韓博文，宋旭東，陳小軍，顧博川，江俊鵬，高新華

（1.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣州510080；2.中國(guó)南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，廣州510080）

0前言

配電網(wǎng)是連接輸電網(wǎng)與用電客戶的關(guān)鍵最后“一公里”，直接影響客戶的用電體驗(yàn)。因此，在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，智能配電網(wǎng)是與用戶互動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。而隨著用電客戶對(duì)供電可靠性及供電質(zhì)量要求的不斷提高，具有快速自愈功能的智能配電網(wǎng)受到了廣泛的重視和關(guān)注[3-4]。

在學(xué)術(shù)界中，配電網(wǎng)自愈功能被普遍定義為配電網(wǎng)具有自我感知、自我診斷、自我決策、自我恢復(fù)的能力[5-6]；而在工程界中，現(xiàn)階段的配電網(wǎng)自愈技術(shù)依賴于饋線自動(dòng)化（Feeder Automation, FA）技術(shù)。FA 系統(tǒng)是智能配電網(wǎng)的重要組成部分，具有快速定位、隔離故障并轉(zhuǎn)供復(fù)電的特點(diǎn)，使故障停電時(shí)間從小時(shí)級(jí)降低至分鐘級(jí)甚至是秒級(jí)[7]。而對(duì)于城市配電網(wǎng)的重要供電區(qū)域，用戶對(duì)供電可靠性的要求更加苛刻，故而具備毫秒級(jí)故障定位與隔離功能的智能分布式FA 技術(shù)逐漸得到了重視[8]。

智能分布式FA 是一種新型的就地型FA，利用相鄰配電自動(dòng)化終端之間的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”對(duì)等通信實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)式保護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)智能分布式FA 技術(shù)開展了大量的理論研究，并提出了基于IEC 61850的不同實(shí)現(xiàn)策略[9-15]。但是，上述策略在實(shí)際工程中普遍缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)于采用IEC61850對(duì)等通信的智能分布式FA，不同供應(yīng)商終端之間互操作對(duì)通信模型和功能邏輯的一致性要求非常高，導(dǎo)致實(shí)際工程中互操作成功率非常低，這也成為推廣智能分布式技術(shù)的最大技術(shù)障礙。

然而，由于缺乏大規(guī)模終端聯(lián)動(dòng)的有效測(cè)試手段，目前國(guó)內(nèi)尚未開展智能分布式自動(dòng)化終端互操作測(cè)試?，F(xiàn)有智能分布式FA 測(cè)試方法現(xiàn)狀如下：

1）參與智能分布式測(cè)試的配電自動(dòng)化終端均來自同一個(gè)供應(yīng)商；

2）現(xiàn)有測(cè)試工作主要是在廠內(nèi)或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，基于開環(huán)測(cè)試思路，借助繼電保護(hù)測(cè)試儀施加不同的電壓電流量以模擬故障。

上述情況可知，現(xiàn)有測(cè)試手段存在以下不足：

1）在廠內(nèi)開展的測(cè)試，缺乏典型性網(wǎng)架的配電測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果對(duì)于智能分布式自動(dòng)化終端現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的指導(dǎo)意義非常有限；

2）在現(xiàn)場(chǎng)開展的測(cè)試，自動(dòng)化終端通常分布在不同地點(diǎn)的配電房中，相距數(shù)公里，不便于挖掘、分析和解決智能分布式自動(dòng)化終端之間的配合問題，工作效率低，特定情況下甚至需退出一次設(shè)備以進(jìn)行停電測(cè)試，顯著降低了供電可靠性；

3）開環(huán)測(cè)試雖然操作方便、容易實(shí)現(xiàn)，但無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，不能將終端的邏輯判斷結(jié)果反饋回電網(wǎng)，導(dǎo)致終端的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性無法得到有效檢驗(yàn)；

4）無法實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商智能分布式自動(dòng)化終端之間的互聯(lián)互通測(cè)試，現(xiàn)有測(cè)試方法所發(fā)揮的作用極其有限。

針對(duì)上述問題，本文基于實(shí)時(shí)數(shù)字電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)（RT-LAB），研究并提出了適用于大規(guī)模智能分布式自動(dòng)化終端互操作的硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試平臺(tái)、測(cè)試方法和測(cè)試方案，該成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于廣東電網(wǎng)智能分布式終端互操作測(cè)試。

