一二次融合智能开关就地式FA硬件在环仿真测试研究

何洪流， 吴 鹏， 李前敏， 付 宇， 张锐锋， 王卓月

(贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002)

近年来配电自动化快速发展，采用的一二次融合智能开关越来越多，是智能配电网建设的趋势[1]。配电网一二次融合智能开关[2]优化了一二次设备之间的配合程度，减少了安装、运维人员的现场工作量。一二次融合智能开关采用电子式交流传感器[3-4]，采样线性度好、采样范围大、可兼顾测量、保护需求；
同时，一二次融合智能开关深化应用故障就地化处理高级功能[5-7]，成为智能配网的典型特征。这些优点提升了配电自动化、智能化的水平，但新技术、新功能的引入，对测试设备也提出了更高的要求，尤其是就地式馈线自动化（feeder automation，FA），不仅是单个节点实现逻辑动作即可，而且需要相邻设备间的可靠配合。投运前，一次设备、二次控制终端都分别经过了检测[8-12]，如何对一二次融合开关就地式FA的动作逻辑进行测试是当前业界的一个共性问题。

针对FA测试方法的研究，文献[13]采用专用软件的方式模拟配电网络故障前潮流和故障短路电流，通过规约发送到主站，进行主站集中式FA处理逻辑的测试；
文献[14]提出了终端注入法和混合注入法，终端注入法是软件方式仿真配电网故障信息，通过测试仪把故障信息以电气信号的方式注入到配电终端，从而测试FA处理逻辑的方法；
文献[15]研究了分布式FA测试过程中注入主动干扰信息，进一步测试异常情况下FA处理逻辑的可靠性。在测试智能开关的就地式FA逻辑时，这些测试方法存在以下缺点：

1）配电网络中不同位置的节点(如变电站出口断路器、线路联络开关、线路分段开关)，就地式FA有不同的处理逻辑，测试系统需要选择不同的控制逻辑，进行多角色的切换，操作不方便。

2）就地式FA系统测试逻辑是否适用该节点，不仅取决于该节点所对应开关类型及内部参数配置，还取决于上下游节点内部参数配置是否合理。这些关键性参数是否合理是就地式FA控制逻辑实现的先决条件，所以就地式FA有必要进行系统级测试。若要完成系统级FA功能测试，不仅需要用多套测试设备，测试前还需要接线、搭建测试环境，这样做成本高、设备占地面积大；
且对于不同的测试网络切换还要重新搭建测试环境。

为此，本文研究一二次融合智能开关就地式FA测试技术，提出基于硬件在环[16-17]( hardware-inthe-loop，HIL)的就地式FA测试方法，来解决一二次融合智能开关的就地化FA测试难题。

实际研发、工程应用中，经常需要对控制器的功能、性能进行测试、验证。但是受条件限制，控制对象有时并不容易获得，而且实物测试也会存在限制。HIL硬件在环测试技术就应运而生。

硬件在环指控制器硬件嵌入到被控对象的模型中测试，是实体控制器与虚拟控制对象融合的仿真测试方法。比单纯模型仿真的可靠性和可信度大幅提高，而且能避免一些客观条件的限制，比如成本、破坏性等，被广泛运用于各种控制器的测试中。

HIL测试系统由图1所示的三部分组成，被测对象，本文是指一二次融合智能开关；
系统实时仿真器和I/O接口是HIL测试系统的核心，仿真被测对象的运行工况，本文指的是配电网络和配电终端处理逻辑。操作界面是HIL系统的人机交互界面。

图1 HIL组成

将HIL 仿真技术应用于一二次融合智能开关就地式FA测试，可以实现低成本的就地式FA系统级测试。

2.1 构建虚拟节点的作用

前文已阐述就地式FA必须进行系统级测试。进行FA功能系统级测试时，首先要对被测配电网络建模，即需要搭建一个与被测网络一致的仿真测试环境。测试对象是智能开关整体，就地式FA测试时是在智能开关一次侧注入信号量，需要用智能开关测试台。搭建一个多节点的实物仿真配电网络，需要同节点数量的智能开关和测试台体。这样的仿真测试系统将会占用很大的场地，智能开关测试台是昂贵的设备，仿真测试系统难以实现。

深入分析，实际需要测试的仅仅是一个节点的就地式FA处理逻辑，其他的节点只要配合该节点动作就可以了。为此，构建虚拟节点来仿真就地式FA处理逻辑。在测试网络中用虚拟节点代替实物智能开关，和实物智能开关一起组成一个配电自动化网络，即虚实结合的就地式FA网络级测试环境，是基于HIL的原理的灵活应用。虚拟节点就是HIL中的系统实时仿真器，如图2所示，图中待测配电网络中，只有S5开关是实物开关，其余节点都是虚拟节点。

图2 硬件在环FA测试系统组成

该解决方法带来的好处是，既实现了就地式FA的系统级测试，又避免了场地占用大、投资大、使用不便的问题。

2.2 虚拟节点的建模方法

一个实现了就地式FA的手拉手配电自动化网络，是由不同角色的开关及其控制器组成的，一般有出口断路器及其控制器、分段开关及其控制器、联络开关及其控制器。控制器的就地式FA处理逻辑与其开关节点的角色密切相关。

