基于圖模組態(tài)場景的配電網(wǎng)仿真測試方法及其應(yīng)用

潘 鵬， 薛大立，鄭 圣

（國網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司 ，浙江 溫州 325000）

基于圖模組態(tài)場景的配電網(wǎng)仿真測試方法及其應(yīng)用

潘 鵬， 薛大立，鄭 圣

（國網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司 ，浙江 溫州 325000）

基于IEC 61970/61968標(biāo)準(zhǔn)建立配電網(wǎng)模型，通過友好的圖形界面交互，進(jìn)行正常態(tài)和故障態(tài)下配電網(wǎng)的模擬仿真。以計劃表進(jìn)行故障和異常場景的重現(xiàn)，以應(yīng)用池作為各種場景的組態(tài)，利用配電網(wǎng)仿真場景技術(shù)對配電網(wǎng)自動化主站進(jìn)行測試，并在溫州供電公司配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)建設(shè)中進(jìn)行了實際測試應(yīng)用。

配電網(wǎng)自動化；三相不平衡潮流計算；公共信息模型；配電網(wǎng)仿真；場景組態(tài)

隨著溫州供電公司配電網(wǎng)（以下簡稱配網(wǎng)）自動化主站系統(tǒng)SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）等功能的建設(shè)完成，配網(wǎng)二次廠站設(shè)備的逐步接入，對配網(wǎng)自動化系統(tǒng)整體工作能力的有效性提出了新的挑戰(zhàn)。自動化廠站設(shè)備的安裝旨在提升電網(wǎng)自動化水平，進(jìn)而提升電網(wǎng)可靠性。結(jié)合目前實際情況，對于自動化廠站設(shè)備的安裝能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，尚缺乏有效的衡量手段。在現(xiàn)實配網(wǎng)中，很難重現(xiàn)一個指定類型的故障，而模擬復(fù)雜的多重故障或者按一系列時序發(fā)生的故障則更難，而這些對于測試配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)的故障處理能力具有重要意義。

1 配網(wǎng)仿真測試系統(tǒng)實現(xiàn)原理

目前基于配網(wǎng)的IEC 61968標(biāo)準(zhǔn)的交互在國內(nèi)應(yīng)用越來越成熟，以源端數(shù)據(jù)唯一、全局?jǐn)?shù)據(jù)共享為出發(fā)點，采用從PMS（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）建模，通過CIM/SVG（公共信息模型/可擴(kuò)展矢量圖形）生成模型和圖形文件，并導(dǎo)出至SCADA和主站測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)2個系統(tǒng)圖模的完全一致。通過建立二次廠站設(shè)備模型，利用潮流、短路等配網(wǎng)仿真技術(shù)來模擬配網(wǎng)實際運(yùn)行狀態(tài)，通過規(guī)約實現(xiàn)與主站系統(tǒng)的通信功能，可以驗證自動化廠站的安裝是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。仿真測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 建立配網(wǎng)模型

可以通過圖形化交互方式建立配網(wǎng)模型，也可以采用符合IEC 61970/61968標(biāo)準(zhǔn)的CIM/SVG數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式建立配網(wǎng)模型。整個建模過程以建模準(zhǔn)確、模型完整、過程簡便高效為目的。使用基于IEC 61968/61970標(biāo)準(zhǔn)的集成配網(wǎng)信息交換總線，從配網(wǎng)GIS系統(tǒng)獲取IEC 61970 CIM標(biāo)準(zhǔn)模型,按照電力系統(tǒng)資源的層次結(jié)構(gòu)和設(shè)備分類來建立電網(wǎng)物理模型。建立電網(wǎng)模型時，可實現(xiàn)配網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)所有單饋線以聯(lián)絡(luò)開關(guān)為分界的模型數(shù)據(jù)拼接。

在電網(wǎng)模型建立過程中，除了建立電網(wǎng)層次模型外，還要錄入饋線設(shè)備參數(shù)，包括斷路器型號、線纜類型與長度、配電變壓器類型與容量等。這些參數(shù)的準(zhǔn)確錄入，是進(jìn)行配網(wǎng)仿真的基礎(chǔ)。參照IEC 61970 CIM標(biāo)準(zhǔn)模型，將電力設(shè)備按照層次結(jié)構(gòu)分成若干個類。一個設(shè)備對應(yīng)CIM模型中的一個類對象，通過將電網(wǎng)內(nèi)所有電力設(shè)備對象化，不同設(shè)備具有不同屬性、操作方法和行為。饋線拓?fù)湓O(shè)備包括架空線、電纜、電纜接頭、開關(guān)（含出線開關(guān)、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)）、電容器、調(diào)壓器、變壓器、等效負(fù)荷、等效電源、母線、桿塔（作為拓?fù)涔?jié)點），通過建立模型將電力設(shè)備抽象為具體的設(shè)備對象，以拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)組織這些設(shè)備對象，以設(shè)備間的連接關(guān)系展現(xiàn)電力設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)系。

