RT-LAB的智能分布式自動化終端互操作閉環仿真測試策略

韓博文，宋旭東，陳小軍，顧博川，江俊鵬，高新華

（1.廣東電科院能源技術有限責任公司，廣州510080；2.中國南方電網公司重點實驗室電網自動化實驗室，廣州510080）

0前言

配電網是連接輸電網與用電客戶的關鍵最后“一公里”，直接影響客戶的用電體驗。因此，在智能電網建設過程中，智能配電網是與用戶互動的關鍵環節[1-2]。而隨著用電客戶對供電可靠性及供電質量要求的不斷提高，具有快速自愈功能的智能配電網受到了廣泛的重視和關注[3-4]。

在學術界中，配電網自愈功能被普遍定義為配電網具有自我感知、自我診斷、自我決策、自我恢復的能力[5-6]；而在工程界中，現階段的配電網自愈技術依賴于饋線自動化（Feeder Automation, FA）技術。FA 系統是智能配電網的重要組成部分，具有快速定位、隔離故障并轉供復電的特點，使故障停電時間從小時級降低至分鐘級甚至是秒級[7]。而對于城市配電網的重要供電區域，用戶對供電可靠性的要求更加苛刻，故而具備毫秒級故障定位與隔離功能的智能分布式FA 技術逐漸得到了重視[8]。

智能分布式FA 是一種新型的就地型FA，利用相鄰配電自動化終端之間的“點對點”對等通信實現快速網絡式保護。目前，國內外很多學者針對智能分布式FA 技術開展了大量的理論研究，并提出了基于IEC 61850的不同實現策略[9-15]。但是，上述策略在實際工程中普遍缺乏應用經驗。同時，對于采用IEC61850對等通信的智能分布式FA，不同供應商終端之間互操作對通信模型和功能邏輯的一致性要求非常高，導致實際工程中互操作成功率非常低，這也成為推廣智能分布式技術的最大技術障礙。

然而，由于缺乏大規模終端聯動的有效測試手段，目前國內尚未開展智能分布式自動化終端互操作測試。現有智能分布式FA 測試方法現狀如下：

1）參與智能分布式測試的配電自動化終端均來自同一個供應商；

2）現有測試工作主要是在廠內或者現場實施，基于開環測試思路，借助繼電保護測試儀施加不同的電壓電流量以模擬故障。

上述情況可知，現有測試手段存在以下不足：

1）在廠內開展的測試，缺乏典型性網架的配電測試系統，測試結果對于智能分布式自動化終端現場運行的指導意義非常有限；

2）在現場開展的測試，自動化終端通常分布在不同地點的配電房中，相距數公里，不便于挖掘、分析和解決智能分布式自動化終端之間的配合問題，工作效率低，特定情況下甚至需退出一次設備以進行停電測試，顯著降低了供電可靠性；

3）開環測試雖然操作方便、容易實現，但無法實現閉環，不能將終端的邏輯判斷結果反饋回電網，導致終端的動態響應特性無法得到有效檢驗；

4）無法實現不同供應商智能分布式自動化終端之間的互聯互通測試，現有測試方法所發揮的作用極其有限。

針對上述問題，本文基于實時數字電力系統仿真平臺（RT-LAB），研究并提出了適用于大規模智能分布式自動化終端互操作的硬件在環（HIL）測試平臺、測試方法和測試方案，該成果已經廣泛應用于廣東電網智能分布式終端互操作測試。

1智能分布式技術

1.1通信要求

智能分布式技術要求以毫秒級速度處理線路故障，因此通常以光纖通道作為信息傳播載體，并基于IEC61850的通用面向對象變電站事件(GOOSE)高速網絡通信方式實現配電終端間對等通信[16]。

將每臺配置智能分布式功能的配電終端定義為一個智能電子設備(IED)。不同廠商的IED能力描述文件(ICD)應采用統一模板。集成商根據饋線實際靜態拓撲關系以及各IED的ICD模型，生成全站系統配置文件(SCD)，并由SCD文件配置生成每臺IED的實例配置文件(CID)，用于定義各IED對外發送的GOOSEOUT 數據信息以及所接收的GOOSEIN 數據信息。