1智能分布式技術(shù)

1.1通信要求

智能分布式技術(shù)要求以毫秒級(jí)速度處理線路故障，因此通常以光纖通道作為信息傳播載體，并基于IEC61850的通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE)高速網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)配電終端間對(duì)等通信[16]。

將每臺(tái)配置智能分布式功能的配電終端定義為一個(gè)智能電子設(shè)備(IED)。不同廠商的IED能力描述文件(ICD)應(yīng)采用統(tǒng)一模板。集成商根據(jù)饋線實(shí)際靜態(tài)拓?fù)潢P(guān)系以及各IED的ICD模型，生成全站系統(tǒng)配置文件(SCD)，并由SCD文件配置生成每臺(tái)IED的實(shí)例配置文件(CID)，用于定義各IED對(duì)外發(fā)送的GOOSEOUT 數(shù)據(jù)信息以及所接收的GOOSEIN 數(shù)據(jù)信息。

圖1智能分布式相鄰節(jié)點(diǎn)關(guān)系

若一條饋線上開關(guān)A 與開關(guān)B之間的路徑上無其他開關(guān)，則A 與B 是相鄰的。以圖1 為例，開關(guān)CB的M側(cè)區(qū)域的相鄰開關(guān)為M 1、M 2和M 3，N 側(cè)區(qū)域的相鄰開關(guān)為N1。

智能分布式通信網(wǎng)絡(luò)中，相鄰終端相互發(fā)布/訂閱。GOOSE 發(fā)送機(jī)制依據(jù)IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，并以組播方式發(fā)布信息，兩側(cè)的相鄰配電終端以單幀確認(rèn)機(jī)制訂閱GOOSE報(bào)文。

1.2功能邏輯

目前國(guó)內(nèi)大部分配電網(wǎng)架都是采用“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行”的模式，因此本文只針對(duì)開環(huán)運(yùn)行的配電線路提出智能分布式邏輯。

在參與智能分布式的節(jié)點(diǎn)中，將所有節(jié)點(diǎn)分為首開關(guān)、末開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、其他分段開關(guān)。首開關(guān)是指與變電站出線開關(guān)連接的第一個(gè)分段開關(guān)；末開關(guān)是指配置智能分布式功能的最末端開關(guān)。

本節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)邏輯：若本節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到故障電流，則瞬時(shí)觸發(fā)“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE 信號(hào)。

故障切除邏輯：對(duì)于非末開關(guān)節(jié)點(diǎn)，若本節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到故障電流，M側(cè)和N 側(cè)節(jié)點(diǎn)中有且只有一側(cè)的節(jié)點(diǎn)均未發(fā)出“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE信號(hào)，則跳開本節(jié)點(diǎn)開關(guān)；對(duì)于末開關(guān)節(jié)點(diǎn)，若本節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到故障電流，且收到M側(cè)和N 側(cè)任一節(jié)點(diǎn)的“節(jié)點(diǎn)故障”信號(hào)，則跳開本節(jié)點(diǎn)開關(guān)。

故障隔離邏輯：若本節(jié)點(diǎn)未檢測(cè)到故障，且收到M側(cè)或N側(cè)有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE信號(hào)，則跳開本節(jié)點(diǎn)開關(guān)，并觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE 信號(hào)。

首開關(guān)失壓保護(hù)邏輯：若首開關(guān)兩側(cè)均無壓且該節(jié)點(diǎn)無流，則跳開首開關(guān)，并觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE輸出信號(hào)。

開關(guān)失靈聯(lián)跳邏輯：若開關(guān)拒跳，則觸發(fā)“開關(guān)拒跳”GOOSE 信號(hào)；同時(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)收到該信號(hào)則瞬時(shí)跳開該節(jié)點(diǎn)開關(guān)，若該節(jié)點(diǎn)未檢測(cè)到故障且跳閘成功，則觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE信號(hào)。開關(guān)失靈邏輯只檢測(cè)一級(jí)拒跳。

