10 kV配电网自动化仿真模拟系统的设计

高汝武，游志成

(1.福建船政交通职业学院，福州 350007；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074)

10 kV配电网自动化仿真模拟系统的设计

高汝武1*，游志成2

(1.福建船政交通职业学院，福州 350007；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074)

随着供电要求的不断提高，城市供电中配电网的自动化水平得以迅速提升，为加强对配电网运行现象的研究和提高运行管理水平，极为需要建立一套配电网自动化仿真模拟系统。采用先进的计算机技术、通信技术和物理模拟手段实现10kV配电网自动化的仿真模拟，可以有效地对配电网工作状况进行模拟和研究，同时实现对配网工作人员的业务培训。

配电网；仿真系统；培训；检测控制

配电网连接输电网与电力用户，起着接收并分配电能的作用[1]。世界发达国家配电网自动化发展较快，大部分发达国家和地区的配电网负荷已进入平稳发展期，例如法国、德国、美国和日本的配电自动化覆盖率达到90%～100%。法国在20世纪末实现了配电网络的自动化全覆盖，大部分使用馈线自动化模式，通过GPRS短信实现配电网遥控操作[2]。配电网自动化建设也是我国智能电网建设的主要组成部分和重要基础[3]。我国配电网自动化建设发展速度很快，所有大中城市和经济比较发达的中小城市都进行了配电网的改造，并实现了配网系统的自动化。但是部分城市配电系统的稳定性、可靠性、实用性有待进一步的考验，其中实用性不够高的原因之一是现场运行维护人员对配网自动化系统的安装、调试过程的参与少，又没得到较好的培训，对系统进行操作和运行维护时可能出现的问题无法预期[4-5]。现在配网系统大部分是由厂家或安装单位进行安装调试，调试并投入运行后的实际系统不能进行较自由的模拟操作，对岗位人员的培训不够直观，因此建立功能完整的配网自动化模拟与培训系统极为必要。本文采用计算机仿真控制技术、通信技术、实物模拟和大屏幕显示实现配网自动化模拟，设计模拟系统的主站系统，开关、终端、通讯模拟和培训系统，构建了一套先进、完整、实用的配电网自动化仿真模拟实验与培训系统。

1 配电网模拟系统的原理

配电网模拟系统的硬件结构主要由主系统、网监控终端设备和配网自动化通信系统等3个部分组成。整个模拟系统的各个层次协同工作，共同组成配电模拟系统(见图1)。在硬件配置的要求上，主要有：1)应最大限度地仿真机运行实时性；2)要实现一个系统资源多种模拟的要求；3)硬件设备要有高度的可靠性和良好的可维护性。

图1 配电网仿真模拟系统原理框图

2 系统方案设计

2.1 主站系统方案设计

作为模拟系统最高层的主站系统是整个配电网模拟培训系统的核心，是数据采集中心和处理中心，设计方案采用集中控制模式。其主要功能有：1)实现配电网模拟系统的数据采集和整理；2)进行配电网控制与检测部分的模拟；3)协调配电网各级系统和设备的关系，并实现运行状态分析；4)提供模拟虚拟操作功能进行培训；5)模拟配电网的各种故障及处理故障方案。

主站系统实现控制执行、模拟操作、培训学习和考核、系统自检与维护、设备管理和图形显示与数据打印等功能，并提供操作方便、显示美观的友好人机界面。

采用先进的光纤技术实现与馈线终端设备(FTU)的通信联系，把FTU采集到的配网中虚拟负荷开关信息数据组传送到主站系统，并且实现用主站系统的控制命令通过FTU，实现对各个模拟负荷开关的控制和操作。本系统还具有远程诊断服务功能，主站系统设计原则是：

1)模拟系统功能要完全符合配电网实际情况；

2)要采用当今最先进和开放稳定的操作系统；

3)通信系统的选用要满足可靠、实用的标准，并提供多种路由及设备接口；

4)要能够采用模拟、仿真和微课等现代教学手段满足培训需要。

2.2 模拟系统终端层的设计

配电网模拟系统终端设备层就是整个系统的底层，它主要由各种馈线监控终端TTU和FTU，TTU是实现对低压变压器的监控[6]，FTU实现对配网中的开闭所、环网开关和柱上开关等终端设备的现场状态信息的采集、处理和监控。

系统设计时，利用继电器模拟负荷开关，可以很完整的模拟开关的位置状态和跳合闸操作，能够提供单点和双点开关的触点状态信息，并采集到信息传输到主机集中处理，各个负荷开关的模拟遥测信息由标准源提供。

