河北电科院配电网自动化测试系统仿真模拟实验室

.国家电网公司科学技术项目可行性研究报告 技术 3 乏的难题 4 养 4 外配网自动化建设的普遍性及迫切性 4外配网自动化研究的现状 5 目研究内容——建立完整模拟配电网全故障的配网自动化模拟实验室 6目实施方案 8拟实验室各部分功能及技术特性 9 九、项目经费预算(单位：万元) 31 .配网自动化系统和开发配网技术配网自动化是实现智能配电网的重要组成部分，是智能电网的具体体现。其以一次网架和设备为基础，以配网自动化系统为核心，综合利用多种通信方式，实现对配化、电网分析应用及与相关应用系统互联等功能，主要由配电主站、配电终端、配电子站(可选)和通信通道等部分组成。配网自动化的实施可有效改善供电质量，提高供电可靠率；与用户建立更密切、更负责的关系；极大地提高配电网调度、生产、运行的管理水平；从而为供电企业带来巨大的经济和社会效益。配网自动化技术是服务于城乡配电网改造建设的重要技术，配网自动化系统的安全稳定运行关乎到配网的安全稳定，长期以来配网的建设未得到应有的重视，尤其是设备技术性能落后，事故频的关键技术要实现重大突破。所以针对配网现状及深入贯彻“十二五”精神，建立配网自动化模拟实验室，研究和开发配网自动化技术是立足于国情，城市电网的实际要求，真正解决配网实际技术问题的手段，对提高技术装备的可靠性，完善设备的自动化程度及故障判断能力具有重大意义。并且国家提出的“三集五大”将管理方式由粗放向精益、组织机构由松散型向集团型、资源利用由分散向集约转变，而配网自动化一个主站多个终端的结构方式非常符合“三集五大”针对业务领域进行的管理创新。城市的不断发展和高新产业的不断增加，对于电网的供电要求也变得越来越高、电网的自动化改造和建设智能电网满足了工业、城市生活对于供电安全性、高可靠性的需求，然而随着配网自动化建设的不断加快、对配网自动化技术的要求和创新也越.解决配网自动化现场测试手段缺乏的难题通过建立具备配网自动化全故障处理全面测试能力的实验室，全面模拟配网在实际中各种运行场景及故障场景，通过试验研究解决配网自动化的系统测试关键技术，复杂配电网建模与分析关键技术，通过解决大规模配电网快速仿真的关键技术，和智能配电网故障现象模拟与故障定位关键技术，对于解决配网自动化现场测试手段缺乏动化行业技术进步通过配网自动化模拟实验室的研究和技术创新有助于排查暴露并解决配网自动化系统的设计和建设缺陷，提高配网自动化实用化水平，将配网自动化系统对供电可靠电网自动化专业性人才培养本系统能完成配电网自动化各类人员的技术培训，有助于快速了解配网自动化技2.1.国内外配网自动化建设的普遍性及迫切性配网自动化的建设，各国根据实际特点对配网的自动化提出了不同需求。例如日近年来，随着国网公司对城市配电网建设和改造力度的不断加强，城市配网网架结构、装备水平和运行水平得到持续改善，城市配电网管理水平也得到不断改进，城市供电可靠性的要求也越来越高。如何不断完善城市配电网，满足日益增长的优质供我国城市大多处于快速发展阶段，电力负荷增长迅速，配网规模不断扩大，发展的重点仍是满足负荷的快速发展需求。随着我国社会经济的快速发展，负荷需求增长的要求越来越高，迫切需要进行可靠性和经济性相关的研究，提出与可靠性要求相适.2.2.国内外配网自动化研究的现状配网自动化是智能电网的重要基础之一，是智能电网的具体体现，它极大的改进了客户服务，人们会从日常生活中直接感受到它带来的许多益处。配网自动化的核心理念是利用现代信息、通信、控制技术、提升电网的智能化水平。