面向智能配电网新技术实证的真型试验平台

张 弛，苏毅方，李 鹏，孙 翔，周金辉，汪 科

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

随着我国加快推进新型电力系统建设，为满足高供电可靠性和适应分布式能源、电动汽车等灵活资源接入，配电网形态正在发生快速演变［1］。一方面，以一二次融合智能开关、新一代配电自动化为代表的智能设备及系统开始在配电网中大量应用［2］；另一方面，新的保护、控制和信息技术开始以物理信息融合形态在配电网中应用，例如基于低压配电物联网的台区智能融合终端协调控制技术［3］等。由于新技术、新方法还处于发展阶段，传统设备检测技术不能完全覆盖新技术设备检测实证需求，因此需要发展新型设备的检测和实证方法。

传统检测手段主要有配电网动模仿真和实时数字硬件在环仿真。配电网动模仿真可以较为真实地反映配电网特征，但是真实故障特征较为复杂，很难在动模系统中等效。实时数字仿真因其技术优势被广泛应用，有建模灵活、安全便捷高效等特点，可以对较大规模和复杂的电网供电系统进行仿真，特别是结合I/O 接口设备，通过硬件在环方法能够很好地开展智能化设备检测［4-5］。数字仿真可信性受制于建模准确性，但是针对故障态场景和故障演进过程，建模难度大；当待测设备是一二次深度融合设备时，数字仿真方法难以对整体设备进行检测。

为了弥补传统检测手段存在的局限性，特别是实现完整系统的真实场景考核，国内外研究检测机构提出了真型试验方法。真型试验针对由一二次融合设备、多设备组成的设备系统进行真实运行环境下的考核和实证具有独特的优势。

1 真型试验平台发展现状

欧洲最早开展真型试验平台研究，英国通过PNDC（电力网络示范中心）项目，接入电源容量5 MVA、部署了真实11 kV 和低压配电网络，通过线路阻抗模拟方式，可以等效模拟6 km电缆和70 km架空线路；同时，该项目电源具有灵活的调节能力，可在受控环境中模拟45～55 Hz 频率变化、8～12 kV 电压变化。该项目主要研究包括资产管理、保护与控制、电力电子与分布式能源等智能电网技术。

国网河南省电力公司在漯河建立了真型试验场，主要包括电源系统（10 kV、2.5 MVA）、电缆线路、架空线路、故障模拟系统等，该试验场主要开展标准化环网柜等新设备真型试验［6］。

中国电科院在武汉建立了世界规模最大的真型试验平台，实现了网架结构多态重构和接地方式灵活切换，真实复现248种配电网故障场景；利用试验平台模拟配电网不同过渡电阻接地、间歇性弧光接地等接地故障。该试验平台对一二次融合开关接地故障处置能力提升和中性点柔性消弧装置选线、选相和故障点熄弧功能验证开展了大量实证测试工作［7-8］。

总结国内外配电网真型试验的工程实践，已有配电网真型试验平台的建设目标和主要工程特色包括以下3点。

1）搭建10 kV真型配电网，配置参数可调节的故障模拟设备，主要对开关设备进行功能和性能考核。

2）采用大容量试验电源，对开关设备的故障开断能力进行考核。

3）构建灵活中性点消弧补偿环境，验证中性点智能补偿措施的有效性。

在借鉴国内外经验基础上，面向新型配电网交直流互联灵活组网、跨设备间无线互动性能和电缆环境实证试验等新需求，本文主要介绍了浙江配电网真型试验平台实现配电网异常及故障精准研判、配电自动化运行与保护、配电网灵活组网及运行等核心试验业务的实现方法，以及故障精准研判试验和5G配电自动化实证试验流程和结果评判方法。

2 浙江配电网真型试验平台具体实现方案

2.1 整体设计

浙江配电网真型试验平台面对配电网交直流互联、信息物理融合的发展需求，对真型试验平台的试验能力和核心功能进行了扩展，主要特征包括以下3点。

1）构建交直流混合试验网架，双端直流可以混合电网桥接、跨接以及独立组网，实现了未来配电网灵活组网运行性能验证。

2）面对智能终端跨设备无线组网测试需求，构建了基于远程5G和本地微功率无线网的开放式通信基座，实现了多设备系统级业务流、信息流性能验证。

3）面对配电电缆运行环境复杂和故障难以定位的难题，建设了配电电缆环境测试系统，具备复杂环境、极限运行参数可测、可控、可调能力，可以实现配电电缆“全息感知-性能考核-装备性能比对”多应用需求同步验证。

