模塊化配電網物理仿真實驗系統設計與實現

郭謀發， 林 成， 高 偉， 黃志鵬， 洪 翠， 楊耿杰

(福州大學 電氣工程與自動化學院，福州 350116)

0 引 言

對配電網的科學實驗研究可以在實際配電系統上進行，也可以在模擬的配電系統上進行。在運行中的配電網進行故障實驗可以得到真實可靠的實驗數據，但受時間、經濟、安全等多方面因素限制，通常是不允許的[1-2]。通過數學建模實現數字仿真，具有建模速度快，經濟性好，參數調整方便等優點，但難于真實模擬配電網的運行規律和物理現象。因此，研制配電網物理仿真實驗系統對開展相關科研和教學是有意義的[3]。

動態模擬技術的應用已有百余年的歷史，早在20世紀50年代前蘇聯就建立了電力系統動模實驗平臺，采用全物理的動態模擬技術，對古比雪夫水電站到莫斯科的220 kV輸電線路進行實驗。我國對電力系統動模實驗的研究始于20世紀50年代末，中國電力科學院在1958年建成動態模擬實驗室，此后華中科技大學、西安交通大學、上海交通大學、華北電力大學等院校相繼建立了動模實驗室[4-6]。其中，華中科技大學目前已建立10臺模擬發電機組和超過3 000 km的交、直流模擬輸電線路，配備先進的自動化設備，能夠實現自動監控、錄波和遙視等功能[7]。文獻[8]中在華北電力大學動態模擬實驗室的基礎上，采用了全球定位系統、以太網、數字信號處理器以及面向對象編程的軟件技術研制了一套基于以太網的動態模擬實時仿真系統，實現模擬實驗的序列控制、模擬保護的跳合閘控制、波形記錄及各種算法的實時仿真功能。文獻[9]中選用可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)作為短路故障模擬控制器，開發了短路故障模擬控制系統，編程實現上位機監控平臺軟件，通過對一次模擬設備的控制實現各種類型的金屬性和非金屬性短路模擬。文獻[10]中提出了基于數字模擬仿真和物理動態模擬組成的直流配電模擬實驗系統，開展配電網系統控制與保護等相關技術的建模仿真與實驗研究。文獻[11]中在對線路模型、并聯電抗器等元件進行了分析檢測的基礎上，研究了適用于特高壓實驗系統的模型元件，所搭建的1 000 kV特高壓模擬系統為特高壓交流試驗示范工程的繼電保護選型提供了重要技術依據。

1 系統總體方案

1.1 系統主接線

目前，我國10 kV配電網廣泛使用架空線、電纜線路、電纜-架空線和架空線-電纜混合的網架結構[12]。架空線主要有4種典型接線模式，分別是：單輻射接線、單聯絡接線、2分段2聯絡接線、3分段3聯絡接線。近幾年隨著系統容量的增長，配電網中廣泛應用電纜線路，主要有3種典型接線模式，分別是：單環網接線、電纜開閉所接線、雙環網接線。模塊化配電網物理仿真實驗系統根據配電網架空和電纜線路的典型接線模式，整合相似部分，設計如圖1所示的主接線。

圖1 配電網物理仿真實驗系統主接線

主接線中所有饋線均設置分段開關，模擬真實配電網多分段、多分支和多聯絡的復雜接線情況。包含2座變電站：B變電站有兩臺相同容量變壓器，設計單母線分段接線方式，可模擬負荷中心變電站。A、B變電站通過電纜饋線連接多個環網柜，可模擬城市或城郊變電站。系統可將3臺變壓器分別獨立運行，也可以模擬3個電源配合的運行情況，例如將2個變電站中的1個變電站完全停電，模擬大范圍停電情況，由另外一個變電站轉供供電，驗證停電轉供供電策略。后期可接入光伏發電、風力發電、微網等分布式電源模擬器，實現多源配電網的模擬。

