羅 偉,王海杰,項 瑛
(國網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心,浙江 杭州 310007)
饋線自動化系統(tǒng)(feeden autonation,F(xiàn)A)作為配電網(wǎng)自動化的核心技術(shù)之一,具有故障診斷、定位、隔離、恢復(fù)非故障區(qū)域供電等功能。傳統(tǒng)的饋線自動化系統(tǒng)分為集中式和就地式2種。FA在應(yīng)用于實際配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)之前,需要在配電網(wǎng)上頻繁地進(jìn)行故障試驗以驗證其算法的正確性。由于在真實的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中進(jìn)行故障試驗較為困難,且不利于配電網(wǎng)的安全運行,因此需要建立一套完備的測試平臺,來驗證FA算法的正確性,確保其在真實配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中正常運行。
國內(nèi)外就饋線自動化測試平臺進(jìn)行了相關(guān)的研究,文獻(xiàn)1研究并建立了饋線自動化仿真測試環(huán)境,該環(huán)境分別仿真了配電系統(tǒng)和饋線終端單元通信,能夠在不同故障下驗證饋線自動化動作邏輯的正確性。文獻(xiàn)2建立了具有智能分布式饋線自動化功能的實時數(shù)字仿真儀(real time digital simulator,RTDS)。該系統(tǒng)能夠驗證和檢測配網(wǎng)架空線的饋線自動化系統(tǒng)在處理不同類型故障時的邏輯功能。饋線自動化測試平臺中,配電終端是不可或缺的組成部分。系統(tǒng)需要利用它獲取配電網(wǎng)節(jié)點處的電壓電流信息以及配電網(wǎng)的故障信息。
目前,饋線自動化系統(tǒng)測試平臺中常用的配電終端多為硬件。文獻(xiàn)3設(shè)計了一款遠(yuǎn)程饋線智能終端單元(FTU),該單元可以選擇不同的運行模式,簡單可靠。文獻(xiàn)4介紹了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端單元(DTU),該單元具有實時性好、性價比高等優(yōu)點。文獻(xiàn)5介紹了一款基于數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP)的配電變壓器遠(yuǎn)方終端單元(TTU)。這些終端單元均需要安裝在配電網(wǎng)的柱上開關(guān)或者環(huán)網(wǎng)柜中,在安裝、管理和維護(hù)上不夠方便,且價格成本較高。因此,建立一套方便、安全以及功能完善的測試平臺具有重要的意義。
利用RTDS仿真環(huán)境建立并運行配電網(wǎng)模型。同時設(shè)計出一款邏輯配電終端,該終端能夠模擬多個配電終端,并能與真實的配電終端協(xié)同使用。研究并分析測試平臺的整體結(jié)構(gòu),將RTDS模擬的配網(wǎng)模型、配電終端與主站系統(tǒng)共同構(gòu)成完整的測試平臺。通過在測試平臺中運行饋線自動化系統(tǒng),并在RTDS中模擬配電網(wǎng)的各種故障。研究平臺配電終端、主站及各模塊通信的運行性能,并通過仿真結(jié)果驗證饋線自動化系統(tǒng)的檢測、定位、隔離故障以及恢復(fù)供電的實現(xiàn)功能。
測試平臺的整體方案設(shè)計如圖1所示,利用RTDS模擬并運行配電網(wǎng)模型,配電終端采集配網(wǎng)模型各開關(guān)處的信息參數(shù),并利用以太網(wǎng)將采集到的信息上送給主站系統(tǒng),形成一條完整的鏈路,從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)整體運行情況的監(jiān)控。主站根據(jù)需求在鏈路中通過配電終端,反向?qū)TDS配電網(wǎng)模型上的開關(guān)狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行改變與控制。RTDS仿真環(huán)境、配電終端、配電自動化主站系統(tǒng)共同構(gòu)成了一個完備的閉環(huán)測試平臺。
