張軍華，金巖磊，金　震

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

基于動(dòng)態(tài)拓?fù)涞臄?shù)字化備自投仿真技術(shù)

張軍華，金巖磊，金震

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

提出了一種新的數(shù)字化備自投仿真技術(shù)，該技術(shù)是基于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)，對(duì)數(shù)字化備自投裝置的動(dòng)作邏輯進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證其邏輯是否合理。以該仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了基于Sophic數(shù)據(jù)平臺(tái)的仿真軟件，該仿真軟件可采用分布式部署，而且在仿真態(tài)環(huán)境下執(zhí)行，不影響站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)正常功能。該仿真方案已經(jīng)在香港翠伶路變電站得到應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果。

備用電源自動(dòng)投入；仿真；拓?fù)浞治?；Sophic數(shù)據(jù)平臺(tái)

備用電源自動(dòng)投入裝置（簡稱備自投）在低電壓變電站中廣泛應(yīng)用，它能夠在電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)保證對(duì)用戶的不間斷供電，提高用戶用電的可靠性。傳統(tǒng)的備自投裝置在變電站建設(shè)期間就根據(jù)現(xiàn)場的運(yùn)行方式固定了其動(dòng)作邏輯，采用人工查驗(yàn)的方式可以確定邏輯是否合理。數(shù)字化備自投的動(dòng)作邏輯可由運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)置，沒有硬接線的存在，驗(yàn)證動(dòng)作邏輯是否合理比較困難。針對(duì)數(shù)字化備自投的工作特點(diǎn)，提出了基于動(dòng)態(tài)拓?fù)涞臄?shù)字化備自投仿真技術(shù)。該仿真技術(shù)采用動(dòng)態(tài)拓?fù)涞乃枷雽?duì)數(shù)字化備自投的邏輯進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證其動(dòng)作邏輯是否合理。并在此技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于Sophic數(shù)據(jù)平臺(tái)的仿真軟件，通過在現(xiàn)場的應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

1　數(shù)字化備自投

傳統(tǒng)的備自投裝置接線復(fù)雜，需要通過信號(hào)電纜獲取進(jìn)線開關(guān)的狀態(tài)、通過交流回路獲取電壓電流值，成本較高，而且不利于檢修。特別是現(xiàn)場的運(yùn)行方式發(fā)生改變時(shí)，需要更改電纜連接線，施工復(fù)雜，成本高。近幾年，隨著IEC 61850模型研究的深入，電力系統(tǒng)數(shù)字化得到了迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化備自投，其邏輯設(shè)置靈活、方便。在數(shù)字化變電站中，可以通過測控裝置發(fā)出的面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）信號(hào)，獲取整個(gè)廠站內(nèi)所有開關(guān)刀閘的狀態(tài)信息和電壓電流值。數(shù)字化備自投裝置就是依靠該GOOSE信號(hào)獲取開關(guān)狀態(tài)和電壓電流值，結(jié)合運(yùn)行方式進(jìn)行邏輯判斷，并通過GOOSE信號(hào)發(fā)出操作命令，分合相應(yīng)的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)備用電源投入［1］。

如圖1所示的備自投典型接線，在傳統(tǒng)變電站中，進(jìn)線1、進(jìn)線2、分段開關(guān)的狀態(tài)和電流電壓值需要通過硬接線分別連接到進(jìn)線1測控、進(jìn)線2測控、分段測控，并且需要另外一份硬接線連接到備自投裝置。另外，各測控裝置和備自投的跳合閘信號(hào)也需要通過硬接線傳送到操作箱，隨著現(xiàn)場運(yùn)行方式的復(fù)雜度，接線的復(fù)雜度也呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長。而在數(shù)字化變電站中，傳統(tǒng)的硬接線連接為網(wǎng)絡(luò)連接所取代，由各測控裝置完成開關(guān)位置的采集，并通過GOOSE信號(hào)發(fā)給數(shù)字化備自投裝置。同時(shí)，通過多模光纖通道經(jīng)合并單元由電子式互感器引入模擬量。數(shù)字化備自投綜合這些信號(hào)，進(jìn)行邏輯判斷，然后以GOOSE方式將執(zhí)行結(jié)果告知給開關(guān)對(duì)象的智能終端，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分合操作。