GOOSE 通信異常的故障切除與隔離邏輯：通信異常時(shí)自動(dòng)投入通信異常過流保護(hù)和通信異常失壓保護(hù)，分別用于切除故障和隔離故障。

供電恢復(fù)邏輯：故障隔離成功后，各節(jié)點(diǎn)向兩側(cè)依次轉(zhuǎn)發(fā)“故障隔離成功”GOOSE 信號(hào)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)若單側(cè)失壓且收到“故障隔離成功”GOOSE信號(hào)，則啟動(dòng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘，完成轉(zhuǎn)供電過程。

饋線開關(guān)故障切除邏輯：饋線開關(guān)節(jié)點(diǎn)不參與智能分布式時(shí)，無需訂閱GOOSE報(bào)文，但檢測(cè)到故障電流時(shí)應(yīng)觸發(fā)“過流閉鎖”GOOSE信號(hào)，并跳開饋線開關(guān)。

根據(jù)上述的智能分布式功能邏輯，共涉及4個(gè)GOOSE 輸出信號(hào)，其虛端子如表1所示。

表1 GOOSE輸出虛端子表

2測(cè)試平臺(tái)

基于實(shí)時(shí)數(shù)字電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，搭建了一個(gè)適用于智能分布式自動(dòng)化終端互操作的硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示。

圖2基于實(shí)時(shí)數(shù)字電力系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)示意圖

該平臺(tái)主要由實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RT-LAB、輸入輸出I/O 板卡及其接口模塊、實(shí)時(shí)功率放大器、智能分布式配電終端、模擬斷路器、工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成。

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RT-LAB由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)基于MATLAB/Simulink仿真軟件，搭建配電網(wǎng)仿真模型，用于模擬電力系統(tǒng)一次部分；下位機(jī)采用分核并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，輸出配電終端所需的電氣量，并接收模擬斷路器位置信號(hào)，實(shí)時(shí)控制仿真系統(tǒng)中的斷路器。

I/O 板卡包含4 種類型，即模擬量輸出(AO)、模擬量輸入(AI)、數(shù)字量輸出(DO)、數(shù)字量輸入(DI)。其中，AO轉(zhuǎn)換器將仿真系統(tǒng)中的電壓電流數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量，輸出小信號(hào)模擬量；DI轉(zhuǎn)換器將反映模擬斷路器位置狀態(tài)的電信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字量。

I/O接口模塊是連接RT-LAB與外部硬件設(shè)備的“橋梁”。在該平臺(tái)中，I/O接口模塊扮演RT-LAB與功率放大器之間、RT-LAB與模擬斷路器之間的接口角色。

模擬斷路器分別與配電終端和RT-LAB連接，接收配電終端輸出的開關(guān)動(dòng)作信號(hào)以閉合或斷開模擬斷路器，并將其開關(guān)位置信號(hào)反饋回RT-LAB用于控制仿真系統(tǒng)中的斷路器。

工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將所有參與測(cè)試的智能分布式配電終端以及后臺(tái)控制平臺(tái)放在同一個(gè)局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)通信層面的互通。根據(jù)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置配電終端之間的發(fā)布與訂閱關(guān)系。

3測(cè)試方案

對(duì)于智能分布式配電終端互操作測(cè)試，主要內(nèi)容涵蓋兩大方面，即IEC61850通信規(guī)約一致性和智能分布式邏輯功能正確性。

通信規(guī)約方面，重點(diǎn)檢測(cè)IEC61850的ICD建模、GOOSE發(fā)送與接收機(jī)制；智能分布式邏輯方面，重點(diǎn)檢測(cè)首開關(guān)、末開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、普通分段開關(guān)、饋線開關(guān)等不同角色開關(guān)的功能邏輯，以及開關(guān)拒跳和通信異常等非正常情況的處理方式。

在基于GOOSE對(duì)等通信的智能分布式技術(shù)中，GOOSE通信是實(shí)現(xiàn)配電終端之間“發(fā)布/訂閱”的重要方式，是相鄰終端間傳遞信息的重要載體。配電終端是“個(gè)體”、智能分布式邏輯是配電終端的“大腦”、GOOSE 是配電終端間交流溝通的“語(yǔ)言”。而ICD模型是該語(yǔ)言的“語(yǔ)法結(jié)構(gòu)”，GOOSE發(fā)送與接收機(jī)制則是終端之間的溝通方式。不同廠商配電終端進(jìn)行互操作的基本前提是終端之間必須使用彼此能夠識(shí)別的統(tǒng)一語(yǔ)言來傳遞自身的信息。