圖1 測試平臺的整體方案設(shè)計
RTDS是實時的、數(shù)字的仿真系統(tǒng),它能夠滿足智能配電網(wǎng)對系統(tǒng)的仿真需求。作為真實配電網(wǎng)的替代者,擁有豐富的電路器件模型,能夠?qū)崿F(xiàn)如下幾個功能:
(1) 實現(xiàn)網(wǎng)架模擬,模擬真實的配電網(wǎng),包括架空線路和電纜線路的接線方式;
(2) 模擬真實配電網(wǎng)進(jìn)行仿真運行;
(3) 實現(xiàn)開關(guān)的模擬,模擬開關(guān)的分合、故障、跳閘;
(4) 模擬配電網(wǎng)的各種故障,包括相間短路、金屬接地、高阻接地等故障;
(5) 滿足配網(wǎng)自動化整體測試的要求。
測試平臺中主站采集的配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)和開關(guān)設(shè)備狀態(tài)均來自于配電終端。當(dāng)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)采用分布式FA方案時,配電終端除了實現(xiàn)采集功能外,還需實現(xiàn)對配電網(wǎng)故障檢測、故障定位、故障隔離、恢復(fù)故障區(qū)域等功能。該系統(tǒng)的配電終端由真實配電終端和邏輯配電終端共同構(gòu)成。
主站系統(tǒng)是實現(xiàn)測試平臺的關(guān)鍵點。它能夠通過接口接收配電終端采集到的配電網(wǎng)開關(guān)處的遙測、遙信信息,并且向配電網(wǎng)下發(fā)遙調(diào)與遙控指令。當(dāng)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)采用集中式FA方案時,主站依據(jù)配電終端上傳的故障信息,實現(xiàn)定位故障、隔離故障和恢復(fù)故障區(qū)域等功能。
作為綜合型自動監(jiān)控裝置,配電終端將測量、保護(hù)、監(jiān)控等功能融為一體。為了配合饋線自動化系統(tǒng)的功能測試,需要大量的配網(wǎng)終端接入,而實際在實驗室內(nèi)很難放置安裝大量的終端設(shè)備。因此,提出了一種適用于配網(wǎng)自動化的邏輯配電終端構(gòu)建方法,模擬出大量的智能配電網(wǎng)仿真終端,即邏輯配電終端同真實終端一起,完成數(shù)據(jù)的通信、饋線自動化及其他配網(wǎng)自動化功能測試。
該方法通過智能測試操作臺上安裝的工控機(jī),來實現(xiàn)對系統(tǒng)中任意的FTU/DTU進(jìn)行邏輯模擬。工控機(jī)可以模擬出配電網(wǎng)模型中任意開關(guān)處的FTU/DTU設(shè)備。邏輯FTU/DTU主要由4個模塊組成,各個模塊之間通過轉(zhuǎn)發(fā)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互,如圖2所示。
(1) 子站處理模塊。該模塊實現(xiàn)了RTDS端的接口注冊、接收命令數(shù)據(jù)、處理命令數(shù)據(jù)、采集端RTDS鏈接的超時處理等功能。
(2) 虛擬終端模塊。該模塊實現(xiàn)RTDS模擬配電網(wǎng)中數(shù)據(jù)的整合及分發(fā),構(gòu)建邏輯FTU/DTU數(shù)據(jù)單元,并對數(shù)據(jù)刷新進(jìn)行同步。實現(xiàn)的功能:接收請求,構(gòu)建虛擬終端,建立對應(yīng)的鏈接;鏈接的超時處理、接收數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等。
(3) 主站處理模塊。該模塊用于實現(xiàn)接收用戶的請求、與主站建立對應(yīng)的鏈接、鏈接的超時處理、接收主站數(shù)據(jù)、將邏輯FTU/DTU數(shù)據(jù)單元中的信息轉(zhuǎn)發(fā)至主站等功能。
(4) 日志管理模塊。該模塊記錄軟件在運行過程中的行為和異常情況。
邏輯配電終端內(nèi)部與各模塊之間的通信如圖3所示。
