基于SCADA 数据分析的配电网全故障自动化模拟实验平台的设计与实现

马雁，许多，石锋杰，付婷婷，董雪峰

（郑州电力高等专科学校，河南郑州，450000）

0 引言

“十四五”提出，将进一步加快电网数字化转型步伐，加强智能输电、配电、用电建设，推动建设多能互补的智慧能源建设，以电网的数字化、智能化建设，促服务智慧化，全力提升用户获得感。配网自动化是实现智能配电网的重要组成部分，是智能电网的具体体现。配网自动化系统是实现配电网运行监视和控制的自动化系统，具备SCADA、馈线自动化、电网分析应用及与相关应用系统互联等功能，主要由配电主站、配电终端、配电子站（可选）和通信通道等部分组成[1～2]。配网自动化地实施可有效改善供电质量，提高供电可靠率；与用户建立更密切、更负责的关系；极大地提高配电网调度、生产、运行的管理水平；从而为供电企业带来巨大的经济和社会效益。配网自动化系统的安全稳定运行关乎配网的安全稳定，长期以来配网的建设未得到应有的重视，尤其是设备技术性能落后，事故频繁发生，严重影响了人民生活和经济建设的发展。

目前，虽然已有大量学者开始注意到以提高供电质量和供电可靠性为目标的配网自动化系统所面临着的新技术挑战和技术困难。例如，电网的大量不可控干扰时刻考验着配网自动化系统主站在不断变化的扰动环境中对配网的判断准确性和策略可靠性，与子站、终端、通信、开关设备、继电保护、备用电源等在故障处理过程中的能力[3]。经验和事实证明近年来国内外的重大的电网事故，往往不是因为某个元件的故障造成的[4]，而是由配网自动化系统在扰动环境中，从判断错误、策略失误到某个故障元件引发的一连串连锁反应。目前国内的配电网自动化试点工程已全面铺开，但就各种配网自动化的运行模式、作用等并没有定论，有关安全性、可靠性研究工作还需要展开[5～6]。从已经投运的配网运行现场看，各试点现场在投运前都没有很好的测试方法验证系统的安全性和可靠性[7]。因此，只是实现简单的数据采集、故障检测等基本功能，而封闭了故障判断、隔离和恢复，以及其他的高级应用功能。因此配网自动化在缺乏仿真手段时缺少了固有的优势，导致实用化进程缓慢。更为严重的是某些配网自动化现场因测试条件不具备而使得配网自动化系统的大量设备变成一种摆设，从而造成很大的浪费[8～9]。

综上所述，建设配网自动化模拟实验平台是非常必要的。用来对系统、设备等进行运行前的测试及验证，和新技术的开发以保证系统真实运行时的安全性、可靠性，为系统运行实用化打下坚实的基础。

1 自动化模拟实验平台建设方案与结构

基于SCADA 数据分析的配电网全故障自动化模拟实验平台是通过对配网自动化系统在不同场景下的各种运行状态的研究，解决现今配网存在的各种技术问题，特别是现场测试困难问题，开发和创造新的技术成果和设备，为配网的建设提供有力支持。

■1.1 模拟实验平台建设方案

配电网全故障自动化模拟实验平台主要建设主站硬件设备一套，包括：区域子站、通信工作站、服务器、人机交互工作站等功能于一体，搭建系统运行硬件环境。建设单网以太网通信网络，与硬件设备构成单机单网运行模式。建设配电网调度主站系统一套，配置配电SCADA 软件、配电高级应用软件，完成配电网调度SCADA 功能以及配电网高级分析功能。建设配电网模拟测试台一台，模拟三条配电网线路及分段开关、联络开关，并实现互联。可以模拟配电网故障[10]。建设配电网柱上开关终端单元(FTU)12 台，用于开关三遥和故障检测，信息上传。利用“DATS-1000”主站测试装置和“DATS-2000”故障同步发生装置，来对整个仿真自动化系统做各种运行场景、极端环境，故障状态的模拟。该项目方案将具备以下功能：

(1)模拟功能

该系统可模拟配网自动化的正常运行方式和故障运行方式及故障后的判断、隔离和网络恢复的过程。系统具备配电SCADA 基本功能和配电高级应用功能。配电SCADA 系统包括数据库存储、前置通信、数据处理、人机展现、查询统计等功能部分，以上各个模块的有机结合，完成了配电网SCADA 系统数据采集、数据存储、数据计算处理、数据展现等各项功能配电高级应用系统完成配电网网络建模、潮流计算、运行方式优化、故障分析处理、仿真调度等功能。

