馬雁，許多，石鋒杰，付婷婷，董雪峰

（鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南鄭州，450000）

0 引言

“十四五”提出，將進(jìn)一步加快電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐，加強(qiáng)智能輸電、配電、用電建設(shè)，推動建設(shè)多能互補(bǔ)的智慧能源建設(shè)，以電網(wǎng)的數(shù)字化、智能化建設(shè)，促服務(wù)智慧化，全力提升用戶獲得感。配網(wǎng)自動化是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的重要組成部分，是智能電網(wǎng)的具體體現(xiàn)。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視和控制的自動化系統(tǒng)，具備SCADA、饋線自動化、電網(wǎng)分析應(yīng)用及與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)等功能，主要由配電主站、配電終端、配電子站（可選）和通信通道等部分組成[1～2]。配網(wǎng)自動化地實(shí)施可有效改善供電質(zhì)量，提高供電可靠率；與用戶建立更密切、更負(fù)責(zé)的關(guān)系；極大地提高配電網(wǎng)調(diào)度、生產(chǎn)、運(yùn)行的管理水平；從而為供電企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎配網(wǎng)的安全穩(wěn)定，長期以來配網(wǎng)的建設(shè)未得到應(yīng)有的重視，尤其是設(shè)備技術(shù)性能落后，事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了人民生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。

目前，雖然已有大量學(xué)者開始注意到以提高供電質(zhì)量和供電可靠性為目標(biāo)的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)所面臨著的新技術(shù)挑戰(zhàn)和技術(shù)困難。例如，電網(wǎng)的大量不可控干擾時刻考驗(yàn)著配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主站在不斷變化的擾動環(huán)境中對配網(wǎng)的判斷準(zhǔn)確性和策略可靠性，與子站、終端、通信、開關(guān)設(shè)備、繼電保護(hù)、備用電源等在故障處理過程中的能力[3]。經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)證明近年來國內(nèi)外的重大的電網(wǎng)事故，往往不是因?yàn)槟硞€元件的故障造成的[4]，而是由配網(wǎng)自動化系統(tǒng)在擾動環(huán)境中，從判斷錯誤、策略失誤到某個故障元件引發(fā)的一連串連鎖反應(yīng)。目前國內(nèi)的配電網(wǎng)自動化試點(diǎn)工程已全面鋪開，但就各種配網(wǎng)自動化的運(yùn)行模式、作用等并沒有定論，有關(guān)安全性、可靠性研究工作還需要展開[5～6]。從已經(jīng)投運(yùn)的配網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)場看，各試點(diǎn)現(xiàn)場在投運(yùn)前都沒有很好的測試方法驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性和可靠性[7]。因此，只是實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)采集、故障檢測等基本功能，而封閉了故障判斷、隔離和恢復(fù)，以及其他的高級應(yīng)用功能。因此配網(wǎng)自動化在缺乏仿真手段時缺少了固有的優(yōu)勢，導(dǎo)致實(shí)用化進(jìn)程緩慢。更為嚴(yán)重的是某些配網(wǎng)自動化現(xiàn)場因測試條件不具備而使得配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的大量設(shè)備變成一種擺設(shè)，從而造成很大的浪費(fèi)[8～9]。

綜上所述，建設(shè)配網(wǎng)自動化模擬實(shí)驗(yàn)平臺是非常必要的。用來對系統(tǒng)、設(shè)備等進(jìn)行運(yùn)行前的測試及驗(yàn)證，和新技術(shù)的開發(fā)以保證系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行時的安全性、可靠性，為系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)用化打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1 自動化模擬實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)方案與結(jié)構(gòu)

基于SCADA 數(shù)據(jù)分析的配電網(wǎng)全故障自動化模擬實(shí)驗(yàn)平臺是通過對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)在不同場景下的各種運(yùn)行狀態(tài)的研究，解決現(xiàn)今配網(wǎng)存在的各種技術(shù)問題，特別是現(xiàn)場測試?yán)щy問題，開發(fā)和創(chuàng)造新的技術(shù)成果和設(shè)備，為配網(wǎng)的建設(shè)提供有力支持。