国外对配网自动化而在国内配网自动化的技术水平还比较薄弱，虽然有过配网自动化的研究成果，然而仍有许多重大技术难题需攻克研究解决，例如配网的现场测试验证技术的落后，严重影响配网的建设，阻碍配网实际功能的正常发挥，现今国内配网自动化实验室还很少，只有陕西等个别省市拥有，而配网自动化的建设也同样需要不断创新的技术来完善。综上所述，配网自动化模拟实验室的建立为科研人员研究解决配网技术难题、随着城市的发展，在配网自动化技术不断进步的同时，各种类型的负载大量接入增大了的电网的复杂性，为配网自动化带来了新的难题。人们开始注意到以提高供电电网的大量不可控干扰时刻在考验着配网自动化系统主站在不断变化的扰动环境中对配网的判断准确性和策略可靠性，与子站、终端、通信、开关设备、继电保护、备用经验和事实证明近年来国内外的重大的电网事故，往往不是因为某个元件的故障造成的，而是由配网自动化系统在扰动环境中，从判断错误、策略失误到某个故障元件引发的一连串连锁反。为了避免和防止此种类型的干扰对配网的影响，需要进行大配网自动化作为电力系统的一个新兴领域，近年来发展迅速。目前国内的配电网.已全面铺开，但就各种配网自动化的运行模式、作用等并没有定论，有关安全性、可靠性研究工作还需要展开。从已经投运的配网运行现场看，各试点现场在投运前都没有很好的测试方法验证系统的安全性和可靠性。因此，只是实现简单的数据采集、故障检测等基本功能，而封闭了故障判断、隔离和恢复，以及其他的高级应用功能。因此配网自动化在缺乏仿真手段时缺少了固有的优势，导致实用化进程缓慢。更为严重的是某些配网自动化现场因测试条件不具备而使得配网自动化系统的综上所述，建设配网自动化模拟实验平台是非常必要的。用来对系统、设备等进行运行前的测试及验证，和新技术的开发以保证系统真实运行时的安全性、可靠性，4.1项目研究内容——建立完整模拟配电网全故障的配网自动化模拟实验室模拟实验室建设方案人机交互工作站等功能于一体，搭建系统运行硬件环境。建设通信网络：建设单网以太网通信网络，与硬件设备构成单机单网运行模式。建设配电网调度主站系统一套，级分析功能。建设配电网模拟测试台一台，模拟三条配电网线路及分段开关、联络开关，并实现互联。可以模拟配电网故障。建设配电网柱上开关终端单元(FTU)12台，：1)模拟功能该系统可模拟配网自动化的正常运行方式和故障运行方式及故障后的判断、隔离系统包括数据库存储、前置通信、数据处理、人机展现、查询统计等功能部分，以上.FTU...FTU通信子站交换机FTU...FTU通信子站交换机数据展现等各项功能配电高级应用系统完成配电网网络建模、潮流计算、运行方式优2)试验研究功能利用本系统，通过对已建配电网自动化系统的模拟搭建及运行，可进行正常运行情况的模拟及网络优化、故障状态模拟及网络恢复重构演示、实际配电网自动化系统3)测试功能本系统可接入不同厂商的配电终端，对其功能进行测试，亦可接入不同厂商的主4)人员培训功能系统能完成配电网自动化各类人员的技术培训，包括线路工作过程的学习培训、现场操作与参数整定培训、接线培训、参数整定培训、远程操作控制培训、故障模拟模拟实验室体系结构配网自动化模拟试验系统由FTU、模拟控制台，区域子站、主站系统及网络等部分组成。配网自动化仿真测试平台可采用目前先进的分层分布式可裁剪系统架构，分配电主站系统FTU模拟控制台.处理服务、高级应用服务、人机界面、数据库等程序模块。也可将这些程序服务安装配网自动化主站系统采用单机单网硬件结构，结构简洁、易建、易维护，保证系配网自动化主站系统在数据库存储设计上使用面向对象技术，减少了数据库存储信息的冗余，提高了数据库访问的效率；在系统模型设计上，把电网静态拓扑作为系统固有特性进行存储，动态拓扑结合开关状态动态生成，提高了系统拓扑模型构建的作。