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.中國南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)自動化實(shí)驗(yàn)室,廣州510080)
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)是與用戶互動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。而隨著用電客戶對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)級降低至分鐘級甚至是秒級[7]。而對于城市配電網(wǎng)的重要供電區(qū)域,用戶對供電可靠性的要求更加苛刻,故而具備毫秒級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,利用相鄰配電自動化終端之間的“點(diǎn)對點(diǎn)”對等通信實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)式保護(hù)。目前,國內(nèi)外很多學(xué)者針對智能分布式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),對于采用IEC61850對等通信的智能分布式FA,不同供應(yīng)商終端之間互操作對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)動的有效測試手段,目前國內(nèi)尚未開展智能分布式自動化終端互操作測試。現(xiàn)有智能分布式FA 測試方法現(xiàn)狀如下:
1)參與智能分布式測試的配電自動化終端均來自同一個(gè)供應(yīng)商;
2)現(xiàn)有測試工作主要是在廠內(nèi)或者現(xiàn)場實(shí)施,基于開環(huán)測試思路,借助繼電保護(hù)測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)有測試手段存在以下不足:
1)在廠內(nèi)開展的測試,缺乏典型性網(wǎng)架的配電測試系統(tǒng),測試結(jié)果對于智能分布式自動化終端現(xiàn)場運(yùn)行的指導(dǎo)意義非常有限;
2)在現(xiàn)場開展的測試,自動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)行停電測試,顯著降低了供電可靠性;
3)開環(huán)測試雖然操作方便、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)商智能分布式自動化終端之間的互聯(lián)互通測試,現(xiàn)有測試方法所發(fā)揮的作用極其有限。
針對上述問題,本文基于實(shí)時(shí)數(shù)字電力系統(tǒng)仿真平臺(RT-LAB),研究并提出了適用于大規(guī)模智能分布式自動化終端互操作的硬件在環(huán)(HIL)測試平臺、測試方法和測試方案,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試。
智能分布式技術(shù)要求以毫秒級速度處理線路故障,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)配電終端間對等通信[16]。
將每臺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IED的實(shí)例配置文件(CID),用于定義各IED對外發(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。
目前國內(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)故障檢測邏輯:若本節(jié)點(diǎn)檢測到故障電流,則瞬時(shí)觸發(fā)“節(jié)點(diǎn)故障”GOOSE 信號。
故障切除邏輯:對于非末開關(guān)節(jié)點(diǎn),若本節(jié)點(diǎn)檢測到故障電流,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,則跳開本節(jié)點(diǎn)開關(guān);對于末開關(guān)節(jié)點(diǎn),若本節(jié)點(diǎn)檢測到故障電流,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,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,則跳開本節(jié)點(diǎn)開關(guān),并觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE 信號。
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。
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;同時(shí),相鄰節(jié)點(diǎn)收到該信號則瞬時(shí)跳開該節(jié)點(diǎn)開關(guān),若該節(jié)點(diǎn)未檢測到故障且跳閘成功,則觸發(fā)“故障隔離成功”GOOSE信號。開關(guān)失靈邏輯只檢測一級拒跳。
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,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,則啟動聯(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,但檢測到故障電流時(shí)應(yīng)觸發(fā)“過流閉鎖”GOOSE信號,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,其虛端子如表1所示。
表1 GOOSE輸出虛端子表
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化終端互操作的硬件在環(huán)仿真測試平臺,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)測試平臺示意圖
該平臺主要由實(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,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)動作信號以閉合或斷開模擬斷路器,并將其開關(guān)位置信號反饋回RT-LAB用于控制仿真系統(tǒng)中的斷路器。
工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將所有參與測試的智能分布式配電終端以及后臺控制平臺放在同一個(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。
對于智能分布式配電終端互操作測試,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“語言”。而ICD模型是該語言的“語法結(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別的統(tǒng)一語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試中,重點(diǎn)關(guān)注配電終端的節(jié)點(diǎn)故障檢測邏輯、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、緩動型邏輯、GOOSE信號轉(zhuǎn)發(fā)及信號展寬要求。
為充分檢驗(yàn)不同制造商智能分布式終端之間的互通性,測試方案遵循“不同廠商終端相互錯(cuò)開”的配置原則。
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。
測試算例中,CB21、CB22、CB31、CB32、CB41、CB42、CB33、CB43共8臺 斷 路 器 分別連接8臺待測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)平臺及測試環(huán)境。
本文列舉測試中若干典型的故障隔離及轉(zhuǎn)供復(fù)電測試算例。
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,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,確保CB41和CB42不誤動。
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,聯(lián)絡(luò)開關(guān)CB22啟動供電恢復(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臺配電終端均處于通信異常情況,應(yīng)啟動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)動作、CB31和CB33失壓保護(hù)動作。聯(lián)絡(luò)開關(guān)CB22啟動供電恢復(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
目前國內(nèi)尚未開展智能分布式自動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)文長度及數(shù)據(jù)集DataSet 長度不一致。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信號展寬不同、觸發(fā)該GOOSE 信號的時(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)動作時(shí)限、信號觸發(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。
針對實(shí)際工程中智能分布式自動化終端互操作成功率低且大規(guī)模終端聯(lián)動測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)測試平臺和測試方法,并通過大量的測試案例總結(jié)了不同供應(yīng)商自動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)仿真測試平臺開展互聯(lián)互操測試,顯著減少了現(xiàn)場測試的工作量,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)場投運(yùn)前解決潛在的問題,為智能分布式現(xiàn)場測試及落地投運(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。