配電自動化培訓模擬系統的可行性研究

趙 亮

（長園深瑞繼保自動化有限公司，南京　211100）

1　系統規劃

1.1　必要性

配電網直接面向用戶，配電自動化水平是保證供電質量、提高電網運行效率、提升用戶服務的關鍵環節。目前，在各電網公司的配電自動化培訓中心普遍采用講授式教學模式。該方式側重于知識的講解，難以模擬眾多配電網運行狀態和典型故障問題。普遍存在以下問題：

（1）培訓設施設備不健全。缺乏對實踐能力的培訓，缺失對配電自動化設備的安裝、調試、驗收、維護等培訓項目，難以應付大規模實操培訓。同時缺乏涵蓋架空線路、電纜線路、環網箱（室）等各種各樣的配電網設備模型，現有設備不能全面的模擬展示配電系統的運行情況、不能真實的反映配電網故障時的自愈過程。學員對于現場沒有直觀的認識，不能設身處地的感受到配電網的實際運行狀況。

（2）培訓模式單一。現有的培訓方式以理論知識為主，培訓模式單一、培訓內容缺乏針對性、培訓效果欠佳。學員基本的運行檢修、事故搶修等方面的培訓與專業發展要求有較大差距。

（3）培訓考核評估設備不健全。缺乏技術比武、演練、測試等實操能力的培訓平臺，不能有效檢驗學員的學習效果，不能符合配電網發展的技術需求。

隨著分布式能源的逐步接入配電網，配電系統朝著智能配電網、主動式配電網方向發展，相比傳統的配電系統，在運行方式、能量管理等方面都提出更高的要求，同時對專業人員技術水平的要求也逐步提升。因此，建立一套智能的配電自動化培訓模擬系統，完善配電自動化專業的培訓功能是十分必要的。

1.2　可行性

培訓模擬系統必須貼近實際，同時考慮到場地條件制約、教師教學便捷、學員操作安全、系統實用性強等因素。需要研究一套硬件模擬系統取代軟件仿真實驗，以實現配電網的真實展現。

1.2.1選址和場地

在省（市）級電力培訓機構內部選擇有場地條件和師資力量的培訓中心或學院，作為系統建設單位。考慮利用現有場地和設備，減少投資成本。應在現有場地內選取2～3條10kV架空線路、電纜線路（含環網箱）或者混合型線路，架空線路桿塔以水泥砼桿為宜。其中，架空線路以含分段開關為宜；電纜線路以含環網箱（室）為宜。同時設立專門的培訓教室作為配網主站培訓系統建立的場所，培訓教室至一二次設備之間的距離控制在200米以內為宜。

1.2.2一次設備

遵循配電網“適度分段，適度聯絡”的指導思想，以減少用戶停電時間及提高供電可靠性為建設目標，結合本地配電網實際情況，適當增加分段、聯絡、分支開關。配置原則宜采用架空線路每間隔一個桿塔增設一個分段開關，長架空線路（或架空轉電纜線路處）增設一個聯絡開關；電纜線路可配置1～2個環網箱分配負荷。變電站出線轉架空線路的第一個桿塔處宜裝設柱上斷路器，其它分段、聯絡開關宜裝設柱上負荷開關，支路開關裝設柱上斷路器。環網箱宜配置為2進2出帶PT（預留DTU安裝位置），進線間隔配置負荷開關、出線間隔配置斷路器。

1.2.3二次設備

為實現10kV線路的配電自動化功能，配網終端應具有三遙（遙測、遙信、遙控）功能，并能實現故障診斷。給柱上開關加裝饋線自動化終端FTU，環網箱加裝站所自動化終端DTU，配電變壓器加裝配變檢測終端TTU。

柱上FTU具備“三遙”功能，可以進行狀態量采集、模擬量采集，具有數據處理、保存和轉發功能，開關分合控制功能。能夠檢測線路故障并將故障信息上傳給主站，執行主站下發的故障處理控制命令。

站所DTU是針對目前城市電網中應用越來越廣泛的環網箱、環網室（小型開閉所），而開發的監控終端產品，可與配電網自動化主站和子站系統配合，實現多條線路的電量采集和控制，檢測故障、故障區域定位、隔離及非故障區域恢復供電，提高供電可靠性。

配變TTU能監測并記錄配電變壓器運行工況，對配變過熱、過流、過負荷實行保護，實時監測三相負荷不平衡率。

上述終端設備配合主站系統，可模擬、還原實際工況的配電網，以實現系統的真實性。

1.2.4模擬系統

模擬系統采用配電自動化主站系統，包含終端、子站（可選配）、通信、主站等部分。

模擬系統的硬件主要包括服務器、工作站、交換機以及物理隔離，實現培訓模擬系統的智能控制和能量管理，支持MODBUS協議、TCP/IP協議、104規約、CDT規約等常見規約的接入，支持雙網在線、雙網切換的功能，能實時采集所有終端的相關信息并實現控制。

模擬系統的軟件主要由通用平臺、配電監控系統、饋線自動化FA系統等組成。其中通用平臺提供了數據庫訪問、網絡、廣義軟總線、分布式運行管理等中間件（組件），構成了整個控制系統實時運行的基礎。在此平臺的基礎上，實現諸如配電監控、FA等功能。

1.2.5培訓系統

培訓系統可實現多項教學和實操訓練，達到理論和實踐課程的同步。

（1）配電自動化模擬操作實訓：主站的故障處理（DA）功能實訓；帶電分析功能實訓；故障區段定位功能實訓；故障區段隔離功能實訓；非故障區段恢復供電功能實訓；人機界面故障模擬操作功能實訓；各類饋線故障處理功能操作實訓。