圖1　備自投典型接線

備自投裝置一般具備兩種最基本的自投邏輯：母聯(lián)自投和線路互投。以圖1接線方式為例，其邏輯關(guān)系可分別表示為如圖2和圖3所示的邏輯圖。

圖2母聯(lián)自投邏輯之一

圖1所示是最基本的接線方式，備自投邏輯非常簡單。但是，大多數(shù)變電站都有多條進(jìn)線和多個(gè)母線，備自投邏輯就需要考慮更多的情況，需要保證動(dòng)作后的運(yùn)行方式不會(huì)造成某個(gè)主變超負(fù)荷，也不能使某條母線失壓。而且數(shù)字化備自投的動(dòng)作邏輯可由運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況進(jìn)行設(shè)置，如果邏輯設(shè)置不合理，不但達(dá)不到預(yù)期目的，而且還會(huì)對(duì)備用電源網(wǎng)絡(luò)造成沖擊，甚至和故障網(wǎng)絡(luò)一起崩潰［2-4］。

圖3　線路互投邏輯之一

2　基于動(dòng)態(tài)拓?fù)涞姆抡婕夹g(shù)

電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)各開關(guān)狀態(tài)把各種設(shè)備連接關(guān)系轉(zhuǎn)換成能用于電力系統(tǒng)分析計(jì)算的一種幾何模型。該仿真技術(shù)就是利用該幾何模型，將廠站內(nèi)的一次設(shè)備劃分為多個(gè)連接子系統(tǒng)，并根據(jù)開關(guān)刀閘的開斷狀態(tài)，實(shí)時(shí)分析一次設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)更新連接子系統(tǒng)，以判斷投切邏輯是否合理。

目前常見的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)分析算法有：基于堆棧技術(shù)的深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先搜索算法、基于關(guān)聯(lián)矩陣的幾何劃分算法、面向?qū)ο蟮膯l(fā)式搜索算法。實(shí)際運(yùn)營過程中，電網(wǎng)很少會(huì)出現(xiàn)大面積的狀態(tài)改變，但是局部變化卻是常態(tài)，若每次都重新拓?fù)浞治觯瑒荼卦斐少Y源浪費(fèi)［5］。該仿真技術(shù)初始化數(shù)據(jù)時(shí)采用了深度優(yōu)先搜索算法，獲取一次設(shè)備最初的拓?fù)潢P(guān)系；運(yùn)行過程中，采用面向?qū)ο蟮膯l(fā)式搜索算法，通過開關(guān)狀態(tài)改變觸發(fā)拓?fù)浞治觯M(jìn)行局部修正，利用動(dòng)態(tài)潮流理論對(duì)開關(guān)變化前后的各種量測數(shù)據(jù)（包括母線上的電壓、網(wǎng)絡(luò)中的功率分布以及功率損耗等）做估算。具體做法是：

（1）開關(guān)刀閘狀態(tài)改變，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)拓?fù)?，進(jìn)行局部修正；

（2）獲取廠站下的變壓器列表，并重置所有變壓器的有功、無功、容量為0；

（3）取一個(gè)變壓器，根據(jù)設(shè)備間連接關(guān)系獲取該變壓器下所有的饋線設(shè)備，獲取仿真開始時(shí)刻的饋線負(fù)荷，包括有功和無功；

（4）取變壓器相連的所有饋線有功和無功之和作為當(dāng)前變壓器的總有功P和總無功Q；

（5）利用式（1）計(jì)算得到變壓器的負(fù)載容量S。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，則可判斷：如果在當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)備自投動(dòng)作，是否造成某個(gè)變壓器超容，是否存在某條母線不帶電，據(jù)此分析備自投的邏輯是否合理。依據(jù)該仿真技術(shù)，開發(fā)了基于Sophic數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)字化備自投仿真軟件，并在香港翠伶路變電站進(jìn)行了工程應(yīng)用。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字化備自投仿真軟件如圖4所示，建立在公司統(tǒng)一的Sophic數(shù)據(jù)平臺(tái)之上，可以部署在多種硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)中，可采用分布式部署方案，而且在仿真態(tài)環(huán)境下執(zhí)行，不影響站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)正常功能［6］?？傮w來說，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）基于一個(gè)開放式通用平臺(tái)，符合相關(guān)的國際和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）支持多種硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)，支持跨平臺(tái)二次開發(fā)；

（3）能夠保證數(shù)據(jù)具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性；

（4）采用了分布式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可穩(wěn)定升級(jí)。易于和其他應(yīng)用集成，具有很強(qiáng)的延展性。