圖1智能分布式相鄰節點關系

若一條饋線上開關A 與開關B之間的路徑上無其他開關，則A 與B 是相鄰的。以圖1 為例，開關CB的M側區域的相鄰開關為M 1、M 2和M 3，N 側區域的相鄰開關為N1。

智能分布式通信網絡中，相鄰終端相互發布/訂閱。GOOSE 發送機制依據IEC61850 標準，并以組播方式發布信息，兩側的相鄰配電終端以單幀確認機制訂閱GOOSE報文。

1.2功能邏輯

目前國內大部分配電網架都是采用“閉環設計、開環運行”的模式，因此本文只針對開環運行的配電線路提出智能分布式邏輯。

在參與智能分布式的節點中，將所有節點分為首開關、末開關、聯絡開關、其他分段開關。首開關是指與變電站出線開關連接的第一個分段開關；末開關是指配置智能分布式功能的最末端開關。

本節點故障檢測邏輯：若本節點檢測到故障電流，則瞬時觸發“節點故障”GOOSE 信號。

故障切除邏輯：對于非末開關節點，若本節點檢測到故障電流，M側和N 側節點中有且只有一側的節點均未發出“節點故障”GOOSE信號，則跳開本節點開關；對于末開關節點，若本節點檢測到故障電流，且收到M側和N 側任一節點的“節點故障”信號，則跳開本節點開關。

故障隔離邏輯：若本節點未檢測到故障，且收到M側或N側有且僅有一個節點的“節點故障”GOOSE信號，則跳開本節點開關，并觸發“故障隔離成功”GOOSE 信號。

首開關失壓保護邏輯：若首開關兩側均無壓且該節點無流，則跳開首開關，并觸發“故障隔離成功”GOOSE輸出信號。

開關失靈聯跳邏輯：若開關拒跳，則觸發“開關拒跳”GOOSE 信號；同時，相鄰節點收到該信號則瞬時跳開該節點開關，若該節點未檢測到故障且跳閘成功，則觸發“故障隔離成功”GOOSE信號。開關失靈邏輯只檢測一級拒跳。

GOOSE 通信異常的故障切除與隔離邏輯：通信異常時自動投入通信異常過流保護和通信異常失壓保護，分別用于切除故障和隔離故障。

供電恢復邏輯：故障隔離成功后，各節點向兩側依次轉發“故障隔離成功”GOOSE 信號，聯絡開關若單側失壓且收到“故障隔離成功”GOOSE信號，則啟動聯絡開關合閘，完成轉供電過程。

饋線開關故障切除邏輯：饋線開關節點不參與智能分布式時，無需訂閱GOOSE報文，但檢測到故障電流時應觸發“過流閉鎖”GOOSE信號，并跳開饋線開關。

根據上述的智能分布式功能邏輯，共涉及4個GOOSE 輸出信號，其虛端子如表1所示。

表1 GOOSE輸出虛端子表

2測試平臺

基于實時數字電力系統仿真系統，搭建了一個適用于智能分布式自動化終端互操作的硬件在環仿真測試平臺，如圖2所示。

圖2基于實時數字電力系統的閉環測試平臺示意圖

該平臺主要由實時數字仿真器RT-LAB、輸入輸出I/O 板卡及其接口模塊、實時功率放大器、智能分布式配電終端、模擬斷路器、工業級網絡交換機等組成。

實時數字仿真器RT-LAB由上位機和下位機兩部分組成。上位機基于MATLAB/Simulink仿真軟件，搭建配電網仿真模型，用于模擬電力系統一次部分；下位機采用分核并行計算實現實時仿真計算，輸出配電終端所需的電氣量，并接收模擬斷路器位置信號，實時控制仿真系統中的斷路器。