浙江配电网真型试验平台设计时的主要目标之一是实现多试验系统集成，真型试验平台包括电源及中性点、中压交-直流网架、低压交流智能台区、配电物联网、配电电缆、配电网防雷、5G及网络安全7大试验系统，如图1所示。

图1 浙江配电网真型试验平台系统组成

在能量流集成上，浙江配电网真型试验平台通过网架分支线接入双端中压直流背靠背系统和2个低压台区系统，实现了中-低压、交-直流之间能量流的贯通；在试验线路上，配电电缆的2条试验线路通过复用（可切换嵌入）中压网架的电缆线路，可以实现电缆网架的大电流贯通，电缆网架长线路可以挂接各类电缆在线监测终端，实现高密度同源对比；在通信信道融合方面，平台搭建了低压台区的微功率无线本地网和4G/5G 远程通信局域网，可以实现多类型无线智能终端的开放式接入。

2.2 试验电源及中性点系统

浙江配电网真型试验平台配置了2回不同电源的10 kV 电源进线，每回进线额定容量2 MVA。双电源设计提升了试验灵活分区，可以为配电网供区互联技术及设备验证提供基础试验环境；另一方面双试验区设计可以实现挂网实证区和故障试验区的隔离。

为降低短路故障试验对实验室周边用户电能质量的影响，系统配置了2 台隔离变压器（S11-2000/10.5）和2 台干式限流电抗器（XKGKL-10-160-10），在进行故障试验时，可有效抑制故障电流，如图2所示。

图2 试验电源和中性点设备

随着配电网发展，为适应城市电网电缆化率高，提高小电流接地系统故障检测灵敏度，配电网中性点接地技术正在向多样化、智能化方向发展。浙江部分供电公司开始试点预调式相控消弧接地技术。为此浙江配电网真型试验平台配置了2套中性点接地成套装置（如图3所示），可以模拟站内中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地、经消弧线圈并联可调电阻接地，也预留了自动跟踪补偿消弧线圈成套装置测试间隔，接地方式及参数能够远程设定。

图3 配电网中性点接地成套设备

2.3 中压交-直流混合网架

浙江配电网真型试验平台配置了1个10 kV开关站，站内设置内2段母线和16条馈线，包括8回核心网架（5～12 号）以及8 回设备长期挂网考核线路。

浙江配电网真型试验平台的中压交流核心网架包括4条电缆线路、4条架空线路，构建了一种可自由组态的中压交-直流灵活拓扑结构（见图4）。架空网架线路按照三分段三联络设计，通过中间联络开关站后可以模拟多分段（最大6分段）适度联络、末端联络等架空接线；电缆线路可以模拟单环、双环、双射、对射型等电缆接线。核心网架灵活组网可覆盖国家电网公司企业标准Q/GDW 10370—2016《配电网技术导则》中的全类型典型接线［9］。

图4 中压交-直流混合网架

中压网架设计了1座中间联络开关站，构成核心网架能量交换枢纽，通过4段联络母线将核心网架分为左右半区。中间联络开关站可以实现线路延长、首末端互换、线路分支等复杂组网功能。通过中间开关站，真型平台可以构建架空电缆混合线路、花瓣接线、三双接线等新型拓扑，实现配电网灵活组网运行技术研究及测试。

具备中压交-直流混合运行场景是浙江配电网真型试验平台的一个重要特征。系统配置2端中压柔性直流系统（2×1 MVA）。直流系统跨接在核心网架12 号架空线路中段和中间联络开关站3 号联络母线。通过核心网架运行方式调整，可以模拟交-直流混联配电网的2 个独立供电区域间的桥接、交直流同向潮流并列运行下的跨接。当其中任意1 端切换为构网型电源模式（单极系统独立运行模式）时，直流端连接的区域电网构成微电网运行环境，微电网内接入分布式电源、储能和可控负载，可以构建微电网内“源网荷储”自治运行以及配-微协同试验环境。