圖4　數(shù)字化備自投仿真軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2工作原理

該仿真軟件啟動(dòng)時(shí)采用深度優(yōu)先搜索算法，根據(jù)一次設(shè)備間的連接關(guān)系，結(jié)合開關(guān)狀態(tài)，將一次設(shè)備劃分為多個(gè)子系統(tǒng)。運(yùn)行過程中采用面向?qū)ο蟮膯l(fā)式搜索算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)狀態(tài)的改變，對(duì)相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行局部修正和拓?fù)洹ｉ_關(guān)由合到分時(shí)，原有的一個(gè)子系統(tǒng)分裂為兩個(gè)子系統(tǒng)，并修正子系統(tǒng)中一次設(shè)備的狀態(tài)；開關(guān)由分到合時(shí)，兩個(gè)子系統(tǒng)合并成一個(gè)子系統(tǒng)，并對(duì)該子系統(tǒng)重新拓?fù)?，更新子系統(tǒng)中一次設(shè)備的狀態(tài)。

以圖1的典型接線為例，在雙母分列運(yùn)行情況下，圖中的一次設(shè)備根據(jù)連接關(guān)系分成2個(gè)子系統(tǒng)：

（1）進(jìn)線1、主變1、DL1、母線1、母線1上負(fù)荷；

（2）進(jìn)線2、主變2、DL2、母線2、母線2上負(fù)荷。

此時(shí)，2個(gè)主變分別負(fù)責(zé)提供兩條母線上的負(fù)荷，其出功假設(shè)分別為P1，P2，仿真軟件進(jìn)行模擬時(shí)以開始時(shí)刻的數(shù)據(jù)斷面為基礎(chǔ)，模擬進(jìn)線1失壓和無流的情況，根據(jù)數(shù)字備自投的設(shè)定邏輯，模擬跳開DL1開關(guān)、合上DL3開關(guān)，并觸發(fā)拓?fù)浞治?，?duì)之前的子系統(tǒng)劃分進(jìn)行修正，如下：

（1）進(jìn)線1、主變1；

（2）進(jìn)線2、主變2、DL2、母線2、母線2上負(fù)荷、DL3、母線1、母線1上負(fù)荷。

仿真軟件根據(jù)新的拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算各個(gè)主變需要達(dá)到的總有功P3和總無功Q3，并計(jì)算獲得變壓器的負(fù)載容量為S，若S大于變壓器的額定容量SN，或者某個(gè)有負(fù)荷的母線上沒有輸入功率，則說明備自投的投切邏輯不合理，提醒操作人員修改邏輯定值。

3.3關(guān)鍵技術(shù)及功能實(shí)現(xiàn)

該仿真軟件啟動(dòng)后自動(dòng)讀取備自投裝置上的定值設(shè)置，并以圖表的方式展示當(dāng)前的投切策略。根據(jù)讀取到的投切策略，模擬某條進(jìn)線故障的情況，依次執(zhí)行設(shè)定的投切策略，結(jié)合對(duì)站內(nèi)一次設(shè)備拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)分析，以確認(rèn)變壓器是否會(huì)超負(fù)荷工作，是否會(huì)出現(xiàn)母線空掛的情況，驗(yàn)證邏輯的正確性。數(shù)字化備自投仿真軟件主要功能模塊如下所述。

（1）仿真建模工具。仿真建模工具根據(jù)備自投裝置的操作邏輯搭建相應(yīng)的仿真邏輯，模擬變壓器失電的情況下備自投裝置依次執(zhí)行的開關(guān)分合操作。該仿真邏輯中包括主變狀態(tài)，各進(jìn)線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)的操作模式。同時(shí)，建模工具搭建站內(nèi)的基本接線圖，以圖形化界面設(shè)置各個(gè)一次設(shè)備之間的連接關(guān)系，仿真軟件根據(jù)該連接關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)拓?fù)浞治觯源_認(rèn)備自投邏輯是否合理。

（2）IEC 61850客戶端通信功能?？蛻舳诉M(jìn)程負(fù)責(zé)與變電站內(nèi)的備自投裝置通信，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中通信配置和模型信息，與備自投裝置建立MMS連接，逐個(gè)使能備自投裝置IEC 61850模型的報(bào)告控制塊，接收裝置上送的實(shí)時(shí)報(bào)告數(shù)據(jù)，包括遙測報(bào)告、遙信報(bào)告、保護(hù)動(dòng)作報(bào)告等。同時(shí)，客戶端進(jìn)程可以接收仿真操作模塊發(fā)送的控制命令，把控制命令下發(fā)給備自投裝置，實(shí)現(xiàn)備自投邏輯定值的修改?？蛻舳诉M(jìn)程定時(shí)檢測與裝置的通信情況，在MMS連接發(fā)生中斷時(shí)，能夠自動(dòng)重新建立連接。