虚拟开关装置与FTU终端具有良好性能配合，且具有可以方便替换的通讯规约模块，以适应不同配电网络模拟的需要，通讯模块包括IEC870-5-101、104、DNP 3.0等功能。为了满足模拟系统可靠、经济和实用的要求，设计模拟系统中的通讯部分采用光纤接入FTU信息，TTU的通信设计无线和有线2种方式。按照DNP 3.0、IEC101、104规约实现系统主站与终端设备之间的通信。

2.3 一次配网开关系统的模拟

终端系统及配合的一次开关模拟系统的设计如下：根据配网自动化系统使用的开关情况分析，采用测量标准源和继电器组的组合方式实现实际配电网里断路器和负荷开关等一次开关设备的模拟。由此实现的配电网开关模拟设备完成一次开关设备的遥控、遥信及开关闭锁等动作动作状态的模拟。采用标准源加到开关模拟装置的相关继电器的触点，以此实现一次开关设备开断和接通负荷电流能力的模拟，开关模拟端子图见图2。

配电网模拟系统开关模拟设备加入自动重合装置配合后，可实现对实际一次开关的遥控、遥信、开关闭锁、自动重合闸等动作状态的模拟(由时间延时继电器或者FTU来实现)。使用标准源(必需)加到模拟装置的对应的继电器触点，模拟一次断路器开断/接通负荷电流或故障电流的能力。

使用IES-F30系列的终端单元和一次开关模拟设备组合成一个柜，该机柜的面板直观清晰的进行开关状态、开关闭锁和开关操作的指示，并设置开关的操作按钮。根据培训规模要求，需要考虑模拟2～3条线路的一个配电自动化一次网络，该网络按照5个开关分段(主流厂家的DTU、TTU)进行设计。

图2 配电网仿真系统开关模拟端子

2.4 终端与通信培训功能设计

仿真模拟系统功能之一的培训内容主要侧重于FTU/TTU的设备各种接线，可采用交互式课件和实际操作相结合的培训方式：实现FTU/TTU的各种电气功能检测知识及技能培训；实现FTU/TTU设备故障检查及参数维护。

应用交互式课件和实际操作相结合的培训模式，设计到配电网终端层通信部分培训系统中[7]，如图3所示。培训内容主要包括：光调制解调器(俗称光猫)组成的光纤环网的通信系统组网知识及技能培训；光纤交换机组成的光纤以太网通信系统组网知识及技能培训；RS-485传输方式通信系统组网知识及技能培训。

3 结语

采用分层式体系结构实现对实际城区10 kV配电网自动化的计算机模拟，各个功能模块分配在系统的各个层次上，保证了系统的可扩充性。根据现实的配网系统，整个模拟系统分为配电网主站层、终端层和一次设备层3个层次。通过通信系统将3个层次统一起来，可以实现配电网自动化系统各种工况和故障的模拟实验，也让学习者充分了解现代化的配网自动化系统，了解配电网运行规律和电网调度运行技术，充分掌握电力系统远动技术。

图3 配电模拟培训系统配置

[1] 王枫,祁彦鹏,傅正财.面向开关的复杂配电网可靠性评估简化模型[J].电力系统及其自动化学报,2015,27(2):57-63.

[2] 高汝武.配电网潮流计算方法的改进与研究[J].水电能源科学,2007(2):110-112.

[3] 王威,黄大为.含可调度分布式电源的配电网综合优化[J].电工技术学报,2015,30(12):429-433.

[4] 徐心怡,贺兴,艾芊,等.基于随机矩阵理论的配电网运行状态相关性分析方法[J].电网技术,2016,40(3):781-790.

[5] 周莉梅,屈高强,刘伟,等.配电网供电区域划分方法与实践应用[J].电网技术,2016(1):242-248.

[6] 张功林,黄吉,张文虎,等.配电网投资效率评估优化仿真研究[J].计算机仿真,2015,32(7):106-110.

[7] 葛少云,李吉峰,李腾,等.配电网和城市路网关联网络的综合可靠性分析[J].中国电机工程学报,2016,36(6):1568-1577.

Design of an Automation Simulation System for a 10 KV Power Distribution Network

GAORuwu1*,YOUZhicheng2

(1. Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

With the constant improvement of the power supply requirements, automation level increases rapidly in urban power distribution network. In order to strengthen the research on the phenomenon of power distribution network operation and improve the level of operation management, a distribution network automation simulation system needs to set up. The use of advanced computer technology, communication technology and means of physical simulation and the automation simulation system for 10 kV distribution network can effectively study the working condition of the distribution network, and can be used for training the staff of the distribution network as well.

distribution network; simulation system; training; detection control

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.010

2016-05-09

高汝武(1962— )，男(汉族)，山东沂水人，教授，硕士，研究方向：电力系统继电保护、配网自动化，通信作者邮箱：fjsdxy@126.com。 游志成(1962— )，男(汉族)，湖北孝感人，教授，硕士，研究方向：电力系统自动控制。

TM7

A

2095-5383(2016)04-0036-04