作為配電終端的“大腦”，智能分布式邏輯是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障定位、故障切除、故障隔離、轉(zhuǎn)供復(fù)電的核心。在智能分布式邏輯測(cè)試中，重點(diǎn)關(guān)注配電終端的節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)邏輯、故障切除邏輯、故障隔離邏輯、首開關(guān)失壓保護(hù)邏輯、末開關(guān)故障切除邏輯、饋線開關(guān)故障切除邏輯、開關(guān)失靈聯(lián)跳邏輯、GOOSE 通信異常的故障切除與隔離邏輯、供電恢復(fù)邏輯、緩動(dòng)型邏輯、GOOSE信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)及信號(hào)展寬要求。

為充分檢驗(yàn)不同制造商智能分布式終端之間的互通性，測(cè)試方案遵循“不同廠商終端相互錯(cuò)開”的配置原則。

4實(shí)例分析

4.1測(cè)試環(huán)境

基于RTLAB/Simulink 建立了一個(gè)10 kV單環(huán)配電網(wǎng)仿真模型，如圖3所示。

圖3 10 kV單環(huán)配電網(wǎng)示意圖

圖3中，黑色實(shí)心表示開關(guān)閉合，空心方形表示開關(guān)分閘。Grid_1和Grid_2為不同方向的供電電源；Sub_CB1和Sub_CB2為2臺(tái)變電站出口斷路器；RMU1-RMU4為4個(gè)環(huán)網(wǎng)柜；

CB11、CB12、CB21、CB31、CB32、CB41、CB42為環(huán)網(wǎng)柜的環(huán)進(jìn)環(huán)出開關(guān)；CB22為聯(lián)絡(luò)開關(guān)；CB13、CB23、CB33、CB43為饋線開關(guān)；Line_1-Line_5為分段線路；Feeder_1-Feeder_4為負(fù)荷饋線。上述所有開關(guān)均為斷路器。

測(cè)試算例中，CB21、CB22、CB31、CB32、CB41、CB42、CB33、CB43共8臺(tái) 斷 路 器 分別連接8臺(tái)待測(cè)智能分布式配電終端。CB22為聯(lián)絡(luò)開關(guān)；CB21、CB42為首開關(guān)；CB31、CB32、CB41 為普通分段開關(guān)；CB33 為末開關(guān)；CB43為饋線開關(guān)。配電終端來自4個(gè)供貨廠商，其中CB21和CB32來自廠商A、CB22和CB41 來自廠商B、CB31和CB43 來自廠商C、CB33和CB42來自廠商D。

根據(jù)圖2搭建了基于實(shí)時(shí)數(shù)字電力系統(tǒng)的閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)試環(huán)境。

4.2測(cè)試效果

本文列舉測(cè)試中若干典型的故障隔離及轉(zhuǎn)供復(fù)電測(cè)試算例。

1）一般故障的處理過程如圖4所示。線路Line_4發(fā)生故障，CB41和CB32分別啟動(dòng)故障切除邏輯和故障隔離邏輯跳閘，聯(lián)絡(luò)開關(guān)CB22啟動(dòng)供電恢復(fù)邏輯合閘完成轉(zhuǎn)供復(fù)電。

圖4線路Line_4故障的轉(zhuǎn)供電過程

2）末開關(guān)下游發(fā)生故障的處理過程如圖5所示。負(fù)荷饋線Feeder_3發(fā)生故障，末開關(guān)CB33切除故障，但無需觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE信號(hào)，因而聯(lián)絡(luò)開關(guān)CB22不合閘。

圖5末開關(guān)下游故障情況下的故障處理過程

3）饋線開關(guān)下游發(fā)生故障的處理過程如圖6所示。負(fù)荷饋線Feeder_4發(fā)生故障，饋線開關(guān)CB43切除故障，并觸發(fā)“過流閉鎖”GOOSE信號(hào)，確保CB41和CB42不誤動(dòng)。