■1.1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)方案

配電網(wǎng)全故障自動化模擬實(shí)驗(yàn)平臺主要建設(shè)主站硬件設(shè)備一套，包括：區(qū)域子站、通信工作站、服務(wù)器、人機(jī)交互工作站等功能于一體，搭建系統(tǒng)運(yùn)行硬件環(huán)境。建設(shè)單網(wǎng)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，與硬件設(shè)備構(gòu)成單機(jī)單網(wǎng)運(yùn)行模式。建設(shè)配電網(wǎng)調(diào)度主站系統(tǒng)一套，配置配電SCADA 軟件、配電高級應(yīng)用軟件，完成配電網(wǎng)調(diào)度SCADA 功能以及配電網(wǎng)高級分析功能。建設(shè)配電網(wǎng)模擬測試臺一臺，模擬三條配電網(wǎng)線路及分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)，并實(shí)現(xiàn)互聯(lián)?？梢阅M配電網(wǎng)故障[10]。建設(shè)配電網(wǎng)柱上開關(guān)終端單元(FTU)12 臺，用于開關(guān)三遙和故障檢測，信息上傳。利用“DATS-1000”主站測試裝置和“DATS-2000”故障同步發(fā)生裝置，來對整個仿真自動化系統(tǒng)做各種運(yùn)行場景、極端環(huán)境，故障狀態(tài)的模擬。該項目方案將具備以下功能：

(1)模擬功能

該系統(tǒng)可模擬配網(wǎng)自動化的正常運(yùn)行方式和故障運(yùn)行方式及故障后的判斷、隔離和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的過程。系統(tǒng)具備配電SCADA 基本功能和配電高級應(yīng)用功能。配電SCADA 系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫存儲、前置通信、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)展現(xiàn)、查詢統(tǒng)計等功能部分，以上各個模塊的有機(jī)結(jié)合，完成了配電網(wǎng)SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等各項功能配電高級應(yīng)用系統(tǒng)完成配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建模、潮流計算、運(yùn)行方式優(yōu)化、故障分析處理、仿真調(diào)度等功能。

(2)試驗(yàn)研究功能

利用本系統(tǒng)，通過對已建配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的模擬搭建及運(yùn)行，可進(jìn)行正常運(yùn)行情況的模擬及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、故障狀態(tài)模擬及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)重構(gòu)演示、實(shí)際配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的優(yōu)化等。

(3)測試功能

本系統(tǒng)可接入不同廠商的配電終端，對其功能進(jìn)行測試，亦可接入不同廠商的主站系統(tǒng)對其進(jìn)行測試。

(4)人員培訓(xùn)功能

系統(tǒng)能完成配電網(wǎng)自動化各類人員的技術(shù)培訓(xùn)，包括線路工作過程的學(xué)習(xí)培訓(xùn)、現(xiàn)場操作與參數(shù)整定培訓(xùn)、接線培訓(xùn)、參數(shù)整定培訓(xùn)、遠(yuǎn)程操作控制培訓(xùn)、故障模擬與排查培訓(xùn)、故障處理培訓(xùn)、各種運(yùn)行方式的模擬運(yùn)行培訓(xùn)等。

■1.2 模擬實(shí)驗(yàn)平臺體系結(jié)構(gòu)

