配电自动化培训模拟系统的可行性研究

赵 亮

（长园深瑞继保自动化有限公司，南京　211100）

1　系统规划

1.1　必要性

配电网直接面向用户，配电自动化水平是保证供电质量、提高电网运行效率、提升用户服务的关键环节。目前，在各电网公司的配电自动化培训中心普遍采用讲授式教学模式。该方式侧重于知识的讲解，难以模拟众多配电网运行状态和典型故障问题。普遍存在以下问题：

（1）培训设施设备不健全。缺乏对实践能力的培训，缺失对配电自动化设备的安装、调试、验收、维护等培训项目，难以应付大规模实操培训。同时缺乏涵盖架空线路、电缆线路、环网箱（室）等各种各样的配电网设备模型，现有设备不能全面的模拟展示配电系统的运行情况、不能真实的反映配电网故障时的自愈过程。学员对于现场没有直观的认识，不能设身处地的感受到配电网的实际运行状况。

（2）培训模式单一。现有的培训方式以理论知识为主，培训模式单一、培训内容缺乏针对性、培训效果欠佳。学员基本的运行检修、事故抢修等方面的培训与专业发展要求有较大差距。

（3）培训考核评估设备不健全。缺乏技术比武、演练、测试等实操能力的培训平台，不能有效检验学员的学习效果，不能符合配电网发展的技术需求。

随着分布式能源的逐步接入配电网，配电系统朝着智能配电网、主动式配电网方向发展，相比传统的配电系统，在运行方式、能量管理等方面都提出更高的要求，同时对专业人员技术水平的要求也逐步提升。因此，建立一套智能的配电自动化培训模拟系统，完善配电自动化专业的培训功能是十分必要的。

1.2　可行性

培训模拟系统必须贴近实际，同时考虑到场地条件制约、教师教学便捷、学员操作安全、系统实用性强等因素。需要研究一套硬件模拟系统取代软件仿真实验，以实现配电网的真实展现。

1.2.1选址和场地

在省（市）级电力培训机构内部选择有场地条件和师资力量的培训中心或学院，作为系统建设单位。考虑利用现有场地和设备，减少投资成本。应在现有场地内选取2～3条10kV架空线路、电缆线路（含环网箱）或者混合型线路，架空线路杆塔以水泥砼杆为宜。其中，架空线路以含分段开关为宜；电缆线路以含环网箱（室）为宜。同时设立专门的培训教室作为配网主站培训系统建立的场所，培训教室至一二次设备之间的距离控制在200米以内为宜。

1.2.2一次设备

遵循配电网“适度分段，适度联络”的指导思想，以减少用户停电时间及提高供电可靠性为建设目标，结合本地配电网实际情况，适当增加分段、联络、分支开关。配置原则宜采用架空线路每间隔一个杆塔增设一个分段开关，长架空线路（或架空转电缆线路处）增设一个联络开关；电缆线路可配置1～2个环网箱分配负荷。变电站出线转架空线路的第一个杆塔处宜装设柱上断路器，其它分段、联络开关宜装设柱上负荷开关，支路开关装设柱上断路器。环网箱宜配置为2进2出带PT（预留DTU安装位置），进线间隔配置负荷开关、出线间隔配置断路器。

1.2.3二次设备

为实现10kV线路的配电自动化功能，配网终端应具有三遥（遥测、遥信、遥控）功能，并能实现故障诊断。给柱上开关加装馈线自动化终端FTU，环网箱加装站所自动化终端DTU，配电变压器加装配变检测终端TTU。

柱上FTU具备“三遥”功能，可以进行状态量采集、模拟量采集，具有数据处理、保存和转发功能，开关分合控制功能。能够检测线路故障并将故障信息上传给主站，执行主站下发的故障处理控制命令。

站所DTU是针对目前城市电网中应用越来越广泛的环网箱、环网室（小型开闭所），而开发的监控终端产品，可与配电网自动化主站和子站系统配合，实现多条线路的电量采集和控制，检测故障、故障区域定位、隔离及非故障区域恢复供电，提高供电可靠性。

配变TTU能监测并记录配电变压器运行工况，对配变过热、过流、过负荷实行保护，实时监测三相负荷不平衡率。

上述终端设备配合主站系统，可模拟、还原实际工况的配电网，以实现系统的真实性。

1.2.4模拟系统

模拟系统采用配电自动化主站系统，包含终端、子站（可选配）、通信、主站等部分。

模拟系统的硬件主要包括服务器、工作站、交换机以及物理隔离，实现培训模拟系统的智能控制和能量管理，支持MODBUS协议、TCP/IP协议、104规约、CDT规约等常见规约的接入，支持双网在线、双网切换的功能，能实时采集所有终端的相关信息并实现控制。

模拟系统的软件主要由通用平台、配电监控系统、馈线自动化FA系统等组成。其中通用平台提供了数据库访问、网络、广义软总线、分布式运行管理等中间件（组件），构成了整个控制系统实时运行的基础。在此平台的基础上，实现诸如配电监控、FA等功能。

1.2.5培训系统

培训系统可实现多项教学和实操训练，达到理论和实践课程的同步。

（1）配电自动化模拟操作实训：主站的故障处理（DA）功能实训；带电分析功能实训；故障区段定位功能实训；故障区段隔离功能实训；非故障区段恢复供电功能实训；人机界面故障模拟操作功能实训；各类馈线故障处理功能操作实训。

