文设计的仿真系统是模拟了真实配网的结构，前后电气节点在逻辑上与真实的电网基本是相同的。如果只是验证馈线自动化的方案策略或用于培训，可将信号电路中的电压电流值按等比例缩小使用，以此来提高安全性。如果要验证检测终端的功能则可以采用接近真实的电压电流及功率信号。