配網(wǎng)自動化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)由FTU、模擬控制臺，區(qū)域子站、主站系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)等部分組成。配網(wǎng)自動化仿真測試平臺可采用目前先進(jìn)的分層分布式可裁剪系統(tǒng)架構(gòu)，分為主站層、區(qū)域子站層和終端設(shè)備層。如圖1 所示。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)平臺體系結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 中配電主站系統(tǒng)和通信子站通過以太網(wǎng)相連，區(qū)域子站與各個終端設(shè)備(FTU)之間可通過以太網(wǎng)或串口進(jìn)行通信。配電主站系統(tǒng)軟件可裝在一臺配置較高的PC 機(jī)上，分別包括前置服務(wù)、實(shí)時數(shù)據(jù)處理服務(wù)、高級應(yīng)用服務(wù)、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫等程序模塊。也可將這些程序服務(wù)安裝在不同的機(jī)器上。配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)的建設(shè)，在體系結(jié)構(gòu)上采用純Windows 平臺。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000，完成系統(tǒng)信息存儲、處理、展現(xiàn)。配電SCADA 系統(tǒng)和高級應(yīng)用系統(tǒng)都采用C/S 軟件模式，保證了系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，和對效率和指標(biāo)的要求。

配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)采用單機(jī)單網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔、易建、易維護(hù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，有效保證工作開展。配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)計上使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，減少了數(shù)據(jù)庫存儲信息的冗余，提高了數(shù)據(jù)庫訪問的效率；在系統(tǒng)模型設(shè)計上，把電網(wǎng)靜態(tài)拓?fù)渥鳛橄到y(tǒng)固有特性進(jìn)行存儲，動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)合開關(guān)狀態(tài)動態(tài)生成，提高了系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ蜆?gòu)建的效率，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上更加合理，便于用戶實(shí)習(xí)、操作。

通信子站由一臺PC 機(jī)或?qū)Ｓ猛ㄐ抛诱窘粨Q機(jī)構(gòu)成。模擬控制臺模擬配電網(wǎng)饋線線路和一次設(shè)備，模擬各條饋線段故障、正常及開關(guān)的分合及指示。模擬控制臺上模擬的一次設(shè)備包括出線開關(guān)、分段開關(guān)或斷路器，以及聯(lián)絡(luò)開關(guān)、饋線段。每個一次設(shè)備與相應(yīng)的FTU 連接進(jìn)行信息傳輸。

2 模擬實(shí)驗(yàn)平臺功能與技術(shù)特性

基于SCADA 數(shù)據(jù)分析的配電網(wǎng)全故障自動化模擬實(shí)驗(yàn)平臺具有配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障檢測與定位、故障隔離、故障恢復(fù)、控制調(diào)節(jié)、事件和告警、事故追憶和重演、實(shí)時計算等多重功能。

(1)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集通訊軟件是配電SCADA 系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對試驗(yàn)室配電子站信息的采集，包括兩部分內(nèi)容：FTU 實(shí)時信息和配電網(wǎng)模擬測試臺產(chǎn)生的故障信息，信息通過檢查、效驗(yàn)，傳送到數(shù)據(jù)處理軟件和高級應(yīng)用軟件進(jìn)行處理，形成實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，供人機(jī)交互工作站及其他系統(tǒng)使用。

數(shù)據(jù)采集方式可為串口和網(wǎng)絡(luò)有兩種，串口支持RS-485、RS-232、RS-422等，網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP、GPRS/CDMA等。采集系統(tǒng)的通信協(xié)議包括IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、MODBUS、GPS 對時等。

(2)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理軟件主要對信息采集子系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、計算、處理生成實(shí)時數(shù)據(jù)庫，提供實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)；對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行比較統(tǒng)計處理，生成歷史數(shù)據(jù)，存入歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，供歷史查詢子系統(tǒng)使用。

高級應(yīng)用軟件讀取歷史數(shù)據(jù)庫存儲網(wǎng)絡(luò)圖模信息，同時接收數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)來的實(shí)時數(shù)據(jù)（YC 信息和YX 信息），構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，建立計算分析模型，處理高級?yīng)用功能，如潮流計算、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、故障處理、負(fù)荷預(yù)測等，把結(jié)果發(fā)送到人機(jī)交互子系統(tǒng)進(jìn)行展現(xiàn)。