根據(jù)測試平臺的總體設(shè)計可知,通信部分是保障RTDS、配電終端(邏輯配電終端與真實配電終端)以及配電自動化主站之間信息交互的關(guān)鍵,通信設(shè)計分為如下3個部分。
(1) RTDS與配電終端之間的通信設(shè)計。真實的配電終端通過電流放大器、功率放大器、電壓放大器與RTDS上的GTIO板卡的電流、電壓、功率輸出接口相連,實現(xiàn)真實配電終端與RTDS的“四遙”通信,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖2 配電終端結(jié)構(gòu)
圖3 邏輯配電終端內(nèi)部與各模塊之間的通信
圖4 RTDS與配電終端之間的通信結(jié)構(gòu)
邏輯配電終端則利用以太網(wǎng)與RTDS的GTNETx2板卡接口相連接,同時運用RTDS軟件中的104模塊和IEC 60870-5-104協(xié)議(以下簡稱104協(xié)議)實現(xiàn)相互之間“四遙”信號的傳輸。
(2) 配電終端與配電自動化主站之間的通信設(shè)計。配電自動化終端與配電自動化主站之間采用以太網(wǎng)連接,并通過104協(xié)議進(jìn)行“四遙”通信。
配電終端通過RTDS上的板卡采集配電網(wǎng)模型各開關(guān)處的相關(guān)遙測、遙信信息,并將相關(guān)信息傳輸至主站。
配網(wǎng)自動化處于遠(yuǎn)方控制時,主站根據(jù)需求,下發(fā)遙調(diào)或遙控信號給配電終端,配電終端再下發(fā)至配電網(wǎng)模型的相應(yīng)開關(guān)處;當(dāng)處于就地控制時,配電終端直接根據(jù)需要向配電網(wǎng)模型下發(fā)遙控、遙調(diào)信號。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
(3) 邏輯配電終端與真實配電終端之間的通信設(shè)計。邏輯配電終端與真實配電終端之間利用以太網(wǎng)相連,并采用104協(xié)議進(jìn)行相互之間的遙信與遙測信息的傳輸,能有效配合智能分布式饋線自動化的實現(xiàn)。
配電網(wǎng)采用圖6所示的帶互聯(lián)的單環(huán)網(wǎng)接線,S1,S2,S3為3個電源,A,B,C 3個開關(guān)為出口斷路器開關(guān),負(fù)荷開關(guān)負(fù)5、負(fù)8為聯(lián)絡(luò)開關(guān),正常運行時處于分閘狀態(tài)。該拓?fù)鋱D可以模擬電纜環(huán)網(wǎng)、多電源恢復(fù)等故障現(xiàn)象,測試多種故障處理功能。
圖5 配電終端與配電自動化主站之間的通信結(jié)構(gòu)
在該測試平臺中,利用RTDS建立拓?fù)鋱D的配電網(wǎng)仿真模型,采用真實的配電終端采集出口斷路器開關(guān)A、1號環(huán)網(wǎng)柜、2號環(huán)網(wǎng)柜、3號環(huán)網(wǎng)柜和4號環(huán)網(wǎng)柜等開關(guān)處的量;邏輯配電終端采集出口斷路器B、出口斷路器C、5號環(huán)網(wǎng)柜和6號環(huán)網(wǎng)柜等開關(guān)處的量。
對模型進(jìn)行正常狀態(tài)下的仿真運行,并通過在模型上模擬短路故障,觀察相應(yīng)開關(guān)的動作,驗證本測試平臺的性能。針對圖6中的配電網(wǎng)接線,模擬了以下4種故障。
(1) 模擬3號環(huán)網(wǎng)柜與4號環(huán)網(wǎng)柜之間(即負(fù)9—負(fù)11)的電纜永久性過流故障。
(2) 模擬6號環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部的用戶側(cè)永久性過流故障。
(3) 模擬出口斷路器A與1號環(huán)網(wǎng)柜母線(A—負(fù)1之間)永久過流故障,且設(shè)置S3端負(fù)荷小,S2端負(fù)荷大。
(4) 模擬出口斷路器A與1號環(huán)網(wǎng)柜母線(即A—負(fù)1之間)永久過流故障,且設(shè)置S3端負(fù)荷大,S2端負(fù)荷小。