饋線為電纜、架空混合線路和電纜、架空可切換線路，方便模擬全電纜配電網、全架空配電網和長度可變的纜線-架空混合配電網線路：A站901饋線由3條1 km電纜和3條0.5 km電纜組成總長度為4.5 km的電纜；B站911饋線由3段5 km的架空線組成；B站912饋線為5 km電纜和1 km架空線混合線路；B站921饋線為架空線-電纜可切換線路(圖1中實線為電纜線，虛線為架空線)，長度均為3 km；B站922饋線為5 km架空線和1 km電纜線混合線路。系統中利用PLC與接觸器模擬線路斷路器與負荷開關的投切控制，實現饋線長度的改變和饋線類型的切換。

1.2 系統模塊化設計方案

依據相似性原理，模擬配電網一次系統的元件，搭建配電網物理模型。對電力系統的模擬，主要依據功率、電壓、電流等物理量，因此在建立模型系統時，主要考慮的有名值參數比一般有4個，分別為功率模擬比、電壓模擬比、電流模擬比和阻抗模擬比，各個物理量的比例之間是可以相互轉化的。設功率模擬比、電壓模擬比為

KS=Sy/Sm

(1)

KU=Uy/Um

(2)

式中：KS為功率模擬比;Sy為原型系統的功率;Sm為模型系統的功率;KU為電壓模擬比;Uy為原型系統的電壓；Um為模型系統的電壓。由功率和電壓模擬比可得電流模擬比和阻抗模擬比分別為

(3)

(4)

式中：KI為電流模擬比;KZ為阻抗模擬比。

采用模塊化設計方法，將一次設備和二次設備組成典型功能模塊，組合生成所需的配電網絡，既利于設計和安裝，也有利于后期更改線路結構和系統拓展。系統分為：變電站、饋線、環網柜、柔性故障發生、故障錄波和監控系統等模塊，各模塊通過以太網實現互聯。系統構成如圖2所示。

圖2 系統構成

變電站、饋線和環網柜等模塊的一次設備包含變壓器、電抗器、配電線路、斷路器、電壓互感器、電流互感器、以及負載等物理模擬元件，根據變電站、饋線和環網柜等模塊實現的功能不同，選取相應元件進行組合。二次設備包含以PLC為核心的監控裝置及保護裝置等。一次、二次設備經組合安裝于標準配電柜內。采用雙向晶閘管實現柔性故障發生模塊，接入物理仿真實驗系統的母線或線路，模擬不同類型故障：兩相短路、單相接地短路、三相短路故障、斷線等；故障位置可設置在母線上、環網柜內、出線側和負荷側等位置。故障錄波模塊采用工業控制計算機及高速多通道數據采集卡實現，系統發生故障時，可記錄故障前后各電氣量的波形，并上傳至監控系統模塊。監控系統模塊包括應用軟件、通信服務、數據庫等?？蓪崿F對變電站、饋線、環網柜、柔性故障發生和故障錄波等模塊的監測和控制，實現對系統正常及故障工況下的數據及波形的存儲、分析及管理等功能。

2 各模塊的實現

2.1 變電站模塊

不同變電站模塊的主接線、設備數量及型號基本相同，僅饋線數量略有差別，以B變電站#1變壓器及其出線為例進行說明。B變電站#1變壓器及其出線的主接線及實物如圖3所示。其中TM10為主變壓器，TM11為Z型變壓器，KM10為進線斷路器，KM11為母線斷路器，KS10～13為刀閘開關，用于實現變壓器中性點接地方式的切換，TV10、TV11為電壓互感器，TA11、TA11-1、TA15和TA17為電流互感器，LTA11、LTA15、LTA17為零序電流互感器。

(a) 主接線圖

(b) 主變壓器實物圖

(c) 出線實物圖

變電站模塊二次部分主要實現對進出線斷路器的監控功能。變電站模塊監控裝置結構如圖4所示。以PLC為主控單元，其通過自帶及擴展的多種通信接口，同微機繼電保護裝置、電量采集裝置、監控系統模塊等各測控設備互連[13]。PLC通過輸入I口讀取斷路器當前狀態，反饋給保護裝置、監控系統模塊，并輸出斷路器狀態，供監控FTU/DTU等設備使用。PLC與被控斷路器采用繼電器隔離。