建立配網(wǎng)一次模型后，通過圖形化方式建立二次設(shè)備模型，并通過選中圖中二次設(shè)備模型FTU/TTU（饋線終端設(shè)備/配變終端設(shè)備）和開關(guān)/負(fù)荷建立關(guān)聯(lián)，錄入站地址、IP地址、端口號、規(guī)約類型、規(guī)約廠家、開關(guān)的過流定值、過流持續(xù)時間、遙測、遙信、遙控點號等參數(shù)，形成一個圖模一體化的工程文件。

3 配網(wǎng)仿真測試

完成配網(wǎng)建模后，為了將配網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和建模狀態(tài)有效區(qū)分開，可采用配網(wǎng)運(yùn)行仿真態(tài)來模擬配網(wǎng)的運(yùn)行過程。在運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)各個負(fù)荷按照負(fù)荷曲線在線路中產(chǎn)生能量流，F(xiàn)TU/ TTU等設(shè)備采集負(fù)荷及開關(guān)等實時運(yùn)行量并按照配置將量測量上送到配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)。在仿真狀態(tài)下，所建立的配網(wǎng)是一個活的電網(wǎng)，電網(wǎng)中所有參與的元件按照既定規(guī)則運(yùn)行著，各個元件的運(yùn)行狀況與實際電網(wǎng)相符。

為了達(dá)到配網(wǎng)仿真計算效果，選取三相不平衡潮流進(jìn)行計算。在設(shè)計時考慮到運(yùn)行計算的速度，在對初始配網(wǎng)進(jìn)行模型簡化和降階處理的基礎(chǔ)上采用基本的“前推-回代”方法，保證了系統(tǒng)潮流計算的高效性。

由于傳統(tǒng)的“前推－回代”方法中沒有考慮環(huán)形網(wǎng)絡(luò)、故障情況下潮流分步、多電壓等級等問題，所以采用“補(bǔ)償矩陣”的方法加以解決，使得基于“前推－回代”的潮流計算完全能適應(yīng)現(xiàn)實中任意結(jié)構(gòu)的配網(wǎng)，保證了基礎(chǔ)分析的高效、精確和普遍適應(yīng)性。

4 圖模組態(tài)場景

配網(wǎng)自動化是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括廠站設(shè)備、通信系統(tǒng)、主站軟件等，其中廠站設(shè)備是配網(wǎng)自動化的前端，廠站設(shè)備采集的信息能否被主站軟件順利處理直接決定了配網(wǎng)自動化成功與否。為了模擬現(xiàn)實場景，采用圖模的方式來模擬FTU/TTU/DTU（開閉所終端設(shè)備）等廠站設(shè)備，并將FTU與開關(guān)、TTU與負(fù)荷進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時實現(xiàn)相關(guān)的保護(hù)邏輯動作和信號，如開關(guān)過流會產(chǎn)生過流保護(hù)信號，超過了閥值會跳閘等。

為了重現(xiàn)配網(wǎng)運(yùn)行過程中的各種故障現(xiàn)象和非健全信息，考慮到靈活性，采用按類型劃分現(xiàn)象，將單種情況計入計劃表，然后再將計劃表中各種故障情況投入到應(yīng)用池中來進(jìn)行各種場景的組合和重現(xiàn)。計劃表中包括故障、開關(guān)、RTU、遙測、遙信5種類型，能夠設(shè)置故障的地點、發(fā)生時間和持續(xù)時間。故障類型可以模擬產(chǎn)生單相、多相、短路、接地故障，開關(guān)類型可以模擬產(chǎn)生拒動操作，RTU類型可以模擬報文丟失和校驗錯誤，遙測類型可以對遙測量產(chǎn)生（k，b）系數(shù)的校正、漸變和無效，遙信類可以對遙信量產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)、置位和無效的設(shè)置。通過將這些故障或者非健全信息組合投入到應(yīng)用池中，然后按照固定時序逐個觸發(fā)這些場景，在發(fā)生故障時系統(tǒng)中配網(wǎng)模型的各個元件能夠根據(jù)故障電流及過流閥值進(jìn)行動作，完成故障的切除等工作。在故障發(fā)生及切除的過程中，所有元件（比如開關(guān)）的信息都會實時上送到配網(wǎng)自動化主站。靈活地組建各種場景，就能模擬各種配網(wǎng)故障和異常現(xiàn)象。

5 應(yīng)用實例

在對溫州供電公司配網(wǎng)自動化主站的測試中，進(jìn)行了幾類典型場景的模擬。在測試平臺中設(shè)置典型的故障及發(fā)生時序，系統(tǒng)會按照預(yù)定的計劃發(fā)生相應(yīng)的事件，并向主站發(fā)出SOE（事件順序）等各類信息。

在圖2所示電纜線路中，DATS-2000配網(wǎng)故障測試裝置分別接入溫西變10 kV出線保護(hù)、1號環(huán)網(wǎng)柜A1和A2及出線B1的DTU上，模擬測試以下故障類型的場景：