故障模拟是真型试验平台的基础功能，平台在核心网架上“T 接”了5 个故障接入点、2 套故障模拟成套设备和真实接地试验区。5个故障点覆盖了架空和电缆线路首/末端、中端、母线和分支线不同位置。故障模拟成套设备（如图5所示）可设置短路（接地）相别以及过渡电阻，可以模拟7种接地电阻（50/100/200/500 Ω、1 kΩ/3 kΩ/10 kΩ）接地。为模拟现场真实接地，平台设计了草地、泥土、水泥、柏油、水池、地砖等6种真实接地区，可以复现弧光接地、高阻接地等多种复合故障类型。

图5 接地故障模拟成套设备

2.4 低压智能台区试验系统

低压配电网接入高渗透率分布式光伏、充电桩后，成为新型电力系统建设的一个重要发力点。低压智能台区试验系统设计考虑满足2个需求：一是建设能够覆盖新型电力系统下低压台区“源网荷储”元素的低压配电网物理系统，二是提供与物理系统镜像部署的物联网信息系统。

低压台区试验系统配置了“源”“网”“荷”“储”等多台区元素，“源”包括户外欧式箱变压器、台架式柱上变压器、电网模拟器、APF（有源滤波器）和15 套户用光伏系统；“荷”配置了能馈式负载、可编程RLC 负载和交流充电桩等；“储”包括台区电化学储能和户用储能；“网”配置了线路模拟器、故障模拟器，以及台区变压器JP 柜配置的SVG 和智能电容器等，低压台区试验系统采用组态屏接线方式可灵活组态台区拓扑，如图6所示。

图6 低压智能台区试验系统

低压台区物联网配置了完备的感知和接入设备设备，包括TTU（新型智能融合终端）、LTU（低压监测单元）、智能电表、Ⅱ型采集器和集中器。低压物联网通过多模通信方式（HPLC、RFMESH）接入全部智能终端，一个重要特征是本系统在通信通道中嵌入了无线通信信道仪，它可以模拟信道干扰、通信延时、网络攻击等，因此可以开展低压智能台区通信测试、业务测试以及信道对源网荷储协调控制性能影响的测试。

2.5 配电电缆试验系统

配电电缆大量应用于城市配电网中，电缆故障修复时间长、定位难，因此电缆故障定位技术和状态检测技术是当前迫切需要开展研究的领域。真型基地设置了有无局放工频耐压试验设备区、电缆故障定位试验区、离线局放检测区，配置了大电流电缆温升试验设备（1 000 A/10 kV）、无局放直流高压发生器（±60 kV）、无局放交流高压发生器（60 kV）、交/直流两用局放检测仪、快速插拔式电缆故障模拟装置等核心设备，如图7所示。

图7 电缆故障模拟及状态监测系统

试验电缆环境模拟实际工作环境，电缆采用直埋、浸水、缆沟道密集敷设，在电缆不同敷设方式内设置模拟故障点，模拟断路、低阻短路、高阻短路、闪络击穿等故障类型。电缆环境试验系统具备复杂环境、极限运行参数可测、可控、可调能力，能够实现配电电缆“全息感知-性能考核-研判装备比对”的同步测试实证。

3 浙江配电网真型试验平台试验设计

3.1 10 kV一二次融合断路器接地功能实证

3.1.1 试验思路

10 kV 一二次融合智能断路器［2］由开关本体、馈线终端（箱式或罩式）、互感器、连接电缆等构成，开关本体结构多样，分三相共箱式和支柱式，三相共箱式可采用SF6或真空灭弧，支柱式采用真空灭弧。一二次融合断路器具备三相电流、三相相电压、零序电流和零序电压的采集能力；具备短路故障和小电流接地系统单相接地故障研判功能，具备与配电自动化配合实现集中FA（馈线自动化）和就地智能FA 功能。但由于目前一二次融合断路器尚处于发展阶段，生产厂家众多、性能差异多样，需要对设备整体故障研判正确性和性能进行检测与实证。

10 kV一二次融合断路器的单相接地故障处置实证试验，将故障模拟成套设备、中性点接地成套设备和配电网网架集成，采用一键组态和参数轮换技术，多轮次复现配电网不同过渡电阻接地和真实接地（水泥、沥青、土地、砂石等）故障，实现对一二次融合断路器故障精准研判验证［10］。

