一二次融合智能開關就地式FA硬件在環仿真測試研究

何洪流， 吳 鵬， 李前敏， 付 宇， 張銳鋒， 王卓月

(貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

近年來配電自動化快速發展，采用的一二次融合智能開關越來越多，是智能配電網建設的趨勢[1]。配電網一二次融合智能開關[2]優化了一二次設備之間的配合程度，減少了安裝、運維人員的現場工作量。一二次融合智能開關采用電子式交流傳感器[3-4]，采樣線性度好、采樣范圍大、可兼顧測量、保護需求；同時，一二次融合智能開關深化應用故障就地化處理高級功能[5-7]，成為智能配網的典型特征。這些優點提升了配電自動化、智能化的水平，但新技術、新功能的引入，對測試設備也提出了更高的要求，尤其是就地式饋線自動化（feeder automation，FA），不僅是單個節點實現邏輯動作即可，而且需要相鄰設備間的可靠配合。投運前，一次設備、二次控制終端都分別經過了檢測[8-12]，如何對一二次融合開關就地式FA的動作邏輯進行測試是當前業界的一個共性問題。

針對FA測試方法的研究，文獻[13]采用專用軟件的方式模擬配電網絡故障前潮流和故障短路電流，通過規約發送到主站，進行主站集中式FA處理邏輯的測試；文獻[14]提出了終端注入法和混合注入法，終端注入法是軟件方式仿真配電網故障信息，通過測試儀把故障信息以電氣信號的方式注入到配電終端，從而測試FA處理邏輯的方法；文獻[15]研究了分布式FA測試過程中注入主動干擾信息，進一步測試異常情況下FA處理邏輯的可靠性。在測試智能開關的就地式FA邏輯時，這些測試方法存在以下缺點：

1）配電網絡中不同位置的節點(如變電站出口斷路器、線路聯絡開關、線路分段開關)，就地式FA有不同的處理邏輯，測試系統需要選擇不同的控制邏輯，進行多角色的切換，操作不方便。

2）就地式FA系統測試邏輯是否適用該節點，不僅取決于該節點所對應開關類型及內部參數配置，還取決于上下游節點內部參數配置是否合理。這些關鍵性參數是否合理是就地式FA控制邏輯實現的先決條件，所以就地式FA有必要進行系統級測試。若要完成系統級FA功能測試，不僅需要用多套測試設備，測試前還需要接線、搭建測試環境，這樣做成本高、設備占地面積大；且對于不同的測試網絡切換還要重新搭建測試環境。

為此，本文研究一二次融合智能開關就地式FA測試技術，提出基于硬件在環[16-17]( hardware-inthe-loop，HIL)的就地式FA測試方法，來解決一二次融合智能開關的就地化FA測試難題。

1 HIL原理

實際研發、工程應用中，經常需要對控制器的功能、性能進行測試、驗證。但是受條件限制，控制對象有時并不容易獲得，而且實物測試也會存在限制。HIL硬件在環測試技術就應運而生。

硬件在環指控制器硬件嵌入到被控對象的模型中測試，是實體控制器與虛擬控制對象融合的仿真測試方法。比單純模型仿真的可靠性和可信度大幅提高，而且能避免一些客觀條件的限制，比如成本、破壞性等，被廣泛運用于各種控制器的測試中。

HIL測試系統由圖1所示的三部分組成，被測對象，本文是指一二次融合智能開關；系統實時仿真器和I/O接口是HIL測試系統的核心，仿真被測對象的運行工況，本文指的是配電網絡和配電終端處理邏輯。操作界面是HIL系統的人機交互界面。

圖1 HIL組成

將HIL 仿真技術應用于一二次融合智能開關就地式FA測試，可以實現低成本的就地式FA系統級測試。

2 基于就地式FA邏輯的虛擬節點建模

2.1 構建虛擬節點的作用

前文已闡述就地式FA必須進行系統級測試。進行FA功能系統級測試時，首先要對被測配電網絡建模，即需要搭建一個與被測網絡一致的仿真測試環境。測試對象是智能開關整體，就地式FA測試時是在智能開關一次側注入信號量，需要用智能開關測試臺。搭建一個多節點的實物仿真配電網絡，需要同節點數量的智能開關和測試臺體。這樣的仿真測試系統將會占用很大的場地，智能開關測試臺是昂貴的設備，仿真測試系統難以實現。

深入分析，實際需要測試的僅僅是一個節點的就地式FA處理邏輯，其他的節點只要配合該節點動作就可以了。為此，構建虛擬節點來仿真就地式FA處理邏輯。在測試網絡中用虛擬節點代替實物智能開關，和實物智能開關一起組成一個配電自動化網絡，即虛實結合的就地式FA網絡級測試環境，是基于HIL的原理的靈活應用。虛擬節點就是HIL中的系統實時仿真器，如圖2所示，圖中待測配電網絡中，只有S5開關是實物開關，其余節點都是虛擬節點。

圖2 硬件在環FA測試系統組成

該解決方法帶來的好處是，既實現了就地式FA的系統級測試，又避免了場地占用大、投資大、使用不便的問題。

2.2 虛擬節點的建模方法

一個實現了就地式FA的手拉手配電自動化網絡，是由不同角色的開關及其控制器組成的，一般有出口斷路器及其控制器、分段開關及其控制器、聯絡開關及其控制器。控制器的就地式FA處理邏輯與其開關節點的角色密切相關。

變電站出口開關控制器具備完善的保護功能，當檢測到線路有故障時，控制器首先啟動重合閘保護功能，完成線路上故障的切除，保護配電網的安全穩定運行。

線路分段開關通常是安裝于配電線路的主干線上，可將線路劃分為N個區間，便于線路故障時分區段隔離。一般情況下，當分段開關控制器監測到線路處于失壓或無流狀態時，會自動跳閘，使開關處于分位狀態。當分段開關重合閘次數達到設定值后，判定線路發生永久性故障，自動閉鎖開關使其處于分閘狀態，完成故障隔離。

聯絡開關是指連接兩條不同電源點線路的開關，其控制器有單側失電合閘、雙壓閉鎖功能。在手拉手供電網絡，當一側出現故障，隔離故障后，通過聯絡開關合閘把無故障負荷轉移到另一個電源供電，從而提高供電可靠性。

就地式FA有多種類型，開關控制器故障處理邏輯與就地式FA的類型也密切相關，比如：電壓時間型的分段器有一個處理邏輯為無壓分閘，但在電壓電流型中就不僅包括無壓分閘，還有合閘有過流或零壓可以直接跳閘的邏輯。

綜上分析，構建虛擬節點模型由就地型FA類型、開關節點角色、控制功能邏輯、開關動作時間共4部分組成。其中就地式FA類型包括：電壓時間型、電壓電流型、自適應綜合型、合閘速斷型。開關節點角色包括：出口斷路器、聯絡開關、分段開關。控制功能邏輯：是指開關控制器就地式FA的處理邏輯，如電壓時間型FA主要邏輯：來電延時合閘、無壓分閘、正向閉鎖、反向閉鎖、單側失電合閘、雙壓閉鎖等。開關動作時間為在一定范圍的隨機數，模擬實際開關動作時間。

構建了仿真節點模型后，用軟件實現仿真節點。

3 基于HIL的智能開關就地式FA系統級測試

3.1 基于HIL的FA測試系統硬件組成

基于HIL的測試系統硬件由一臺測試工作站、一臺或多臺智能開關及測試臺體組成，如圖3所示。通過高壓電纜將智能開關與測試臺體連接，測試工作站下發電氣數據至測試臺體，測試臺體收到該信號通過內部升壓、升流裝置轉換成一次高壓信號輸出至智能開關。

圖3 基于HIL的FA系統級測試系統組成

3.2 軟件系統組成

測試軟件由虛擬節點群管理子系統、配電網運行仿真子系統組成，部署在測試工作站，虛擬節點群管理子系統主要實現虛擬節點的仿真管理、邏輯動作仿真，并與配網運行仿真子系統實時交互數據。配電網運行仿真子系統用于FA測試管理，主要功能有一次接線網絡拓撲分析、潮流分析、 故障特性分析、建模工具、測試報告管理等。

3.3 基于HIL的FA測試流程

仿真測試時，首先利用建模工具繪制待測線路拓撲，并指定各開關節點角色。其次通過網絡拓撲分析模塊生成待測線路拓撲關系，潮流分析模塊與故障分析模塊調用拓撲分析模塊結果，根據測試案例設置參數分別進行潮流計算與故障模擬。再次將待測智能開關利用高壓線纜與測試臺體相連接并與網絡拓撲中的任一節點進行綁定，其余節點用虛擬終端代替實際開關。最后，仿真運行軟件根據潮流計算與故障分析模塊計算電氣數據控制功率源輸出。測試過程中，虛擬終端利用遙控分合閘命令控制各開關節點的分合位置以實現開關動作邏輯，系統記錄各運行狀態下開關的動作位置與設定位置是否相同以判定FA邏輯動作正確性。

3.4 虛擬節點群管理子系統

虛擬節點群管理子系統功能模塊組成如圖4所示，由配置管理模塊、通信管理模塊、虛擬節點組以及日志管理模塊組成。

圖4 虛擬節點群管理子系統組成

1）配置管理模塊

實現對虛擬節點群的各種配置，包括轉發配置、通信配置和仿真角色配置、動作邏輯配置。

2）通信管理模塊

該模塊的作用是管理虛擬節點群與配網運行仿真子系統間的實時數據通信。數據交互是雙向的，對應數據流也是雙向的，虛擬節點接收配網運行仿真子系統下發的仿真數據，同時配網運行仿真子系統采集每個虛擬節點的開關狀態、遙測數據。雙向數據流如圖5所示。

圖5 通信模塊實現原理

圖5的通信模塊讀取配置參數中的通道鏈路與通信協議，與配網運行仿真子系統建立通信鏈接，該鏈接是數據傳輸的通路；監聽端口模塊持續監聽與配網運行仿真子系統間的通道鏈路狀態，當鏈接超時，超時處理單元會重新建立鏈路。收發數據模塊通過TCP的Socket鏈路完成與虛擬節點的數據交互、接收配網運行仿真子系統發來的數據報文命令，接受的命令在信息緩存中。數據處理單元對緩存報文解析后，通過節點信息特征區分對象，然后根據系統配置模塊中的節點拓撲信息特征查詢該節點位置，分別將數據轉發至對應節點接口。

3）虛擬節點組模塊

根據測試網絡，需要配置虛擬節點的數量和類型，再用多線程技術實現多個虛擬節點的并發運行。虛擬節點組模塊可以同時構建多個不同類型的配電線路節點。

測試時每個虛擬節點，仿真一個真實開關節點，其對外通信實現如圖5所示，

通過轉發接口與通信模塊交互數據，數據處理模塊對實時通信數據報文進行封裝或解析；根據系統配置中各節點的定值配置以及保護策略，對接收到的各節點實時數據處理，若達到故障判定條件，即按照相應測試實現故障動作仿真。

4）日志管理模塊

處理、分析日志，生成事項并保存，是日志管理模塊的主要功能。

3.5 配電網運行仿真子系統

配電網運行仿真子系統主要功能模塊包括配電網絡拓撲分析、潮流分析、故障特性分析、建模工具、測試用例編輯工具、測試報告等功能模塊，如圖6所示。配電網絡拓撲分析模塊主要功能是根據待測配電網絡模型，分析電源點、出口斷路器、分段開關、聯絡開關之間的連接關系，形成與之相匹配的網絡圖形拓撲。潮流分析模塊的主要功能是結合當前配電網絡的開關狀態，模擬出各節點的運行負荷、電壓以及功率等實時電氣量。故障特性分析模塊的主要作用是匯集故障時刻各個節點的實時斷面數據。通過內置潮流與故障特性分析算法，生成配電網絡在正常和異常情況下各節點的斷面序列，如故障前正常斷面、保護跳閘動作后斷面、重合閘動作后斷面等，這些運行斷面注入到IED，是進行FA控制邏輯測試的基礎數據。

圖6 配網運行仿真子系統功能組成

建模工具、測試用例編輯、通信接口、測試報告等功能模塊是輔助工具，建模工具的主要功能是利用圖形模擬實際拓撲連接關系，形成與實際待測線路連接關系完全相同的拓撲模型；測試用例編輯工具的主要功能是根據實際需求編輯所需測試案例，完成各種不同狀況下的故障模擬案例，驗證待測試線路故障條件下邏輯是否正確，每個測試用例又包含了配電網的初始態、故障態和主動干擾數據。配電網運行仿真子系統需要和虛擬終端管理群管理子系統、一體化測試臺、被測對象通信，由通信接口統一實現。測試報告工具主要是對測試過程和結果進行分析、并按要求生產報告。

3.6 優點分析

本文提出的基于HIL的一二次融合智能開關就地式FA系統級測試是首次將開關設備本體作為測試對象，可有效驗證一次開關動作時間等機械特性以及開關本體CT飽和因素對FA實用化的影響。此外該測試方法成本低、占地面積小、無需搭建復雜測試環境，克服了僅針對單一終端本體保護邏輯的缺點，可對就地型饋線自動化保護進行系統級邏輯驗證。

4 應用案例

4.1 測試網絡

如圖7所示的模擬網絡中，主干線F1發生短路故障位于開關節點S3、S4之間；F2短路故障點位于開關S4、S5之間。F1、F2發生永久性短路故障，測試開關對象為S5，FA模式以電壓時間型為例。圖7中，S5節點是實物融合智能開關及其測試臺體，其余的開關全部都是虛擬節點。

圖7 就地式FA測試網絡

測試時，FA運行模式人工設置為電壓時間型，所有開關節點動作邏輯人工設置為電壓時間型。

選取貴州電力公司現場使用的就地型一二次融合智能開關進行測試，設置開關類型為分段模式，邏輯時間分別為X=15 s，Y=5 s，C=30 s，XL=50 s，過流 I 段定值 5 A/0 s(CT變比600/5)，保護壓板投入告警。Uab為電源側電壓，Ubc為負荷側電壓（PT變比10 kV/100 V）。開關初始狀態為分位。

4.2 測試案例、測試結果及分析

1）F1處永久性短路故障（試驗次數：20次）

F1處永久性短路故障時的線路拓撲如圖8所示。

圖8 F1處永久性短路故障

測試過程及動作結果，見表1。

表1 F1處永久性短路故障

F1處永久短路故障處理結果如圖9所示。

圖9 F1處永久性短路故障處理結果

2）F2處永久性短路故障（試驗次數：20次）

F2處永久性短路故障時的線路拓撲如圖10所示。

圖10 F2處永久性短路故障

測試過程及動作結果，見表2。

表2 F2處永久性短路故障

F2處永久短路故障處理結果如圖11所示。

圖11 F2處永久性短路故障處理結果

3）測試結果分析

本文選取了就地型配電網兩處典型故障點進行試驗，其中S5號開關為真實開關，線路中其他節點開關為虛擬終端，測試狀態序列如表1、表2所示。

表1為F1處發生永久性短路故障狀態序列。初始狀態1，各開關無故障記憶，開關延時合閘時間為X+C（45s）。狀態2各開關經延時合閘后，聯絡開關分位，出口開關、分段開關處于合位。狀態3，S4開關下游發生故障，S4開關上游產生故障電流、出口開關分閘。狀態4，S4、S5開關失壓分閘。此時故障點上游各開關故障記憶功能開啟，延時合閘時間變為X（15s）。由狀態5、狀態6可知，S4開關合閘后在Y時限內再次檢測到故障，S4開關啟動正向閉鎖功能，出口開關跳閘，經狀態8、狀態9合上S5開關，完成故障隔離。

表2為F2處發生永久性短路故障狀態序列。初始狀態1，各開關無故障記憶，開關延時合閘時間為X+C（45s）。狀態2各開關經延時合閘后，聯絡開關分位，出口開關、分段開關處于合位。狀態3，S5開關下游發生故障，S5開關上游產生故障電流、出口開關分閘。狀態4，S4、S5開關失壓分閘。此時故障點上游各開關故障記憶功能開啟，延時合閘時間變為X（15s）。由狀態5、狀態6可知，S5開關合閘后在Y時限內再次檢測到故障，S5開關啟動正向閉鎖功能，出口開關跳閘，經狀態7、狀態8合上出口開關，合上聯絡開關，完成故障隔離。

上述試驗，重復測試20次，開關動作正確率達100%，證明利用硬件在環仿真測試技術可達到模擬實際開關的效果，能有效驗證就地型FA動作邏輯正確性。

5 結束語

為解決一二次融合智能開關就地式FA測試存在的難題，本文提出了基于硬件在環的一二次融合智能開關就地式FA系統級測試技術。通過構建虛擬節點，在待測試的配電網絡部分節點中，用虛擬節點代替智能開關，構造一個虛實結合的硬件在環FA系統級測試環境，可對各種一二次融合智能開關就地式FA開展系統級功能測試。