圖4 變電站模塊監控裝置

2.2 饋線模塊

饋線模塊包含：A站901電纜線路、B站911架空線路、B站912纜線混合線路、B站921纜線切換線路、B站922纜線混合線路。各饋線模塊一次接線不同，但二次設備的功能相似。以B站912線路為例進行說明。B站912線路的主接線及實物如圖5所示。其中TV為電壓互感器，FU為電壓互感器一次側熔斷器，KM為斷路器，TA為電流互感器，KS1、KS2及KS3為刀閘。

(a) 主接線圖

(b) 實物圖

根據π型等效模型設計了一種計及互感的配電線路實物等效模型[14]?；ジ心Ｐ筒捎瞄]合磁路環形空心電感器的設計方案。配電線路的電容包括線間電容和對地電容，不僅影響系統的有功和無功分布，也影響著配電線路的電壓降落和單相接地故障零序電流大小。假設三相平衡的，同時考慮線路自感和互感，設計線路三相π型線路等效模型如圖6所示。

(a) 原理圖

(b) 實物圖

圖中，R為線路的電阻，Lx是線路的自感，My是兩條線路之間的互感，相間的電容為Cp，相對地電容為CgCp/(Cg+Cp),配電網三相平衡運行時，圖中點N的電位為零，對地無電容電流流過。

饋線模塊監控裝置結構如圖4所示，PLC的監控軟件實現斷路器控制、負荷開關控制及遙測等功能。斷路器控制子程序，設置了斷路器的多種工況，主要包括斷路器拒動、誤動、抖動實驗，程序流程如圖7所示。

圖7 斷路器控制子程序流程圖

2.3 環網柜模塊

環網柜模塊包含：環網柜1#～4#。環網柜模塊包含環網柜以及其聯絡的電纜線路和負載。環網柜模塊若連接變電站模塊，則配置饋線開關和相應的保護裝置；若含聯絡開關，則聯絡開關兩側配置電壓互感器。以下以環網柜4#為例進行說明。環網柜模塊一次接線及實物如圖8所示。其主要包括：饋線模塊、匯流母線、斷路器、負荷等。環網柜模塊的每條進出線配置兩套TA，母線配置兩套TV。

(a) 主接線圖

(b) 實物圖

圖8 環網柜模塊

環網柜模塊監控裝置結構主要包括PLC、觸摸屏、電量采集裝置、UT811S饋線保護裝置等(見圖4)。實現對環網柜模塊的開關的控制，測量環網柜各進出線電壓、電流值，對線路進行保護。數字量輸出接口主要連接至中間繼電器，繼電器的控制回路再與模擬斷路器相連。

2.4 故障錄波模塊

故障錄波模塊分為硬件和軟件兩大部分，如圖9所示。硬件部分由三相和零序電壓互感器、三相和零序電流互感器、PCI-9223采集卡、MXC-2002(G)工控機、電源模塊以及顯示器等組成。軟件采用LabVIEW編制，主要實現對采集卡的采樣通道采樣頻率、采樣模式等的配置，選擇波形錄制啟動方式，并實現錄波數據的查詢、顯示、存儲和傳輸等功能。

圖9 故障錄波模塊的構成

2.5 柔性故障發生模塊

柔性故障發生模塊選用晶閘管作為開關元件，動作快速，無機械彈跳，且動作時間可控[15]。采用ARM單片機作為控制核心，監測系統電壓過零時刻，對晶閘管的觸發信號進行精準控制，生成特定類型和特定相角的故障。通過以太網接口和監控系統模塊交互數據。柔性故障發生模塊的原理圖及實物圖如圖10所示。

柔性故障發生模塊共有11個晶閘管，通過不同的開關切換，實現不同類型故障的生成。軟件設計包括初始化、故障設置、故障實驗、接地方式設置等。主程序流程如圖11所示。初始化程序使上電后故障模擬模塊為非故障狀態。判斷為故障生成模式或中性點電阻模擬模式，執行不同程序。故障生成模式下，循環掃描等待故障標識位變更，進入設定故障子程序，通過設定參數和開始故障標志位觸發故障；程序按照故障類型控制指定開關動作和動作時間。在未進行故障時，可對接地故障電阻進行修改。其中的弧光接地設置軟件用于模擬配電網導線斷線后，導線電源端掉到地面并產生燃弧。