(2)试验研究功能

利用本系统，通过对已建配电网自动化系统的模拟搭建及运行，可进行正常运行情况的模拟及网络优化、故障状态模拟及网络恢复重构演示、实际配电网自动化系统的优化等。

(3)测试功能

本系统可接入不同厂商的配电终端，对其功能进行测试，亦可接入不同厂商的主站系统对其进行测试。

(4)人员培训功能

系统能完成配电网自动化各类人员的技术培训，包括线路工作过程的学习培训、现场操作与参数整定培训、接线培训、参数整定培训、远程操作控制培训、故障模拟与排查培训、故障处理培训、各种运行方式的模拟运行培训等。

■1.2 模拟实验平台体系结构

配网自动化模拟试验系统由FTU、模拟控制台，区域子站、主站系统及网络等部分组成。配网自动化仿真测试平台可采用目前先进的分层分布式可裁剪系统架构，分为主站层、区域子站层和终端设备层。如图1 所示。

图1 模拟实验平台体系结构示意图

图1 中配电主站系统和通信子站通过以太网相连，区域子站与各个终端设备(FTU)之间可通过以太网或串口进行通信。配电主站系统软件可装在一台配置较高的PC 机上，分别包括前置服务、实时数据处理服务、高级应用服务、人机界面、数据库等程序模块。也可将这些程序服务安装在不同的机器上。配网自动化主站系统的建设，在体系结构上采用纯Windows 平台。数据库采用SQL Server 2000，完成系统信息存储、处理、展现。配电SCADA 系统和高级应用系统都采用C/S 软件模式，保证了系统功能实现，和对效率和指标的要求。

配网自动化主站系统采用单机单网硬件结构，结构简洁、易建、易维护，保证系统运行可靠性和稳定性，有效保证工作开展。配网自动化主站系统在数据库存储设计上使用面向对象技术，减少了数据库存储信息的冗余，提高了数据库访问的效率；在系统模型设计上，把电网静态拓扑作为系统固有特性进行存储，动态拓扑结合开关状态动态生成，提高了系统拓扑模型构建的效率，使得系统结构上更加合理，便于用户实习、操作。

通信子站由一台PC 机或专用通信子站交换机构成。模拟控制台模拟配电网馈线线路和一次设备，模拟各条馈线段故障、正常及开关的分合及指示。模拟控制台上模拟的一次设备包括出线开关、分段开关或断路器，以及联络开关、馈线段。每个一次设备与相应的FTU 连接进行信息传输。

2 模拟实验平台功能与技术特性

基于SCADA 数据分析的配电网全故障自动化模拟实验平台具有配电网数据采集、数据处理、故障检测与定位、故障隔离、故障恢复、控制调节、事件和告警、事故追忆和重演、实时计算等多重功能。

(1)数据采集

数据采集通讯软件是配电SCADA 系统的重要组成部分，主要完成对试验室配电子站信息的采集，包括两部分内容：FTU 实时信息和配电网模拟测试台产生的故障信息，信息通过检查、效验，传送到数据处理软件和高级应用软件进行处理，形成实时数据、历史数据和分析结果，供人机交互工作站及其他系统使用。

数据采集方式可为串口和网络有两种，串口支持RS-485、RS-232、RS-422等，网络支持TCP/IP、GPRS/CDMA等。采集系统的通信协议包括IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、MODBUS、GPS 对时等。

(2)数据处理

数据处理软件主要对信息采集子系统发来的数据进行判断、计算、处理生成实时数据库，提供实时数据服务；对实时数据进行比较统计处理，生成历史数据，存入历史数据库系统，供历史查询子系统使用。

高级应用软件读取历史数据库存储网络图模信息，同时接收数据处理软件发来的实时数据（YC 信息和YX 信息），构建系统网络拓扑，建立计算分析模型，处理高级应用功能，如潮流计算、网络重构、故障处理、负荷预测等，把结果发送到人机交互子系统进行展现。

(3)故障检测与定位

故障检测与定位的目的是根据配电SCADA 系统收集的故障信息判断故障发生的馈线及具体的馈线段，可利用的故障信息主要包括：

①变电站保护动作信号；

②变电站事故总信号；

③变电站出线断路器动作信号；

④变电站出线断路器重合闸信号；

⑤具有保护功能的馈线开关保护动作信号；

⑥具有保护功能的馈线开关的动作信号；

⑦故障过流原始信号（A、B、C、3I0、3U0 过流信号）。

根据变电站保护和出线断路器的动作等上述故障信息，首先判断所发生的故障是瞬时性故障还是永久性故障。如果出线断路器重合闸成功，则故障为瞬时性故障，不需要运行DA功能；否则为永久性故障，需要进入故障检测与定位功能。由于配电网在运行状态下通常是辐射状网、树状网或者是处于开环运行的环网，因此，判断故障区段只需根据馈线沿线各开关是否流过故障电流就可以了。假设馈线上出现了故障，显然故障区段位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间的区段。