I/O 板卡包含4 種類型，即模擬量輸出(AO)、模擬量輸入(AI)、數字量輸出(DO)、數字量輸入(DI)。其中，AO轉換器將仿真系統中的電壓電流數字量轉為模擬量，輸出小信號模擬量；DI轉換器將反映模擬斷路器位置狀態的電信號轉為數字量。

I/O接口模塊是連接RT-LAB與外部硬件設備的“橋梁”。在該平臺中，I/O接口模塊扮演RT-LAB與功率放大器之間、RT-LAB與模擬斷路器之間的接口角色。

模擬斷路器分別與配電終端和RT-LAB連接，接收配電終端輸出的開關動作信號以閉合或斷開模擬斷路器，并將其開關位置信號反饋回RT-LAB用于控制仿真系統中的斷路器。

工業級網絡交換機將所有參與測試的智能分布式配電終端以及后臺控制平臺放在同一個局域網中，實現通信層面的互通。根據配電網拓撲結構，配置配電終端之間的發布與訂閱關系。

3測試方案

對于智能分布式配電終端互操作測試，主要內容涵蓋兩大方面，即IEC61850通信規約一致性和智能分布式邏輯功能正確性。

通信規約方面，重點檢測IEC61850的ICD建模、GOOSE發送與接收機制；智能分布式邏輯方面，重點檢測首開關、末開關、聯絡開關、普通分段開關、饋線開關等不同角色開關的功能邏輯，以及開關拒跳和通信異常等非正常情況的處理方式。

在基于GOOSE對等通信的智能分布式技術中，GOOSE通信是實現配電終端之間“發布/訂閱”的重要方式，是相鄰終端間傳遞信息的重要載體。配電終端是“個體”、智能分布式邏輯是配電終端的“大腦”、GOOSE 是配電終端間交流溝通的“語言”。而ICD模型是該語言的“語法結構”，GOOSE發送與接收機制則是終端之間的溝通方式。不同廠商配電終端進行互操作的基本前提是終端之間必須使用彼此能夠識別的統一語言來傳遞自身的信息。

作為配電終端的“大腦”，智能分布式邏輯是實現準確故障定位、故障切除、故障隔離、轉供復電的核心。在智能分布式邏輯測試中，重點關注配電終端的節點故障檢測邏輯、故障切除邏輯、故障隔離邏輯、首開關失壓保護邏輯、末開關故障切除邏輯、饋線開關故障切除邏輯、開關失靈聯跳邏輯、GOOSE 通信異常的故障切除與隔離邏輯、供電恢復邏輯、緩動型邏輯、GOOSE信號轉發及信號展寬要求。

為充分檢驗不同制造商智能分布式終端之間的互通性，測試方案遵循“不同廠商終端相互錯開”的配置原則。

4實例分析

4.1測試環境

基于RTLAB/Simulink 建立了一個10 kV單環配電網仿真模型，如圖3所示。

圖3 10 kV單環配電網示意圖

圖3中，黑色實心表示開關閉合，空心方形表示開關分閘。Grid_1和Grid_2為不同方向的供電電源；Sub_CB1和Sub_CB2為2臺變電站出口斷路器；RMU1-RMU4為4個環網柜；

CB11、CB12、CB21、CB31、CB32、CB41、CB42為環網柜的環進環出開關；CB22為聯絡開關；CB13、CB23、CB33、CB43為饋線開關；Line_1-Line_5為分段線路；Feeder_1-Feeder_4為負荷饋線。上述所有開關均為斷路器。

測試算例中，CB21、CB22、CB31、CB32、CB41、CB42、CB33、CB43共8臺 斷 路 器 分別連接8臺待測智能分布式配電終端。CB22為聯絡開關；CB21、CB42為首開關；CB31、CB32、CB41 為普通分段開關；CB33 為末開關；CB43為饋線開關。配電終端來自4個供貨廠商，其中CB21和CB32來自廠商A、CB22和CB41 來自廠商B、CB31和CB43 來自廠商C、CB33和CB42來自廠商D。