模拟控制台模拟配电网馈线线路和一次设备，模拟各条馈线段故障、正常及开关的分合及指示。模拟控制台上模拟的一次设备包括出线开关、分段开关或断路器，以模拟实验室设计理念本项目的设计理念是通过研究对配网自动化系统在不同场景下的各种运行状态，解决现今配网存在的各种技术问题，特别是现场测试困难问题，开发和创新新的技术项目实施方案2.1.现场试验的地点和试验计划配网自动化模拟实验室的地点为河北省石家庄电科院。试验系统采用大唐移动通信设备有限公司提供的配网自动化模拟系统，在系统建设完成后，选定“DATS-1000”4.2.2.项目承担单位及协作单位的分工及项目的组织协调工作项目承担单位为石家庄电科院在项目中具体现场运行资料，参与理论研究的论证.1)软件系统特点项目协作方为大唐移动通信设备有限公司，在项目中负配网自动化模拟实验室的4.2.3.合作方式、知识产权和成果分享的范围展项目。由甲方出资，且监督项目进度，双方约定，履行本合同产生的发明创造和技术成果归甲乙双方所有，就技术成果产生的专利权、使用收益权、转让权、申请奖励权、成果发布权等权属按以下条款处乙方不得单独申请专利。乙方取得专利权的，未经甲方许可，不得转让专利权或许可甲乙双方均享有本合同产生的技术秘密的使用权，但乙方仅能在甲方许可的范围履行本合同产生的技术成果(包括技术秘密)申请奖励的权利归甲方享有。未经本合同所产生研究成果的发表权由甲乙双方共同享有。未经甲方许可，乙方不得项目组成员个人发表有关项目研究内容的论文须征得甲乙双方的同意，乙方应制定相使用履行本合同产生的技术成果参与国际标准、国家标准或行业标准等的制定或4.2.4.本项目研究需要购买仪器、设备及材料情况由于实验室大部分设备为大唐移动通信设备有限公司提供和搭建，需购买相应的4.3模拟实验室各部分功能及技术特性配电系统主站软件a)标准化b)多层次、多平面的图形系统c)图模一体化设计。d)完善的故障处理功能e)基于组件的架构系统各个功能有独立的组件技术实现，系统具有高内聚、低耦合特性，保证系统f)跨平台技术2)基本功能a)数据采集站信息的采集,包括两部分内容:FTU实时信息和配电网模拟测试台产生的故障信息，b)数据处理数据处理软件主要对信息采集子系统发来的数据进行判断、计算、处理生成实时数据库，提供实时数据服务；对实时数据进行比较统计处理，生成历史数据，存入历高级应用软件读取历史数据库存储网络图模信息，同时接收数据处理软件发来的用功能，如潮流计算、网络重构、故障处理、负荷预测等，把结果发送到人机交互子c)控制调节d)事件和告警ADAe)事故追忆和重演事故追忆功能将配网事故发生前后较长一段时间内的配网的运行状况记录下来，f)实时计算实时计算分为：基本计算和通用计算。常用计算完成自有的模板计算处理，如电力系统常用公式计算等；而通用计算支持能以公式表达的各类数学运算，通过解析公g)拓扑着色拓扑着色功能根据绘制的设备之间的连接关系和当前的开关、刀闸状态判别电网实时结线方式，对各种不同状态的设备进行着色。拓扑着色模块可以根据实时开关状态判断出当前系统的电气岛个数、电气岛设备组成、设备是否带电等信息等，并以不h)历史信息管理历史信息管理子系统包括：历史信息查询和历史信息统计功能，其中历史信息查.i)系统监测管理CPU负载、内存和磁盘使用情况等；监视全系统各设备等的运行情况(值班、备用、测试、离线、故障、停运等)，诊a)故障检测与定位vii.