3.1.2 试验场景设置

接地故障判别功能试验包括试验系统设置、试验过程和试验结束3个阶段。试验系统设置包括以下3点。

1）中性点接地设置：站内中性点接地方式与故障研判功能密切相关，一方面要求故障研判功能在多种接地方式下适用，另一方面当采用智能柔性中性点接地装置场景时，柔性智能消弧技术会影响部分产品的研判准确度。试验系统逐次调节开关站内中性点接地成套设备的接地方式（不接地、消弧线圈接地、消弧线圈并联可调电阻接地），在选择消弧线圈接地时，根据不同的容性电流，设置自动跟踪补偿消弧线圈XHDCZ-1000/10.5 对接地容性电流进行过补偿。线路容性电流通过设置容流补偿器实现，分别注入4 A、10 A和20 A容性电流。

2）接地故障设置：试验通过设置故障模拟成套设备，接地输入选择交流网架12 号馈线中端和末端，试验系统一次接线如图8所示；接地输出可以调节为金属性接地（分别选择500 Ω、1 kΩ、3 kΩ电阻金属性接地）、真实接地（沥青、水泥路面），为保证试验结果的可重复性，可以根据试验需要重复设置0～360°合闸角。

图8 一二次融合断路器接地研判试验接线

3）试验保护和数据采集系统设置：单相接地故障在容流较大时具有故障扩大演化为短路故障风险。为防止被试品开关拒动，真型基地设置12号馈线10 kV 开关柜保护装置NSR3611 作为后备保护，投入零序过流Ⅰ段并延时8 s出口，同时设置站内故障录波器零序启动录波逻辑；在故障模拟成套接入第二套故障录波；通过试验监控系统设置12 号馈线出口断路器合闸延时10 s 分闸作为试验总后备。

3.1.3 试验结果判定

接地故障精准研判验证试验是一个多场景参数调节的重复试验过程，过程如图9所示。

图9 一二次融合断路器接地研判试验流程

一二次融合断路器接地故障精准研判的主要考核指标包括故障研判动作合格率和动作时间，每次试验结论应同时分析故障发生前/后零序电压、零序电流、故障相电压和故障相电流4 个信号，需记录故障时点、被试品开关检出故障时点和开关跳闸时点。

3.2 全自动智能型FA功能考核试验

3.2.1 试验思路

就地型FA［11-12］作为高供电可靠性区域配电自动化的深化应用，相比于集中式FA，具有快速故障定位和配电网重构优点。5G 全自动智能FA 利用5G 通信低时延特征，当配电线路上发生故障时，可以在几十毫秒内自动切除，理论上不受运行方式、故障位置、故障类型、负荷电流等因素的影响。文献［13］提出一种基于5G的全自动智能分布式FA方案，文献［14］提出一种不受网络拓扑约束的就地型馈线自动化故障处理方案。

浙江在一些高供电可靠性区域开始试点5G全自动智能分布式FA，该系统基于5G 智能一二次融合开关并配置就地自愈装置，将5G网作为数据传输媒介快速切除故障并恢复非故障网络正常运行。

由于5G 全自动智能FA 功能验证涉及一二次融合断路器故障研判、就地对等通信模块、5G传输信道、与网络拓扑对应的自愈逻辑设计等因素，因此真型基地依托基地部署的MEC 设备和5G 电力切片专网接入待测5G全自动智能FA系统（一二次融合智能断路器、交互终端和自愈终端），待试系统的5G开关接入真型基地架空线路网架，设置故障模拟环境和数据采集。

3.2.2 试验场景设置

真型试验平台架空线路5G全自动智能分布式FA验证试验系统设置包括以下几点。

构建架空线路网架：试验选择11 号架空馈线和12号架空馈线，设置三联络运行方式，11号馈线首端供电，12 号馈线尾端供电（见图10），红色代表带电状态，绿色代表断开状态。待测系统一二次融合断路器布置在馈线FD1—FD3、FD4—FD6分段开关和LW1—LW3联络开关上，开关通信模块接入5G局域网内，站内自愈终端布置在站内，也接入5G局域网。