（1）模擬電纜線路干線故障。故障點設(shè)置在A2-A3之間，在S1，A1和A2處加入故障信號，模擬正常負(fù)荷，并按方案同步注入過電流信號；查驗并記錄系統(tǒng)的故障處理過程。

（2）模擬環(huán)網(wǎng)柜母線故障。故障點設(shè)置在1號環(huán)網(wǎng)柜母線A1和A2之間，在S1和A1處加入故障信號，模擬正常負(fù)荷，并按預(yù)訂方案同步發(fā)生過電流；查驗并記錄系統(tǒng)的故障處理過程。

（3）模擬環(huán)網(wǎng)柜出線故障。故障點設(shè)置在1號環(huán)網(wǎng)柜B1下游側(cè)，在S1，A1和B1處加入故障信號，模擬正常負(fù)荷并注入過電流；查驗并記錄系統(tǒng)的故障處理過程。

測試結(jié)果見表1，可以看出通過組建各種場景，能較真實地模擬各種配網(wǎng)故障和異?，F(xiàn)象。配網(wǎng)自動化主站能根據(jù)不同場景給出處理方案，包括故障隔離方案、故障上游恢復(fù)方案和故障下游恢復(fù)方案，不同的恢復(fù)方案有損耗、電壓以及剩余負(fù)載率指標(biāo)，并且能對不同的恢復(fù)方案進(jìn)行最優(yōu)排序。

圖2 電纜線路測試原理

表1 電纜線路測試結(jié)果

6 應(yīng)用前景

FA（饋線自動化）在實際應(yīng)用前需確保配網(wǎng)運(yùn)行安全，在盡量少影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，采取相應(yīng)手段，模擬現(xiàn)場故障現(xiàn)象和相關(guān)信息，驗證系統(tǒng)的故障處理能力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到驗收要求。本文提及的方法可用于主站注入式測試，對具有饋線故障處理功能的主站進(jìn)行仿真測試，以驗證主站系統(tǒng)的故障處理功能，用于發(fā)現(xiàn)FA啟動配置不準(zhǔn)確、電網(wǎng)運(yùn)行方式與實際不符、網(wǎng)絡(luò)模型TOPO關(guān)系錯誤等問題。調(diào)度員同時結(jié)合“三遙”開關(guān)狀態(tài)操作，編制方案對開關(guān)進(jìn)行有計劃性的操作，可提前發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備遙控失敗的原因并進(jìn)行消缺。以上方法用于測試FA是否滿足驗收要求，可作為FA新投饋線半自動化模式投入依據(jù)，并逐步實現(xiàn)全自動化，推廣應(yīng)用后將極大促進(jìn)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)故障處理等能力的提高。

7 結(jié)語

配網(wǎng)發(fā)生故障時能夠產(chǎn)生過流/失壓等多種信息，對于配網(wǎng)主站來講，發(fā)生故障時需要根據(jù)廠站設(shè)備上送的故障信息進(jìn)行故障點的判斷。由于故障判據(jù)國內(nèi)沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各個廠商開發(fā)的系統(tǒng)判據(jù)各不相同，這就有可能造成主站與廠站之間的配合出現(xiàn)問題，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確判斷故障點。通過提供故障發(fā)生時的各種信號，定義每個信息是否上送到主站，從而測試配網(wǎng)主站的故障判據(jù)，為配網(wǎng)自動化設(shè)備的選擇提供可靠依據(jù)。通過圖模組態(tài)產(chǎn)生的各種典型故障場景，可作為配網(wǎng)自動化系統(tǒng)主站故障處理的有效手段。

[1]杜正春，周佃民，董繼民.考慮負(fù)荷電壓靜特性的最佳乘子牛頓潮流算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2002，22（1）∶102-105.

[2]JASMIN BLANCEHETTE，MARK SUMMERFIELD.C++ GUI Programming with QT 4[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]林公平.配電網(wǎng)饋線自動化技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，1998，22（4）∶64-68.

（本文編輯：方明霞）

Simulation Test Method of Distribution Network Based on Graphic Model Configuration and Its Application

PANG Peng，XUE Dali，ZHENG Sheng
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

A distribution network model is established based on IEC 61970/61968 to simulate the distribution network in normal state and failure state through friendly graphic interface interaction.The fault and abnormity scenes are reflected with the schedule，and the application pool is used as configuration of various scenes. The automated master stations of distribution networks are tested via distribution network simulation scene technology；besides，the technology is applied to the practical test in construction of the distribution network automation system of Wenzhou Power Supply Company.

distribution network automation；three phase unbalanced power flow calculation；common information model；distribution network simulation；scene configuration

TM76

：B

：1007-1881（2016）05-0057-03

2016-01-06

潘 鵬（1983），男，工程師/技師，從事電力信息安全管理工作。