故障过流原始信号(A、B、C、3I0、3U0过流信号)。根据变电站保护和出线断路器的动作等上述故障信息，首先判断所发生的故障是瞬时性故障还是永久性故障。如果出线断路器重合闸成功，则故障为瞬时性故障，不运行状态下通常是辐射状网、树状网或者是处于开环运行的环网，因此，判断故障区段只须根据馈线沿线各开关是否流过故障电流就可以了。假设馈线上出现了故障，显然故障区段位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历判断故障发生的馈线及具体的馈线段可以通过多种方法来实现。其中，最常用的方法是启发式搜索算法：从馈线首端节点开始沿闭合开关执行宽度优先搜索，并且根据馈线段与开关的关联关系来找到各馈线段相联的开关，根据上述的故障检测、定位b)故障隔离.故障检测、定位任务完成后，接下来的工作就是故障的隔离。故障隔离时，首先根据馈线段与开关的关联表，搜索出该馈线的边界开关，然后针对这些开关，形成一个故障隔离的方案，并按照这个方案逐个操作故障区段的边界开关，以达到隔离故障c)故障恢复故障隔离后，对那些不存在故障的区段，应该恢复对它们的供电，这就是要进行故障恢复。故障恢复的任务是在不对电网结构作重大改变并能满足约束条件的前提下上游区段的恢复非常简单，方案也是唯一的，即取出发生故障的馈线的出线开关，合上该开关即可。当配电网中多条馈线发生永久性故障时，只要对每一条馈线合上其出4)高级应用功能a)网络拓扑网络拓扑又称为网络结线分析，主要功能是依据实时开关状态和网络元件状态将网络结点模型(物理模型)化为计算用母线模型(数学模型)，并将有电气联系的母线器、馈线的计算用节点数，形成新的网络接线，随之分配测量和注入量等数据，给有关的应用程序提供新的接线方式下的信息与数据。网络拓扑分析是各种应用软件的前提，它的主要要求是可靠、快速和有效，因此它必须能够不受结线方式、开关状态等因素的影响，形成正确的母线模型。此外，网络拓扑分析还要求能够正确处理各电气b)潮流计算配电系统潮流计算是配电系统分析的一项重要内容，根据给定的网络结构及运行条件确定整个网络的状态，计算出各个节点的电压幅值、相角、网络中功率分布及网络的功率损耗等。潮流计算数据为配电网的控制、优化和管理提供理论依据和决策指系统中的潮流计算功能在系统实时态及研究态下均可进行。实时态下进行潮流计算出以电源点为参考的各节点电压，电流，功率的幅值及相角。为网络优化，故障分.析提供相关数据。实时态的电网潮流计算不需用户操作。研究态的电网潮流在用户由实时态切换至研究态时由计算服务器将当前实时态的电网运行数据加载后自动进行计c)网络重构以某种计算方法，给定目标值最优或次优为目标进行计算，得出通过切换分段开关的状态和联络开关的分合状态，改变网络的拓扑结构，以在馈线或者变电站之间转本功能在保证配电网呈辐射状，满足馈线热容，电压降落要求和变压器容量，开关额定电流等前提下，采用启发式算法，以最小功率损耗、负荷平衡等为目标，给出本功能在实时态和研究(仿真)态均能进行。实时态下的网络重构步骤发起的遥控命令将会下发远动装置执行；研究态下的网络重构步骤发起的遥控命令将不会下发d)仿真操作系统进入研究态时，培训学员以姓名和口令登录方可进入仿真断面，各种仿真结可进行故障、过流设置，并通过系统得出隔离和恢复方案，并通过方案的模拟执行得出恢复后的网络运行状态，带电区域潮流显示醒目明了，和非带电区域有明显区仿真数据至少有两个典型配网接线及相应的仿真数据库，在系统启动前人工配置配网自动化设备a)遥测b)遥信.c)遥控d)故障监测e)通信功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。