图10 架空线路故障过程及动作逻辑

设置配电网接地故障：接地故障点选择在FD4 和FD5 之间联络线上，故障参数设置方式同3.1.2节故障模拟成套设置方法。

试验过程分3个计时阶段：

1）在FD4 和FD5 之间模拟单相接地故障，FD4 和FD5 智能开关检测出故障，并通过对等通信交互故障信息后判断区内故障，保护出口断开开关，完成故障隔离。

2）故障隔离后，自愈终端根据预配置自愈逻辑表，申请启动自愈策略。

3）策略进行故障点下游非故障区段配电网重构，自动合闸LW1 联络开关，恢复对FD4 和DL18区段供电。

3.2.3 试验结果判定

全自动智能型配电自动化系统级功能验证试验，考核指标包括配电自动化故障动作逻辑正确性和整个过程三阶段的时间，通信信道仪记录的通信延时也被纳入试验有效判据。

通过试验监控系统SOE 记录，记录FD4、FD5开关保护启动和出口时间，记录LW1收到合闸指令和合闸时间，结合故障模拟成套记录的试验过程波形，完成试验时标同步；然后计算三阶段的时间Δt1、Δt2、Δt3；最后根据开关动作正确性、动作顺序以及各阶段时间延时是否符合技术规范要求，判定系统功能和性能是否合格。

5G 差动全自动智能型分布式FA 功能验证应覆盖应用场景下各种自愈方式，因此试验网络在故障点设置时，还包括线路首端、线路末端等场景，本文不再累述。

3.3 低压台区故障研判试验

3.3.1 试验思路

低压配电网故障数量多、自动化手段缺乏［15］，因此导致的时户数损失不容忽视。为减少基层供电所故障排查成本，配电网开始试点应用基于配电物联网［3，16］的故障感知及研判成套解决方案。

真型试验平台针对低压智能故障研判系统功能验证需求，依托可灵活组态的低压台区平台，构建覆盖城网和农网低压台区典型试验拓扑，可真实复现低压配电网运行环境，特别是负荷水平/潮流方向多变、存在谐波的问题。为此，试验系统设置了配电网源网荷典型元素，复现低压配电网真实运行环境。在故障模拟方面，真型试验平台通过故障模拟设备，模拟单相接地短路故障、两相相间短路故障、两相接地短路故障、缺相故障、断零线故障、漏电故障等，可反映各种故障位置，平台的故障点设置在一级、二级分支。

3.3.2 试验场景设置

低压智能故障研判系统功能验证试验系统设置包括以下几点。

构建典型台区拓扑和网络参数：真型低压智能台区通过自由组态屏，构建模拟城市台区、农网台区2 个典型拓扑（见图11）。其中城市台区拓扑采用树状接线，低压塑壳断路器出线后，经过两级配电箱分支，接入负荷接入箱。配电箱与配电箱间联络线用线路阻抗模拟200 m 线路长度。模拟农网台区拓扑采用辐射辐射线路，每200 m线路挂接一个接户箱。

图11 低压台区电气网络拓扑

7 个接户箱内部接入RLC 模拟负载，总负荷可设置为50 kW、200 kW、100 kW；接户箱接入户用光伏，模拟台区正向和反向潮流2 种运行方式。台区网络中接入谐波源向试验台区注入谐波电流，模拟低压线路上真实电能质量环境，考验被测系统电能质量适应性。

3.3.3 试验结果判定

每次故障参数调整后，试验平台记录待测系统报送的故障信息和故障位置，完成全部试验项目后，分析计算待测系统上报的故障信息和故障定位准确率，最终评价系统功能的合格性。

4 结语

新型电力系统下要求配电网做强设备基础、运维支撑、三区四层架构和运行控制大脑。但传统单一的测试手段无法覆盖设备级、系统级实验验证需求。本文介绍了配电网真型试验平台，并对其平台设计目的、平台试验方法进行分析，通过真型试验测试设备的实际性能和故障感知的准确性，解决了配电网设备考核不足的难题，具有广阔的应用前景。

下一步，真型试验平台将结合浙江新技术设备级和系统级实证需求，制定标准化检测方法和评价方法，加快推进配电网新技术、新方法的快速应用转化。