對以上故障位置,若配電網(wǎng)線路上開關(guān)(包括出口斷路器)沒有配置重合閘功能,則只模擬永久故障。若變電站出線開關(guān)配置了重合閘功能,則分別模擬瞬時性故障和永久性故障,用于測試重合閘功能。
除此之外,還模擬了導(dǎo)致啟動變電站出線總后備保護(hù)的異?,F(xiàn)象:傳輸信號失真,包括故障信號誤報、漏報;負(fù)荷開關(guān)拒動、誤動;后備電源故障;通信異常、通信故障等。
利用RTDS上的各模塊,模擬圖6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)模型,該模型包括電源、變壓器、母線、開關(guān)、負(fù)荷及線路等設(shè)備。
在仿真測試過程中,對每個故障點進(jìn)行了2次正常狀態(tài)、8次永久性故障實驗、6次瞬時性故障實驗。對6個故障點共計試驗64次,主要測試邏輯配電終端性能、分布式FA策略性能、主站設(shè)備的性能。
圖6 配電網(wǎng)接線
(1) 邏輯配電終端性能。邏輯配電終端能夠?qū)崟r獲取RTDS遙測信息(包括電壓、電流、功率等量)、遙信信息(開關(guān)狀態(tài)),并向RTDS下發(fā)遙控指令(控制開關(guān)狀態(tài))、遙調(diào)指令(設(shè)置配電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)值)。能夠模擬多個真實配電終端,采集的測點數(shù)超過RTDS最大傳輸限制,邏輯配電終端能夠運行各種FA策略。
(2) 分布式FA策略性能。
故障定位:當(dāng)配電終端采集到一條過流故障信號時,在20 ms內(nèi)繼續(xù)收集相鄰開關(guān)的故障信息,然后判斷出出現(xiàn)故障的區(qū)域。
故障隔離:根據(jù)定位的故障區(qū)域,控制相應(yīng)開關(guān)做出跳閘動作。若在過流信號發(fā)生后的300 ms內(nèi)仍未被處理,則變電站出口斷路器后備保護(hù)跳閘。
故障恢復(fù):對于分布式FA,不需要主站參與故障恢復(fù);對于雙電源配電網(wǎng),當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)出現(xiàn)一側(cè)失壓,且故障不在以聯(lián)絡(luò)開關(guān)為端點的區(qū)域內(nèi),同時接收到出現(xiàn)過流故障區(qū)域開關(guān)發(fā)送來的“跳閘成功”信號,則配電終端對聯(lián)絡(luò)開關(guān)發(fā)出“控合”指令;對于多電源的配電網(wǎng),當(dāng)一側(cè)出現(xiàn)過流故障時,對多個聯(lián)絡(luò)開關(guān),除采用上述邏輯外,還需考慮剩余各端的負(fù)荷大小,將負(fù)荷較小的那一側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)“控合”。
(3) 主站設(shè)備性能。主站能夠?qū)崟r接收到配電終端上傳的遙測值和遙信值。當(dāng)系統(tǒng)采用集中式數(shù)模轉(zhuǎn)換(digital to analog,DA)時,主站能夠根據(jù)配電網(wǎng)上的開關(guān)狀態(tài)、負(fù)荷、過流信號等信息,向配電終端下發(fā)相應(yīng)的指令,達(dá)到系統(tǒng)實現(xiàn)自愈的目的。
提出了一種基于邏輯配電終端的饋線自動化系統(tǒng)測試平臺,該平臺采用RTDS來建立配電網(wǎng)模型,相對于其他平臺,RTDS的模塊更齊全且能實現(xiàn)配電網(wǎng)的運行和模擬故障,真實高效。此平臺采用的邏輯配電終端,能夠模擬多臺真實的配電終端,并且能與真實終端協(xié)同使用,同時邏輯配電終端與RTDS和真實配電終端之間的通信采用104協(xié)議,實時方便。
通過仿真測試可以發(fā)現(xiàn),此平臺通過對配電網(wǎng)各端點處進(jìn)行過流故障模擬,能夠有效檢測配電終端、饋線自動化系統(tǒng)方案、主站設(shè)備的性能。
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