判断故障发生的馈线及具体的馈线段可以通过多种方法来实现。其中，最常用的方法是启发式搜索算法：从馈线首端节点开始沿闭合开关执行宽度优先搜索，并且根据馈线段与开关的关联关系来找到各馈线段相联的开关，根据上述的故障检测、定位原理来进行故障位置的判断。

(4)故障隔离

故障检测、定位任务完成后，接下来的工作就是故障的隔离。故障隔离时，首先根据馈线段与开关的关联表，搜索出该馈线的边界开关，然后针对这些开关，形成一个故障隔离的方案，并按照这个方案逐个操作故障区段的边界开关，以达到隔离故障的目的。

(5)故障恢复

故障隔离后，对那些不存在故障的区段，应该恢复对它们的供电，这就是要进行故障恢复。故障恢复的任务是在不对电网结构作重大改变并能满足约束条件的前提下对网络进行重构，以带电区域为电源，最大限度地恢复对非故障停电区的供电。

需要恢复的供电区段有两处，即故障区段的上游区段恢复和下游区段恢复。其中，上游区段的恢复非常简单，方案也是唯一的，即取出发生故障的馈线的出线开关，合上该开关即可。当配电网中多条馈线发生永久性故障时，只要对每一条馈线合上其出线开关，即可完成故障区段上游区段的恢复。

(6)控制调节

控制调节主要是指远方控制开关的开合、改变变压器的分接头位置、投切电容器、保护及重合闸远方投停以及保护定值远方设置等。具体包括如下功能：遥控遥调操作，闭锁控制/解锁功能，保护定值远方设置，设备的挂牌/解牌操作等等。

3 模拟实验平台测试示例

■3.1 实训室模拟台结构

配电网全故障自动化模拟平台是专为电力系统终端和主站系统对配电线路故障所做出的判断与处理的模拟测试设备，根据模拟实验室要求，它可模拟3 条线路、12 个开关配电系统的实验。外形如图2 所示。

图2 模拟测试台外形

配电网模拟测试台内部开关连接方式如图3 所示。

图3 配电网模拟开关连接方式

图4 模拟台系统接线示意图

本测试台内部采用继电器模拟线路开关，并具有和实际开关相类似的电压互感器和电流互感器，各个线路开关模拟单元与终端单元用航空插头连接，所有接线通过接线端子转接，易于教学过程中根据需要更改接线模式。终端与设备的连接用航空插头，可接于12 个开关的任一处。

■3.2 拟测试示例

模拟双电源的配电网接线如图5 所示。

图5 馈线故障模拟自动化示意图

将6 台FTU 接到 b、c、d、e、f 和g 处，b、c、e、f 和g，状态为合，d 状态为分。故障发生器接到B 处。在故障发生时，只有与b 开关的FTU 记录下故障信息，其他处FTU 无故障信息，将上述信息传至配电主站，经计算机系统分析后确定故障区段在B 段，供电恢复方案是跳开b、c 开关，隔离故障，合上d 开关，恢复健全区段供电，如图6 所示。

图6 故障隔离恢复示意图

模拟多联络的配电网接线如图7 所示。

图7 馈线故障模拟自动化示意图

将6 台FTU 接到 b 、c、d 、e、f 和 i 处，b、c 、f和 i 状态为合，d 和e 状态为分。故障发生器接到B 处。模拟故障发生时，只有与b 开关的FTU 记录下故障信息，其他处FTU 无故障信息，将上述信息传至主站，经计算机系统分析后确定故障区段在B 段，首先应断开b 、c 开关。将故障隔离，其次考虑负荷均衡化，经比较电源H 所带负荷较轻。故断开开关i，闭合开关e、d,恢复健全区段供电，如图8 所示。

图8 故障隔离恢复示意图

4 结论

本文首先基于SCADA 数据分析的配电网全故障自动化模拟实验平台的建设方案，然后对实训室结构和主要功能进行系统阐释和说明。主要介绍了配电网全故障自动化模拟实验平台的SCADA 数据采集、数据处理、故障检测与定位、故障隔离、故障恢复、控制调节、事件和告警、事故追忆和重演、实时计算等多重功能。最后，结合实际模拟测试示例，模拟配电网各种正常运行及故障情况的场景，仿真配电网开关及配网自动化终端的有关功能，将配电网及开关、终端的数据信息通过通信接口注入被测的配网自动化主站系统，并通过接收主站的遥控命令等互动过程，实现对主站系统故障处理全过程的交互式测试。解决了配网自动化的现场测试难题，充分发挥自动化系统供电可靠性、安全性、经济高效性在实际应用中的优势。