2.6 監控系統模塊

采用客戶端/服務器結構，基于LabVIEW 2014開發監控系統模塊軟件。軟件總體結構如圖12所示，分為通信層、數據訪問層和應用層等3層。實現以太網通信、人機交互、數據計算分析、數據庫操作、報表生成等。

(a) 原理圖

(b) 實物圖

圖11 柔性故障發生模塊軟件流程圖

圖12 軟件總體結構

以太網通信是監控系統模塊軟件與各其他模塊之間的橋梁，通信協議采用PLC的FATEK規約以及其他自定義的規約。監控系統模塊軟件首先從數據庫中獲取各模塊的子站號、IP地址和端口號，并建立客戶端，實現與其他模塊的連接。數據庫由實時數據庫和歷史數據庫組成，選用SQL Server 2008作為數據庫的開發平臺，實現數據存儲、處理、查詢、管理等功能。人機交互展示整個系統的運行狀態，包括各條線路的電壓、電流、功率，開關的分合狀態、線路屬性，并可以對運行方式以及開關進行分監控。通過模塊索引找到各個對應的模塊，查看遙信，遙測信息并可進行遙控操作。還可實現各種實驗流程的控制、通信的連接與斷開、實驗數據保存等功能。

3 實驗分析

為驗證配電網物理仿真實驗系統生成的故障波形的正確性，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建與所構建的物理仿真實驗系統一致的仿真模型，如圖13所示，仿真得到典型故障波形，與物理仿真實驗系統故障錄波模塊實測波形進行比對。

配電網故障包含多種類型，限于篇幅，以諧振接地系統在過補償情況下，發生單相接地故障為例進行分析說明。將Z型變壓器接入主變壓器低壓側，并經過消弧線圈接地。故障點設為f2。經消弧線圈系統發生單相金屬性接地故障時，故障相的對地電壓降為0，非故障相電壓上升為線電壓，與不接地系統特征相似，如圖14所示。

由于消弧線圈的補償作用，與中性點不接地系統不同。在過補償運行方式下，消弧線圈的電感電流大于所有線路的對地電容電流之和。穩態時，故障線路的零序電流和正常線路的零序電流同相。當故障發生在相電壓過零點附近，即φ為0°時，暫態電感電流出現最大值，暫態電容電流出現最小值。因暫態電感電流只流經故障線路，包含交流分量和衰減直流分量，其中直流分量產生的原因是電感中的電流在接地故障瞬間不能突變，故在過零點附近發生故障時出現較大的直流分量[16]。如圖15所示。

圖13 PSCAD/EMTDC仿真模型

(a) 軟件仿真波形

(b) 物理仿真波形

當故障發生在相電壓接近90°時，暫態零序電流中既包含暫態電容電流又包含暫態電感電流，暫態電感電流較小，主要是電容電流，故直流分量較小。母線三相電壓和各饋線零序電流分別如圖16和17所示。

(a) 軟件仿真波形

(b) 物理仿真波形

(a) 軟件仿真波形

(b) 物理仿真波形

(a) 軟件仿真波形

(b) 物理仿真波形

配電網物理仿真實驗系統根據相似性原理將10 kV實際配電網縮小為0.4 kV物理仿真系統，以集中參數制作線路模型等效替代實際為分布參數的線路，存在一定誤差。但故障波形的變化過程及主要特征與理論分析及軟件建模仿真一致，可滿足實驗研究的要求。

4 結 語

考慮提高系統擴展的靈活性并降低設計和安裝調試難度，根據相似性等效原理，采用模塊化方法，研制了3個變電站模塊、6個饋線模塊、4個環網柜模塊、1個柔性故障發生模塊、1個故障錄波模塊及1個監控系統模塊，介紹了各模塊的軟件和硬件實現方法。考慮工程實際典型接線，利用研制的各模塊組合構成配電網物理仿真實驗系統，在PSCAD/EMTDC平臺上搭建與物理仿真系統一致的配電網模型，仿真結果對比驗證了其可行性和有效性，可用于開展配電網故障相關的科研和教學實驗。