(3)故障檢測與定位

故障檢測與定位的目的是根據(jù)配電SCADA 系統(tǒng)收集的故障信息判斷故障發(fā)生的饋線及具體的饋線段，可利用的故障信息主要包括：

①變電站保護(hù)動作信號；

②變電站事故總信號；

③變電站出線斷路器動作信號；

④變電站出線斷路器重合閘信號；

⑤具有保護(hù)功能的饋線開關(guān)保護(hù)動作信號；

⑥具有保護(hù)功能的饋線開關(guān)的動作信號；

⑦故障過流原始信號（A、B、C、3I0、3U0 過流信號）。

根據(jù)變電站保護(hù)和出線斷路器的動作等上述故障信息，首先判斷所發(fā)生的故障是瞬時性故障還是永久性故障。如果出線斷路器重合閘成功，則故障為瞬時性故障，不需要運(yùn)行DA功能；否則為永久性故障，需要進(jìn)入故障檢測與定位功能。由于配電網(wǎng)在運(yùn)行狀態(tài)下通常是輻射狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)或者是處于開環(huán)運(yùn)行的環(huán)網(wǎng)，因此，判斷故障區(qū)段只需根據(jù)饋線沿線各開關(guān)是否流過故障電流就可以了。假設(shè)饋線上出現(xiàn)了故障，顯然故障區(qū)段位于從電源側(cè)到末梢方向最后一個經(jīng)歷了故障電流的開關(guān)和第一個未經(jīng)歷故障電流的開關(guān)之間的區(qū)段。

判斷故障發(fā)生的饋線及具體的饋線段可以通過多種方法來實(shí)現(xiàn)。其中，最常用的方法是啟發(fā)式搜索算法：從饋線首端節(jié)點(diǎn)開始沿閉合開關(guān)執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索，并且根據(jù)饋線段與開關(guān)的關(guān)聯(lián)關(guān)系來找到各饋線段相聯(lián)的開關(guān)，根據(jù)上述的故障檢測、定位原理來進(jìn)行故障位置的判斷。

(4)故障隔離

故障檢測、定位任務(wù)完成后，接下來的工作就是故障的隔離。故障隔離時，首先根據(jù)饋線段與開關(guān)的關(guān)聯(lián)表，搜索出該饋線的邊界開關(guān)，然后針對這些開關(guān)，形成一個故障隔離的方案，并按照這個方案逐個操作故障區(qū)段的邊界開關(guān)，以達(dá)到隔離故障的目的。

(5)故障恢復(fù)

故障隔離后，對那些不存在故障的區(qū)段，應(yīng)該恢復(fù)對它們的供電，這就是要進(jìn)行故障恢復(fù)。故障恢復(fù)的任務(wù)是在不對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)作重大改變并能滿足約束條件的前提下對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，以帶電區(qū)域?yàn)殡娫?，最大限度地恢?fù)對非故障停電區(qū)的供電。

需要恢復(fù)的供電區(qū)段有兩處，即故障區(qū)段的上游區(qū)段恢復(fù)和下游區(qū)段恢復(fù)。其中，上游區(qū)段的恢復(fù)非常簡單，方案也是唯一的，即取出發(fā)生故障的饋線的出線開關(guān)，合上該開關(guān)即可。當(dāng)配電網(wǎng)中多條饋線發(fā)生永久性故障時，只要對每一條饋線合上其出線開關(guān)，即可完成故障區(qū)段上游區(qū)段的恢復(fù)。

(6)控制調(diào)節(jié)

控制調(diào)節(jié)主要是指遠(yuǎn)方控制開關(guān)的開合、改變變壓器的分接頭位置、投切電容器、保護(hù)及重合閘遠(yuǎn)方投停以及保護(hù)定值遠(yuǎn)方設(shè)置等。具體包括如下功能：遙控遙調(diào)操作，閉鎖控制/解鎖功能，保護(hù)定值遠(yuǎn)方設(shè)置，設(shè)備的掛牌/解牌操作等等。