根據圖2搭建了基于實時數字電力系統的閉環仿真實驗平臺及測試環境。

4.2測試效果

本文列舉測試中若干典型的故障隔離及轉供復電測試算例。

1）一般故障的處理過程如圖4所示。線路Line_4發生故障，CB41和CB32分別啟動故障切除邏輯和故障隔離邏輯跳閘，聯絡開關CB22啟動供電恢復邏輯合閘完成轉供復電。

圖4線路Line_4故障的轉供電過程

2）末開關下游發生故障的處理過程如圖5所示。負荷饋線Feeder_3發生故障，末開關CB33切除故障，但無需觸發“故障隔離成功”GOOSE信號，因而聯絡開關CB22不合閘。

圖5末開關下游故障情況下的故障處理過程

3）饋線開關下游發生故障的處理過程如圖6所示。負荷饋線Feeder_4發生故障，饋線開關CB43切除故障，并觸發“過流閉鎖”GOOSE信號，確保CB41和CB42不誤動。

圖6饋線開關下游故障情況下的故障處理過程

4）開關失靈異常情況下的轉供電過程如圖7所示。線路Line_4發生故障，CB32和CB41開關失靈拒跳，鄰側開關CB42切除故障，鄰側開關CB31、CB33隔離故障，CB31觸發“故障隔離成功”GOOSE 信號，聯絡開關CB22啟動供電恢復邏輯合閘完成轉供復電。

圖7開關失靈異常情況下的故障處理過程

5）GOOSE 通信異常的故障切除與隔離邏輯轉供電過程如圖8所示。環網柜母線RMU3發生故障，斷開CB33配電終端與交換機連接的網線。在此情況下，CB31與CB33之間、CB32與CB33之間通信異常，即3臺配電終端均處于通信異常情況，應啟動GOOSE通信異常的故障切除（過流保護）與隔離邏輯（失壓保護）。圖8中，CB32過流保護動作、CB31和CB33失壓保護動作。聯絡開關CB22啟動供電恢復邏輯完成轉供復電。

圖8 GOOSE通信異常情況下的轉供電過程

4.3問題分析

目前國內尚未開展智能分布式自動化終端互操作的相關工作，不同廠商終端在相互配合中暴露出各種問題，關鍵問題總結如下。

1）通信方面。ICD模型文件一致性校驗存在問題，不同廠商終端無法相互識別和兼容，SCD組態過程中部分廠商配置工具不可解析其他廠商ICD模型文件，導致SCD組態不成功。實例化模型文件部分字符串（如GOCBRef、DataSetRef、GOID等）不一致導致通信異常。不同廠商發送的GOOSE 報文存在差異，如StNum、SqNum、GOOSEpdU 報文長度及數據集DataSet 長度不一致。GOOSE 接收和發送機制沒有統一。

2）邏輯方面。GOOSE 信號展寬不一致導致邏輯功能誤觸發，如“節點故障”GOOSE信號展寬不同、觸發該GOOSE 信號的時刻不一致。各類功能邏輯在實現上存在差異，如開關動作時限、信號觸發時限、開關拒跳、饋線開關邏輯等。

上述問題的根本原因在于智能分布式互操作對通信模型和功能邏輯的一致性要求非常苛刻，而目前缺乏詳細統一明確的智能分布式技術實施規范，導致廠商在研發中存在技術差異，而涉及相互配合的技術差異則成為影響互聯互通的核心因素。

5結束語

針對實際工程中智能分布式自動化終端互操作成功率低且大規模終端聯動測試有效手段缺乏的問題，本文提出了基于RT-LAB/Simulink的硬件在環測試平臺和測試方法，并通過大量的測試案例總結了不同供應商自動化終端在互操作中所暴露出的關鍵問題。

基于物理-數字的半實物閉環仿真測試平臺開展互聯互操測試，顯著減少了現場測試的工作量，且不影響一次系統的正常運行。此外，基于該平臺便于發掘和分析智能分布式互操作問題，有利于在設備現場投運前解決潛在的問題，為智能分布式現場測試及落地投運等工作的順利開展掃除了技術障礙，為智能分布式自愈的推廣應用提供了重要的技術支撐。