主f)通信规约g)就地操作i)定值下装、上传功能j流定值；k)延时速断定值、时间常数、使能；l)重合闸时间、使能。m)自诊断、自恢复功能n)时间设置、远方对时。FTUa)性能指标.b)功率消耗Ac)交流回路过载能力d)装置精度e)装置检测故障电流精度f)时间顺序记录g)通信h)电源系统.0电网模拟台本模拟台是专为电力系统终端和主站系统对配电线路故障所作出的判断与处理的1)测试台构成a)组成：设备柜体一台(1600X400X1400mm3)连接电缆一套(12根)b)供电：Hzc)通信：d)外形：.e内部开关连接方式：本测试台采用全钢结构，美观大方，操作简便。内部采用继电器模拟线路开关，并具有和实际开关相类似的电压互感器和电流互感器，各个线路开关模拟单元与终端单元用航空插头连接，所有接线通过接线端子转接，易于教学过程中根据需要更改接头电缆将测试台与终端单元连接，f图42)使用操作方法a)按照系统要求连接好设备与终端，依次给终端和设备通电。b)主站设置联络开关。c)继电保护测试仪接于欲模拟故障发生处。d)合上所有开关。e)继电保护测试仪输出超出过流设定值之电流，即可模拟终端单元控制开关来隔离f)调整继电保护测试仪输出电流至过流设定值之下，主站即可模拟故障恢复而自动3)模拟测试台示例出线1abcdefghABCDEFGH出线2.2323IJklijkl2323IJklijkl出线1abcdefghABCDEFGH出线2出线1出线1abcdefghABCDEFGHijklabcdefghABCDEFGHIJkl.配电网仿真器建模与配置器实时数据库故障模拟器配电网仿真器建模与配置器实时数据库故障模拟器4.3.4配电网全场景模拟主站注入测试系统1)配电网全场景模拟主站注入测试系统简介主站注入测试系统为纯软件环境，可安装在基于Windows操作系统(windows7配电网全场景模拟系统主要含配电网图摸仿真平台、故障模拟测试模块及通信接配电自动化主站系统通信管理器规约解析器人机交互界面图入模拟软件平台主要内容及功能：a)测试软件平台构成主站注入测试装置模拟配电网各种正常运行及故障情况的场景，仿真配电网开关及配网自动化终端的有关功能，将配电网及开关、终端的数据信息通过通信接口注入被测的配网自动化主站系统，并通过接收主站的遥控命令等互动过程，实现对主站系.b)主要功能利用图摸一体化技术方法，实现配电网主接线图及各种设备的模拟，建立仿真计算的拓扑模型。除实现配网潮流计算、短路电流计算、拓扑分析等基本功能外，实现柜、iii关等各型开关，初iv载参数，配置负荷节点的负荷及变化规律(如负荷曲线、随机波动幅度)。负荷节点的负.实现配电网主接线图模拟仿真的参数数据及仿真配置数据存储管理；实现各种设备(线路、开关、自动化终端、负载、故障点等)参数数据及遥测、遥信、遥控数据点表配置；其他各种测试所需参数数据及配置数据的管理。配电网故障点设置模拟，多重故障设置模拟；故障性质(相间永久短路故障、相间瞬时短路故障等)参数设置模拟。通信规约及参数配置；试验方案导入、存储管理平台：实现已有试验方案的命名存储、已有试验方案导软件仿真模块主要方案功能及技术指标：a)主站注入测试配电网场景仿真方案主站注入测试装置模拟配电网各种正常运行及故障情况的场景，仿真配电网开关及配网自动化终端的有关功能，将配电网及开关、终端的数据信息通过通信接口注入被测的配网自动化主站系统，并通过接收主站的遥控命令等互动过程，实现对主站系b)主要功能v开关等不同开关设备及不同馈线自动化模式的故障处理.vii不仅能给主站注入正常和故障状态下配电网的数据，而且c)主要技术指标故障模拟方式：单点故障、多重故障(10处)。