（2）配电网通信培训功能：各种通信方式的通信设备、连接方式的操作实训；各种通信设备的安装调试操作实训；故障判断处理（光网络故障点定位）；各种通信故障模拟、排除操作实训

2　系统建设

2.1　设备选取

图1　系统建设的关键技术点

以图1为例，阐述系统建设的关键技术点。10kV平五线，架空转电缆线路连接有2个环网箱，属于典型的混合型线路。由于负荷密度高，对供电可靠性要求高，可采用集中型FA策略。可在架空线路的1#、3#、5#、7#、9#、12#杆（塔）上装设柱上开关同时配置FTU；2个环网箱配置2台DTU；3#杆配变处装设TTU。实现长线路的多分段隔离，缩小故障区域、缩短巡线范围、减少停电时间，从而提升经济效益。通信方式采用EPON方式。

10kV安五线，架空线路，线路全长较短、负荷重要性较低，可采用电压就地型FA策略，采用重合闸模式对线路进行故障切除和恢复。可在架空线路的#1、#3、#6、#8杆（塔）上装设柱上开关同时配置FTU，#4杆分支线侧装设柱上开关同时配置FTU。在故障频发的支线支点和可靠性要求高的用户接点，配置“看门狗”功能，可以将分支线故障进行单独处理，而不影响到主干线路。“看门狗”的主要功能是运行中自动断开用户侧相间故障、自动切除用户侧接地故障。通信方式采用EPON方式。

2.2　网架搭建

一般培训中心既要考虑贴近实际，又要考虑教师学员的人身安全。这样一来，10kV的高电压将是系统存在的最大安全隐患。为了解决此问题，我们可以尝试将一次系统降压运行，比如采用普通的交流380V电源替代原有的10kV电源，同时将变电站的电源点考虑改用场地内的交流380V恒定电源虚拟。如此，配电网架即可实现。

2.3　一二次设备

对于一二次设备来说，由于系统的降压运行，遥测采集回路势必随之变化。原先CTPT的原边副边匝圈绕组可以取消，或者说可以选用小变比的配置，甚至1∶1的变比，以满足采集和隔离的需要。而遥信、遥控不受影响，与实际方式一致。

设备供电也是需要解决的问题。第一、考虑到设备的运行功耗和开关分合功耗，原本PT取电的方式在系统降压运行后恐难满足；第二、由于模拟系统不可能像实际系统一样一直带电运行，因此无法时刻保持供电，后备电源也只是短时间供电。要解决上述两点难题，就需要寻找供电恒定、容量足够大的电源。一般考虑从场地内寻找一路交流220V市电，功率是最大负荷功耗和的2～3倍，以保障系统供电的可靠性，同时保障在系统故障动作和恢复的过程中不因负载变化而引起系统颠荡。

另一个问题，配电网中负载变化、运行方式变化，都会引起整个系统中电气量的变化，此部分也是模拟系统的核心。见系统模拟章节阐述。

2.4　系统模拟

系统的核心在于如何模拟系统中的故障，以及故障的隔离和恢复，也就是“自愈”过程。为了达成目标，我们需在培训室内建立一套故障模拟的方法，并且与整个系统、一二次设备都要有联系。

首选，需要在系统网架中选取若干典型的故障点，作为典型故障的发生点。其次，我们可以在整个系统ABC三相串入限流电阻作为系统恒定的负荷，同时在故障点设置接地电阻作为接地的负载，挂接在单相电源与大地之间。再次，在接地电阻前设置手动控制的接点，以控制系统是否在此点发生故障。控制接点可以设置瞬间和永久两种方式，以模拟瞬时故障和永久故障。

经过这一系列的设置，当系统发生单相或三相故障时，势必引起整个系统中电气量的变化，由各终端设备采集信息量传输至主站，这样所有变化的电气量将在主站系统中展现，主站经过判断故障情况并启动对应方案，这就是集中型FA策略。如选取某条线路，所涵盖的终端设备的软件都配置了电压就地型程序，配合合适的定值整定，亦可实现就地型FA策略。

上述方案与实际配电网系统中的情况基本是一致的。因此，教学培训中采用这样一套系统肯定事半功倍，学员也能够更贴近实际操作、检修、运维，培训效果大幅提升。模拟系统网架结构案例如图2所示：

图2　模拟系统网架结构案例

3　系统运用

⊙ 可用于各省（市）供电公司培训配电网专业技术人员，不再单单依赖理论教学，有效提升实训效果、锻炼动手能力。

⊙ 可用于配电网专业竞赛或比武，提供配套合适的模拟系统，做到考评体系基础的公平、专业。

⊙ 可用于检验模拟系统中各种策略、高级应用的运用情况，提高供应商的产品性能。

⊙ 可用于配电网新技术的试验基地，有助于开发、专研新技术。

4　结束语

综上所述，该套系统完全可行，目前，已在部分省级电力培训中心开始运用，未来，势必遍及全国，为我国配电网发展奠定坚实的一步。

[1]朱伟.配电运行管理仿真培训系统设计.中国电力教育，2005（04）.

[2]刘强，李双虎，白延丽，孙延.配电网自动化系统模拟及应用.中国电力教育，2006.

[3]陈奂.配电网自动化仿真培训系统研究.中国电力教育，2009（22）.