（2）配電網通信培訓功能：各種通信方式的通信設備、連接方式的操作實訓；各種通信設備的安裝調試操作實訓；故障判斷處理（光網絡故障點定位）；各種通信故障模擬、排除操作實訓

2　系統建設

2.1　設備選取

圖1　系統建設的關鍵技術點

以圖1為例，闡述系統建設的關鍵技術點。10kV平五線，架空轉電纜線路連接有2個環網箱，屬于典型的混合型線路。由于負荷密度高，對供電可靠性要求高，可采用集中型FA策略。可在架空線路的1#、3#、5#、7#、9#、12#桿（塔）上裝設柱上開關同時配置FTU；2個環網箱配置2臺DTU；3#桿配變處裝設TTU。實現長線路的多分段隔離，縮小故障區域、縮短巡線范圍、減少停電時間，從而提升經濟效益。通信方式采用EPON方式。

10kV安五線，架空線路，線路全長較短、負荷重要性較低，可采用電壓就地型FA策略，采用重合閘模式對線路進行故障切除和恢復。可在架空線路的#1、#3、#6、#8桿（塔）上裝設柱上開關同時配置FTU，#4桿分支線側裝設柱上開關同時配置FTU。在故障頻發的支線支點和可靠性要求高的用戶接點，配置“看門狗”功能，可以將分支線故障進行單獨處理，而不影響到主干線路。“看門狗”的主要功能是運行中自動斷開用戶側相間故障、自動切除用戶側接地故障。通信方式采用EPON方式。

2.2　網架搭建

一般培訓中心既要考慮貼近實際，又要考慮教師學員的人身安全。這樣一來，10kV的高電壓將是系統存在的最大安全隱患。為了解決此問題，我們可以嘗試將一次系統降壓運行，比如采用普通的交流380V電源替代原有的10kV電源，同時將變電站的電源點考慮改用場地內的交流380V恒定電源虛擬。如此，配電網架即可實現。

2.3　一二次設備

對于一二次設備來說，由于系統的降壓運行，遙測采集回路勢必隨之變化。原先CTPT的原邊副邊匝圈繞組可以取消，或者說可以選用小變比的配置，甚至1∶1的變比，以滿足采集和隔離的需要。而遙信、遙控不受影響，與實際方式一致。

設備供電也是需要解決的問題。第一、考慮到設備的運行功耗和開關分合功耗，原本PT取電的方式在系統降壓運行后恐難滿足；第二、由于模擬系統不可能像實際系統一樣一直帶電運行，因此無法時刻保持供電，后備電源也只是短時間供電。要解決上述兩點難題，就需要尋找供電恒定、容量足夠大的電源。一般考慮從場地內尋找一路交流220V市電，功率是最大負荷功耗和的2～3倍，以保障系統供電的可靠性，同時保障在系統故障動作和恢復的過程中不因負載變化而引起系統顛蕩。

另一個問題，配電網中負載變化、運行方式變化，都會引起整個系統中電氣量的變化，此部分也是模擬系統的核心。見系統模擬章節闡述。

2.4　系統模擬

系統的核心在于如何模擬系統中的故障，以及故障的隔離和恢復，也就是“自愈”過程。為了達成目標，我們需在培訓室內建立一套故障模擬的方法，并且與整個系統、一二次設備都要有聯系。

首選，需要在系統網架中選取若干典型的故障點，作為典型故障的發生點。其次，我們可以在整個系統ABC三相串入限流電阻作為系統恒定的負荷，同時在故障點設置接地電阻作為接地的負載，掛接在單相電源與大地之間。再次，在接地電阻前設置手動控制的接點，以控制系統是否在此點發生故障。控制接點可以設置瞬間和永久兩種方式，以模擬瞬時故障和永久故障。

經過這一系列的設置，當系統發生單相或三相故障時，勢必引起整個系統中電氣量的變化，由各終端設備采集信息量傳輸至主站，這樣所有變化的電氣量將在主站系統中展現，主站經過判斷故障情況并啟動對應方案，這就是集中型FA策略。如選取某條線路，所涵蓋的終端設備的軟件都配置了電壓就地型程序，配合合適的定值整定，亦可實現就地型FA策略。

上述方案與實際配電網系統中的情況基本是一致的。因此，教學培訓中采用這樣一套系統肯定事半功倍，學員也能夠更貼近實際操作、檢修、運維，培訓效果大幅提升。模擬系統網架結構案例如圖2所示：

圖2　模擬系統網架結構案例

3　系統運用

⊙ 可用于各省（市）供電公司培訓配電網專業技術人員，不再單單依賴理論教學，有效提升實訓效果、鍛煉動手能力。

⊙ 可用于配電網專業競賽或比武，提供配套合適的模擬系統，做到考評體系基礎的公平、專業。

⊙ 可用于檢驗模擬系統中各種策略、高級應用的運用情況，提高供應商的產品性能。

⊙ 可用于配電網新技術的試驗基地，有助于開發、專研新技術。

4　結束語

綜上所述，該套系統完全可行，目前，已在部分省級電力培訓中心開始運用，未來，勢必遍及全國，為我國配電網發展奠定堅實的一步。

[1]朱偉.配電運行管理仿真培訓系統設計.中國電力教育，2005（04）.

[2]劉強，李雙虎，白延麗，孫延.配電網自動化系統模擬及應用.中國電力教育，2006.

[3]陳奐.配電網自動化仿真培訓系統研究.中國電力教育，2009（22）.