3 模擬實(shí)驗(yàn)平臺測試示例

■3.1 實(shí)訓(xùn)室模擬臺結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)全故障自動化模擬平臺是專為電力系統(tǒng)終端和主站系統(tǒng)對配電線路故障所做出的判斷與處理的模擬測試設(shè)備，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)室要求，它可模擬3 條線路、12 個開關(guān)配電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。外形如圖2 所示。

圖2 模擬測試臺外形

配電網(wǎng)模擬測試臺內(nèi)部開關(guān)連接方式如圖3 所示。

圖3 配電網(wǎng)模擬開關(guān)連接方式

圖4 模擬臺系統(tǒng)接線示意圖

本測試臺內(nèi)部采用繼電器模擬線路開關(guān)，并具有和實(shí)際開關(guān)相類似的電壓互感器和電流互感器，各個線路開關(guān)模擬單元與終端單元用航空插頭連接，所有接線通過接線端子轉(zhuǎn)接，易于教學(xué)過程中根據(jù)需要更改接線模式。終端與設(shè)備的連接用航空插頭，可接于12 個開關(guān)的任一處。

■3.2 擬測試示例

模擬雙電源的配電網(wǎng)接線如圖5 所示。

圖5 饋線故障模擬自動化示意圖

將6 臺FTU 接到 b、c、d、e、f 和g 處，b、c、e、f 和g，狀態(tài)為合，d 狀態(tài)為分。故障發(fā)生器接到B 處。在故障發(fā)生時，只有與b 開關(guān)的FTU 記錄下故障信息，其他處FTU 無故障信息，將上述信息傳至配電主站，經(jīng)計算機(jī)系統(tǒng)分析后確定故障區(qū)段在B 段，供電恢復(fù)方案是跳開b、c 開關(guān)，隔離故障，合上d 開關(guān)，恢復(fù)健全區(qū)段供電，如圖6 所示。

圖6 故障隔離恢復(fù)示意圖

模擬多聯(lián)絡(luò)的配電網(wǎng)接線如圖7 所示。

圖7 饋線故障模擬自動化示意圖

將6 臺FTU 接到 b 、c、d 、e、f 和 i 處，b、c 、f和 i 狀態(tài)為合，d 和e 狀態(tài)為分。故障發(fā)生器接到B 處。模擬故障發(fā)生時，只有與b 開關(guān)的FTU 記錄下故障信息，其他處FTU 無故障信息，將上述信息傳至主站，經(jīng)計算機(jī)系統(tǒng)分析后確定故障區(qū)段在B 段，首先應(yīng)斷開b 、c 開關(guān)。將故障隔離，其次考慮負(fù)荷均衡化，經(jīng)比較電源H 所帶負(fù)荷較輕。故斷開開關(guān)i，閉合開關(guān)e、d,恢復(fù)健全區(qū)段供電，如圖8 所示。

圖8 故障隔離恢復(fù)示意圖

4 結(jié)論

本文首先基于SCADA 數(shù)據(jù)分析的配電網(wǎng)全故障自動化模擬實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)方案，然后對實(shí)訓(xùn)室結(jié)構(gòu)和主要功能進(jìn)行系統(tǒng)闡釋和說明。主要介紹了配電網(wǎng)全故障自動化模擬實(shí)驗(yàn)平臺的SCADA 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障檢測與定位、故障隔離、故障恢復(fù)、控制調(diào)節(jié)、事件和告警、事故追憶和重演、實(shí)時計算等多重功能。最后，結(jié)合實(shí)際模擬測試示例，模擬配電網(wǎng)各種正常運(yùn)行及故障情況的場景，仿真配電網(wǎng)開關(guān)及配網(wǎng)自動化終端的有關(guān)功能，將配電網(wǎng)及開關(guān)、終端的數(shù)據(jù)信息通過通信接口注入被測的配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)，并通過接收主站的遙控命令等互動過程，實(shí)現(xiàn)對主站系統(tǒng)故障處理全過程的交互式測試。解決了配網(wǎng)自動化的現(xiàn)場測試難題，充分發(fā)揮自動化系統(tǒng)供電可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)高效性在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢。