基于SCADA 數據分析的配電網全故障自動化模擬實驗平臺的設計與實現

馬雁，許多，石鋒杰，付婷婷，董雪峰

（鄭州電力高等專科學校，河南鄭州，450000）

0 引言

“十四五”提出，將進一步加快電網數字化轉型步伐，加強智能輸電、配電、用電建設，推動建設多能互補的智慧能源建設，以電網的數字化、智能化建設，促服務智慧化，全力提升用戶獲得感。配網自動化是實現智能配電網的重要組成部分，是智能電網的具體體現。配網自動化系統是實現配電網運行監視和控制的自動化系統，具備SCADA、饋線自動化、電網分析應用及與相關應用系統互聯等功能，主要由配電主站、配電終端、配電子站（可選）和通信通道等部分組成[1～2]。配網自動化地實施可有效改善供電質量，提高供電可靠率；與用戶建立更密切、更負責的關系；極大地提高配電網調度、生產、運行的管理水平；從而為供電企業帶來巨大的經濟和社會效益。配網自動化系統的安全穩定運行關乎配網的安全穩定，長期以來配網的建設未得到應有的重視，尤其是設備技術性能落后，事故頻繁發生，嚴重影響了人民生活和經濟建設的發展。

目前，雖然已有大量學者開始注意到以提高供電質量和供電可靠性為目標的配網自動化系統所面臨著的新技術挑戰和技術困難。例如，電網的大量不可控干擾時刻考驗著配網自動化系統主站在不斷變化的擾動環境中對配網的判斷準確性和策略可靠性，與子站、終端、通信、開關設備、繼電保護、備用電源等在故障處理過程中的能力[3]。經驗和事實證明近年來國內外的重大的電網事故，往往不是因為某個元件的故障造成的[4]，而是由配網自動化系統在擾動環境中，從判斷錯誤、策略失誤到某個故障元件引發的一連串連鎖反應。目前國內的配電網自動化試點工程已全面鋪開，但就各種配網自動化的運行模式、作用等并沒有定論，有關安全性、可靠性研究工作還需要展開[5～6]。從已經投運的配網運行現場看，各試點現場在投運前都沒有很好的測試方法驗證系統的安全性和可靠性[7]。因此，只是實現簡單的數據采集、故障檢測等基本功能，而封閉了故障判斷、隔離和恢復，以及其他的高級應用功能。因此配網自動化在缺乏仿真手段時缺少了固有的優勢，導致實用化進程緩慢。更為嚴重的是某些配網自動化現場因測試條件不具備而使得配網自動化系統的大量設備變成一種擺設，從而造成很大的浪費[8～9]。

綜上所述，建設配網自動化模擬實驗平臺是非常必要的。用來對系統、設備等進行運行前的測試及驗證，和新技術的開發以保證系統真實運行時的安全性、可靠性，為系統運行實用化打下堅實的基礎。

1 自動化模擬實驗平臺建設方案與結構

基于SCADA 數據分析的配電網全故障自動化模擬實驗平臺是通過對配網自動化系統在不同場景下的各種運行狀態的研究，解決現今配網存在的各種技術問題，特別是現場測試困難問題，開發和創造新的技術成果和設備，為配網的建設提供有力支持。

■1.1 模擬實驗平臺建設方案

配電網全故障自動化模擬實驗平臺主要建設主站硬件設備一套，包括：區域子站、通信工作站、服務器、人機交互工作站等功能于一體，搭建系統運行硬件環境。建設單網以太網通信網絡，與硬件設備構成單機單網運行模式。建設配電網調度主站系統一套，配置配電SCADA 軟件、配電高級應用軟件，完成配電網調度SCADA 功能以及配電網高級分析功能。建設配電網模擬測試臺一臺，模擬三條配電網線路及分段開關、聯絡開關，并實現互聯。可以模擬配電網故障[10]。建設配電網柱上開關終端單元(FTU)12 臺，用于開關三遙和故障檢測，信息上傳。利用“DATS-1000”主站測試裝置和“DATS-2000”故障同步發生裝置，來對整個仿真自動化系統做各種運行場景、極端環境，故障狀態的模擬。該項目方案將具備以下功能：

(1)模擬功能

該系統可模擬配網自動化的正常運行方式和故障運行方式及故障后的判斷、隔離和網絡恢復的過程。系統具備配電SCADA 基本功能和配電高級應用功能。配電SCADA 系統包括數據庫存儲、前置通信、數據處理、人機展現、查詢統計等功能部分，以上各個模塊的有機結合，完成了配電網SCADA 系統數據采集、數據存儲、數據計算處理、數據展現等各項功能配電高級應用系統完成配電網網絡建模、潮流計算、運行方式優化、故障分析處理、仿真調度等功能。

(2)試驗研究功能

利用本系統，通過對已建配電網自動化系統的模擬搭建及運行，可進行正常運行情況的模擬及網絡優化、故障狀態模擬及網絡恢復重構演示、實際配電網自動化系統的優化等。

(3)測試功能

本系統可接入不同廠商的配電終端，對其功能進行測試，亦可接入不同廠商的主站系統對其進行測試。

(4)人員培訓功能

系統能完成配電網自動化各類人員的技術培訓，包括線路工作過程的學習培訓、現場操作與參數整定培訓、接線培訓、參數整定培訓、遠程操作控制培訓、故障模擬與排查培訓、故障處理培訓、各種運行方式的模擬運行培訓等。

■1.2 模擬實驗平臺體系結構

配網自動化模擬試驗系統由FTU、模擬控制臺，區域子站、主站系統及網絡等部分組成。配網自動化仿真測試平臺可采用目前先進的分層分布式可裁剪系統架構，分為主站層、區域子站層和終端設備層。如圖1 所示。

圖1 模擬實驗平臺體系結構示意圖

圖1 中配電主站系統和通信子站通過以太網相連，區域子站與各個終端設備(FTU)之間可通過以太網或串口進行通信。配電主站系統軟件可裝在一臺配置較高的PC 機上，分別包括前置服務、實時數據處理服務、高級應用服務、人機界面、數據庫等程序模塊。也可將這些程序服務安裝在不同的機器上。配網自動化主站系統的建設，在體系結構上采用純Windows 平臺。數據庫采用SQL Server 2000，完成系統信息存儲、處理、展現。配電SCADA 系統和高級應用系統都采用C/S 軟件模式，保證了系統功能實現，和對效率和指標的要求。

配網自動化主站系統采用單機單網硬件結構，結構簡潔、易建、易維護，保證系統運行可靠性和穩定性，有效保證工作開展。配網自動化主站系統在數據庫存儲設計上使用面向對象技術，減少了數據庫存儲信息的冗余，提高了數據庫訪問的效率；在系統模型設計上，把電網靜態拓撲作為系統固有特性進行存儲，動態拓撲結合開關狀態動態生成，提高了系統拓撲模型構建的效率，使得系統結構上更加合理，便于用戶實習、操作。

通信子站由一臺PC 機或專用通信子站交換機構成。模擬控制臺模擬配電網饋線線路和一次設備，模擬各條饋線段故障、正常及開關的分合及指示。模擬控制臺上模擬的一次設備包括出線開關、分段開關或斷路器，以及聯絡開關、饋線段。每個一次設備與相應的FTU 連接進行信息傳輸。

2 模擬實驗平臺功能與技術特性

基于SCADA 數據分析的配電網全故障自動化模擬實驗平臺具有配電網數據采集、數據處理、故障檢測與定位、故障隔離、故障恢復、控制調節、事件和告警、事故追憶和重演、實時計算等多重功能。

(1)數據采集

數據采集通訊軟件是配電SCADA 系統的重要組成部分，主要完成對試驗室配電子站信息的采集，包括兩部分內容：FTU 實時信息和配電網模擬測試臺產生的故障信息，信息通過檢查、效驗，傳送到數據處理軟件和高級應用軟件進行處理，形成實時數據、歷史數據和分析結果，供人機交互工作站及其他系統使用。

數據采集方式可為串口和網絡有兩種，串口支持RS-485、RS-232、RS-422等，網絡支持TCP/IP、GPRS/CDMA等。采集系統的通信協議包括IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、MODBUS、GPS 對時等。

(2)數據處理

數據處理軟件主要對信息采集子系統發來的數據進行判斷、計算、處理生成實時數據庫，提供實時數據服務；對實時數據進行比較統計處理，生成歷史數據，存入歷史數據庫系統，供歷史查詢子系統使用。

高級應用軟件讀取歷史數據庫存儲網絡圖模信息，同時接收數據處理軟件發來的實時數據（YC 信息和YX 信息），構建系統網絡拓撲，建立計算分析模型，處理高級應用功能，如潮流計算、網絡重構、故障處理、負荷預測等，把結果發送到人機交互子系統進行展現。

(3)故障檢測與定位

故障檢測與定位的目的是根據配電SCADA 系統收集的故障信息判斷故障發生的饋線及具體的饋線段，可利用的故障信息主要包括：

①變電站保護動作信號；

②變電站事故總信號；

③變電站出線斷路器動作信號；

④變電站出線斷路器重合閘信號；

⑤具有保護功能的饋線開關保護動作信號；

⑥具有保護功能的饋線開關的動作信號；

⑦故障過流原始信號（A、B、C、3I0、3U0 過流信號）。

根據變電站保護和出線斷路器的動作等上述故障信息，首先判斷所發生的故障是瞬時性故障還是永久性故障。如果出線斷路器重合閘成功，則故障為瞬時性故障，不需要運行DA功能；否則為永久性故障，需要進入故障檢測與定位功能。由于配電網在運行狀態下通常是輻射狀網、樹狀網或者是處于開環運行的環網，因此，判斷故障區段只需根據饋線沿線各開關是否流過故障電流就可以了。假設饋線上出現了故障，顯然故障區段位于從電源側到末梢方向最后一個經歷了故障電流的開關和第一個未經歷故障電流的開關之間的區段。

判斷故障發生的饋線及具體的饋線段可以通過多種方法來實現。其中，最常用的方法是啟發式搜索算法：從饋線首端節點開始沿閉合開關執行寬度優先搜索，并且根據饋線段與開關的關聯關系來找到各饋線段相聯的開關，根據上述的故障檢測、定位原理來進行故障位置的判斷。

(4)故障隔離

故障檢測、定位任務完成后，接下來的工作就是故障的隔離。故障隔離時，首先根據饋線段與開關的關聯表，搜索出該饋線的邊界開關，然后針對這些開關，形成一個故障隔離的方案，并按照這個方案逐個操作故障區段的邊界開關，以達到隔離故障的目的。

(5)故障恢復

故障隔離后，對那些不存在故障的區段，應該恢復對它們的供電，這就是要進行故障恢復。故障恢復的任務是在不對電網結構作重大改變并能滿足約束條件的前提下對網絡進行重構，以帶電區域為電源，最大限度地恢復對非故障停電區的供電。

需要恢復的供電區段有兩處，即故障區段的上游區段恢復和下游區段恢復。其中，上游區段的恢復非常簡單，方案也是唯一的，即取出發生故障的饋線的出線開關，合上該開關即可。當配電網中多條饋線發生永久性故障時，只要對每一條饋線合上其出線開關，即可完成故障區段上游區段的恢復。

(6)控制調節

控制調節主要是指遠方控制開關的開合、改變變壓器的分接頭位置、投切電容器、保護及重合閘遠方投停以及保護定值遠方設置等。具體包括如下功能：遙控遙調操作，閉鎖控制/解鎖功能，保護定值遠方設置，設備的掛牌/解牌操作等等。

3 模擬實驗平臺測試示例

■3.1 實訓室模擬臺結構

配電網全故障自動化模擬平臺是專為電力系統終端和主站系統對配電線路故障所做出的判斷與處理的模擬測試設備，根據模擬實驗室要求，它可模擬3 條線路、12 個開關配電系統的實驗。外形如圖2 所示。

圖2 模擬測試臺外形

配電網模擬測試臺內部開關連接方式如圖3 所示。

圖3 配電網模擬開關連接方式

圖4 模擬臺系統接線示意圖

本測試臺內部采用繼電器模擬線路開關，并具有和實際開關相類似的電壓互感器和電流互感器，各個線路開關模擬單元與終端單元用航空插頭連接，所有接線通過接線端子轉接，易于教學過程中根據需要更改接線模式。終端與設備的連接用航空插頭，可接于12 個開關的任一處。

■3.2 擬測試示例

模擬雙電源的配電網接線如圖5 所示。

圖5 饋線故障模擬自動化示意圖

將6 臺FTU 接到 b、c、d、e、f 和g 處，b、c、e、f 和g，狀態為合，d 狀態為分。故障發生器接到B 處。在故障發生時，只有與b 開關的FTU 記錄下故障信息，其他處FTU 無故障信息，將上述信息傳至配電主站，經計算機系統分析后確定故障區段在B 段，供電恢復方案是跳開b、c 開關，隔離故障，合上d 開關，恢復健全區段供電，如圖6 所示。

圖6 故障隔離恢復示意圖

模擬多聯絡的配電網接線如圖7 所示。

圖7 饋線故障模擬自動化示意圖

將6 臺FTU 接到 b 、c、d 、e、f 和 i 處，b、c 、f和 i 狀態為合，d 和e 狀態為分。故障發生器接到B 處。模擬故障發生時，只有與b 開關的FTU 記錄下故障信息，其他處FTU 無故障信息，將上述信息傳至主站，經計算機系統分析后確定故障區段在B 段，首先應斷開b 、c 開關。將故障隔離，其次考慮負荷均衡化，經比較電源H 所帶負荷較輕。故斷開開關i，閉合開關e、d,恢復健全區段供電，如圖8 所示。

圖8 故障隔離恢復示意圖

4 結論

本文首先基于SCADA 數據分析的配電網全故障自動化模擬實驗平臺的建設方案，然后對實訓室結構和主要功能進行系統闡釋和說明。主要介紹了配電網全故障自動化模擬實驗平臺的SCADA 數據采集、數據處理、故障檢測與定位、故障隔離、故障恢復、控制調節、事件和告警、事故追憶和重演、實時計算等多重功能。最后，結合實際模擬測試示例，模擬配電網各種正常運行及故障情況的場景，仿真配電網開關及配網自動化終端的有關功能，將配電網及開關、終端的數據信息通過通信接口注入被測的配網自動化主站系統，并通過接收主站的遙控命令等互動過程，實現對主站系統故障處理全過程的交互式測試。解決了配網自動化的現場測試難題，充分發揮自動化系統供電可靠性、安全性、經濟高效性在實際應用中的優勢。