（3）仿真事件記錄功能。對(duì)仿真過程中的各種數(shù)字量變位和各種操作進(jìn)行記錄和展示，并對(duì)仿真過程的診斷結(jié)果給出提示，為變電站的運(yùn)行人員提供實(shí)時(shí)報(bào)警服務(wù)，提示運(yùn)行人員進(jìn)行及時(shí)的處理。

（4）仿真操作界面。仿真操作界面是整個(gè)仿真軟件的主體，采用圖形化的界面展示當(dāng)前設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。仿真軟件主界面分成三部分：主接線圖、備自投邏輯窗口和狀態(tài)監(jiān)視窗口，如圖5所示。進(jìn)行仿真操作時(shí)，切換到仿真模式下，主接線圖動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)備自投邏輯執(zhí)行過程中開關(guān)的分合操作過程，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)拓?fù)渲?，顯示一次設(shè)備的帶電狀態(tài)，根據(jù)潮流方向，實(shí)時(shí)展示變壓器的負(fù)荷變化情況，使運(yùn)行人員方便識(shí)別當(dāng)前的備自投邏輯是否合理。對(duì)于不合理的備自投邏輯，運(yùn)行人員可通過該界面修改定值，并通過IEC 61850客戶端下發(fā)到備自投裝置中。

圖5　數(shù)字化備自投仿真軟件主界面

4　工程應(yīng)用

利用該仿真技術(shù)開發(fā)的仿真軟件已應(yīng)用在香港翠伶路變電站，配合自主研發(fā)的數(shù)字化備自投裝置PCS-9651DA-D，實(shí)現(xiàn)了對(duì)備自投裝置的邏輯模擬，能夠驗(yàn)證邏輯是否合理。

香港翠伶路變電站共有3臺(tái)主變，其中TxH3主變?yōu)閭溆茫捎秒p母雙分段的接線方式（如圖5所示）。該站備自投功能啟動(dòng)的觸發(fā)條件是變壓器從系統(tǒng)中切除，因此備自投仿真軟件以變壓器對(duì)象為索引，讀取對(duì)應(yīng)的投切邏輯。投切邏輯中預(yù)合的開關(guān)用“AC”表示，預(yù)分的開關(guān)用“AO”表示，不執(zhí)行操作的開關(guān)用“AOff”表示；退出運(yùn)行的變壓器不需要設(shè)置投切邏輯，其相關(guān)開關(guān)用“Invalid”表示。

仿真軟件執(zhí)行仿真操作時(shí)，其顯示數(shù)據(jù)由實(shí)時(shí)庫切換到仿真庫，并在仿真庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行開關(guān)的分合操作，拓?fù)涑绦蜻M(jìn)行對(duì)應(yīng)的分析和著色，動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)仿真過程，仿真結(jié)束后自動(dòng)切換到實(shí)時(shí)庫，界面展示當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

5　結(jié)束語

針對(duì)數(shù)字化備自投的工作原理提出了基于動(dòng)態(tài)拓?fù)涞臄?shù)字化備自投仿真技術(shù)，并介紹了基于該技術(shù)的仿真軟件的系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理、功能實(shí)現(xiàn)和工程應(yīng)用。經(jīng)香港翠伶路變電站工程驗(yàn)證表明，利用該仿真技術(shù)能夠準(zhǔn)確地判斷出不合理的數(shù)字化備自投邏輯，保證數(shù)字化備自投邏輯的正確性，達(dá)到了預(yù)期目的。

［1］李海星，王政濤，王銳，等.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化備自投功能［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（14）：82-85.

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［6］王艷蓉，陸鑫，林慶農(nóng)，等.新一代電力自動(dòng)化軟件支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.Electric Power IT，2010，8（9）：42-44.

A Digital Spare Power Automatic Switching Simulation Technique Based on Dynamic Topology

ZHANG Junhua，JIN Yanlei，JIN Zhen
（Nanjing Nari-relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

This paper proposes a new simulation technique for digital spare power automatic switching.The technique analyzes the logic of digital spare power automatic switching based on power system dynamic topology.The simulation software based on Sophic platform is developed using the proposed technique.The developed software is deployed in a distributed fashion and is used in the simulation environment which do not affect the normal functions of SCADA.The simulation technique has been applied in Hong Kong Chui Ling Road station，which achieves the expectation.

spare power automatic switching；simulation；topology analysis；sophic platform

TM76

A

1009-0665（2015）05-0051-03

張軍華（1980），男，河南周口人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研發(fā)工作；

金巖磊（1978），男，河南洛陽人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研發(fā)工作；

金震（1977），男，江蘇武進(jìn)人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研發(fā)工作。

2015-04-18；

2015-06-09