圖6饋線開關(guān)下游故障情況下的故障處理過程

4）開關(guān)失靈異常情況下的轉(zhuǎn)供電過程如圖7所示。線路Line_4發(fā)生故障，CB32和CB41開關(guān)失靈拒跳，鄰側(cè)開關(guān)CB42切除故障，鄰側(cè)開關(guān)CB31、CB33隔離故障，CB31觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE 信號(hào)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)CB22啟動(dòng)供電恢復(fù)邏輯合閘完成轉(zhuǎn)供復(fù)電。

圖7開關(guān)失靈異常情況下的故障處理過程

5）GOOSE 通信異常的故障切除與隔離邏輯轉(zhuǎn)供電過程如圖8所示。環(huán)網(wǎng)柜母線RMU3發(fā)生故障，斷開CB33配電終端與交換機(jī)連接的網(wǎng)線。在此情況下，CB31與CB33之間、CB32與CB33之間通信異常，即3臺(tái)配電終端均處于通信異常情況，應(yīng)啟動(dòng)GOOSE通信異常的故障切除（過流保護(hù)）與隔離邏輯（失壓保護(hù)）。圖8中，CB32過流保護(hù)動(dòng)作、CB31和CB33失壓保護(hù)動(dòng)作。聯(lián)絡(luò)開關(guān)CB22啟動(dòng)供電恢復(fù)邏輯完成轉(zhuǎn)供復(fù)電。

圖8 GOOSE通信異常情況下的轉(zhuǎn)供電過程

4.3問題分析

目前國(guó)內(nèi)尚未開展智能分布式自動(dòng)化終端互操作的相關(guān)工作，不同廠商終端在相互配合中暴露出各種問題，關(guān)鍵問題總結(jié)如下。

1）通信方面。ICD模型文件一致性校驗(yàn)存在問題，不同廠商終端無法相互識(shí)別和兼容，SCD組態(tài)過程中部分廠商配置工具不可解析其他廠商ICD模型文件，導(dǎo)致SCD組態(tài)不成功。實(shí)例化模型文件部分字符串（如GOCBRef、DataSetRef、GOID等）不一致導(dǎo)致通信異常。不同廠商發(fā)送的GOOSE 報(bào)文存在差異，如StNum、SqNum、GOOSEpdU 報(bào)文長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)集DataSet 長(zhǎng)度不一致。GOOSE 接收和發(fā)送機(jī)制沒有統(tǒng)一。

2）邏輯方面。GOOSE 信號(hào)展寬不一致導(dǎo)致邏輯功能誤觸發(fā)，如“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE信號(hào)展寬不同、觸發(fā)該GOOSE 信號(hào)的時(shí)刻不一致。各類功能邏輯在實(shí)現(xiàn)上存在差異，如開關(guān)動(dòng)作時(shí)限、信號(hào)觸發(fā)時(shí)限、開關(guān)拒跳、饋線開關(guān)邏輯等。

上述問題的根本原因在于智能分布式互操作對(duì)通信模型和功能邏輯的一致性要求非常苛刻，而目前缺乏詳細(xì)統(tǒng)一明確的智能分布式技術(shù)實(shí)施規(guī)范，導(dǎo)致廠商在研發(fā)中存在技術(shù)差異，而涉及相互配合的技術(shù)差異則成為影響互聯(lián)互通的核心因素。

5結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)際工程中智能分布式自動(dòng)化終端互操作成功率低且大規(guī)模終端聯(lián)動(dòng)測(cè)試有效手段缺乏的問題，本文提出了基于RT-LAB/Simulink的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試方法，并通過大量的測(cè)試案例總結(jié)了不同供應(yīng)商自動(dòng)化終端在互操作中所暴露出的關(guān)鍵問題。

基于物理-數(shù)字的半實(shí)物閉環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)開展互聯(lián)互操測(cè)試，顯著減少了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的工作量，且不影響一次系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，基于該平臺(tái)便于發(fā)掘和分析智能分布式互操作問題，有利于在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)前解決潛在的問題，為智能分布式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及落地投運(yùn)等工作的順利開展掃除了技術(shù)障礙，為智能分布式自愈的推廣應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。