d)主站注入测试法仿真模块的工作原理配电网仿真器的作用主要是模拟故障前的运行场景以及模拟供电恢复的效果；实时数据库用以存放来自被测试系统、配电网仿真器、建模与配置器以及故障模拟器的测试用实时数据；建模与配置器的作用是形成测试模型；故障模拟器负责动态模拟故障现象；规约解释器完成与被测试系统之间的信息交互；通信管理器的作用是保持链流计算：根据实时数据库中各个负荷节点的负荷和网络拓扑进行潮流计算，理器根据规约解释器、建模与配置器、故障模拟器发来的命令初始化或更新库中开关根据潮流计算结果更新库中各个开关节点的电流、电压、功率；根据故障模拟器负荷数据更新周期为建模与配置器所设置的负荷曲线的时间间隔，负荷数据更新在每个更新周期内，还需要更加频繁地刷新负荷数据，具体方法是在负荷曲线数据的基础上叠加一个取值范围可以设置的均匀分布随机数，负荷数据刷新周期可以秒为单.①故障场景配置：包括故障位置(可设包括置多处)、故障类型(永久、瞬时)、开关是否拒动，重合闸是否允许，是否漏报故障信息，是否发生越级跳闸等参数的配②故障现象模拟：根据故障场景配置和配电网仿真器中网络拓扑的变化产生相应②通信规约配置：从规约库中选择配置包括南瑞配电、珠海许继、积成电子、银③行报文组织、下行报文解释：根据配电网仿真器中实时数据库形成上行报文，对来自被测试系统的下行报文进行解释，将遥测和遥信结果放入配电网仿真器的实时数据库，对于遥控报文根据故障模拟器设置的开关拒动与否状态决定是否更新配电网仿真器的实时数据库中相应遥信状态，若否则组织遥控成功上行报文，否则组织遥控规约解释器始终通过通信管理器保持将实时数据库中的遥测和遥信数据与被测试P1)基本功能配电网终端二次同步注入测试设备能够模拟配电网一次系统的实际故障现象与数.据，同步注入被测馈线的各配网自动化终端，对配网自动化系统的终端设备、开关设备、备用电源、继电保护、通信、子站、主站等各个环节的性能进行全面的测试，并指挥计算机用于配电网短路电流计算，通过网络等通信接口下载测试方案和注入2)主要测试功能：a故障模拟测试方式要求：ii继电保护、备用vb)馈线故障模拟测试功能：i.可以测试各种馈线自动化故障处理过程，如全断路器模式、断路器——器——失压脱扣型负荷开关(VSP5)配合模式、断路器与分支断路器配合的iviii程的工频电流、电压输出序列故障过程设置及交互输出.c接口适配功能：id模拟开关功能：iii.能够设置开关动作时延(0~60s，1ms级)；CV5.1.1按计划完成配电网自动化测试系统仿真模拟实验室的建设在配网自动化系统的建设中，现场测试手段的匮乏、严重制约和影响着自动化系统的功能发挥，导致设计和建设隐患无法在早期及时发现并解决，发生故障时容易造成扩大停电范围、甚至重大经济损失等事故。本实验室的建设解决了配网自动化的现场测试难题，充分发挥自动化系统供电可靠性、安全性、经济高效性在实际应用中的5.1.2支撑配电网自动化的课题研究及新技术的开发的配电网自动化新课题，协助解决配网现有的技术难题，5.1.3为河北省未来配电网自动化建设提供技术保障通过对配网自动化各种状态的模拟，研究电网在各种场景下的运行状态，掌握大量实验数据，为河北省未来配网自动化建设中的网络重构，网络优化工程规范等提供一手资料和建议帮助，测试检验自动化系统设备可靠及安全性，并对自动化系统在现场做整体的测试验收工作，协助现场