变电站出口开关控制器具备完善的保护功能，当检测到线路有故障时，控制器首先启动重合闸保护功能，完成线路上故障的切除，保护配电网的安全稳定运行。

线路分段开关通常是安装于配电线路的主干线上，可将线路划分为N个区间，便于线路故障时分区段隔离。一般情况下，当分段开关控制器监测到线路处于失压或无流状态时，会自动跳闸，使开关处于分位状态。当分段开关重合闸次数达到设定值后，判定线路发生永久性故障，自动闭锁开关使其处于分闸状态，完成故障隔离。

联络开关是指连接两条不同电源点线路的开关，其控制器有单侧失电合闸、双压闭锁功能。在手拉手供电网络，当一侧出现故障，隔离故障后，通过联络开关合闸把无故障负荷转移到另一个电源供电，从而提高供电可靠性。

就地式FA有多种类型，开关控制器故障处理逻辑与就地式FA的类型也密切相关，比如：电压时间型的分段器有一个处理逻辑为无压分闸，但在电压电流型中就不仅包括无压分闸，还有合闸有过流或零压可以直接跳闸的逻辑。

综上分析，构建虚拟节点模型由就地型FA类型、开关节点角色、控制功能逻辑、开关动作时间共4部分组成。其中就地式FA类型包括：电压时间型、电压电流型、自适应综合型、合闸速断型。开关节点角色包括：出口断路器、联络开关、分段开关。控制功能逻辑：是指开关控制器就地式FA的处理逻辑，如电压时间型FA主要逻辑：来电延时合闸、无压分闸、正向闭锁、反向闭锁、单侧失电合闸、双压闭锁等。开关动作时间为在一定范围的随机数，模拟实际开关动作时间。

构建了仿真节点模型后，用软件实现仿真节点。

3.1 基于HIL的FA测试系统硬件组成

基于HIL的测试系统硬件由一台测试工作站、一台或多台智能开关及测试台体组成，如图3所示。通过高压电缆将智能开关与测试台体连接，测试工作站下发电气数据至测试台体，测试台体收到该信号通过内部升压、升流装置转换成一次高压信号输出至智能开关。

图3 基于HIL的FA系统级测试系统组成

3.2 软件系统组成

测试软件由虚拟节点群管理子系统、配电网运行仿真子系统组成，部署在测试工作站，虚拟节点群管理子系统主要实现虚拟节点的仿真管理、逻辑动作仿真，并与配网运行仿真子系统实时交互数据。配电网运行仿真子系统用于FA测试管理，主要功能有一次接线网络拓扑分析、潮流分析、 故障特性分析、建模工具、测试报告管理等。

3.3 基于HIL的FA测试流程

仿真测试时，首先利用建模工具绘制待测线路拓扑，并指定各开关节点角色。其次通过网络拓扑分析模块生成待测线路拓扑关系，潮流分析模块与故障分析模块调用拓扑分析模块结果，根据测试案例设置参数分别进行潮流计算与故障模拟。再次将待测智能开关利用高压线缆与测试台体相连接并与网络拓扑中的任一节点进行绑定，其余节点用虚拟终端代替实际开关。最后，仿真运行软件根据潮流计算与故障分析模块计算电气数据控制功率源输出。测试过程中，虚拟终端利用遥控分合闸命令控制各开关节点的分合位置以实现开关动作逻辑，系统记录各运行状态下开关的动作位置与设定位置是否相同以判定FA逻辑动作正确性。

3.4 虚拟节点群管理子系统

虚拟节点群管理子系统功能模块组成如图4所示，由配置管理模块、通信管理模块、虚拟节点组以及日志管理模块组成。

图4 虚拟节点群管理子系统组成

1）配置管理模块

实现对虚拟节点群的各种配置，包括转发配置、通信配置和仿真角色配置、动作逻辑配置。

2）通信管理模块

该模块的作用是管理虚拟节点群与配网运行仿真子系统间的实时数据通信。数据交互是双向的，对应数据流也是双向的，虚拟节点接收配网运行仿真子系统下发的仿真数据，同时配网运行仿真子系统采集每个虚拟节点的开关状态、遥测数据。双向数据流如图5所示。

图5 通信模块实现原理

图5的通信模块读取配置参数中的通道链路与通信协议，与配网运行仿真子系统建立通信链接，该链接是数据传输的通路；
监听端口模块持续监听与配网运行仿真子系统间的通道链路状态，当链接超时，超时处理单元会重新建立链路。收发数据模块通过TCP的Socket链路完成与虚拟节点的数据交互、接收配网运行仿真子系统发来的数据报文命令，接受的命令在信息缓存中。数据处理单元对缓存报文解析后，通过节点信息特征区分对象，然后根据系统配置模块中的节点拓扑信息特征查询该节点位置，分别将数据转发至对应节点接口。

3）虚拟节点组模块

根据测试网络，需要配置虚拟节点的数量和类型，再用多线程技术实现多个虚拟节点的并发运行。虚拟节点组模块可以同时构建多个不同类型的配电线路节点。

测试时每个虚拟节点，仿真一个真实开关节点，其对外通信实现如图5所示，

通过转发接口与通信模块交互数据，数据处理模块对实时通信数据报文进行封装或解析；
根据系统配置中各节点的定值配置以及保护策略，对接收到的各节点实时数据处理，若达到故障判定条件，即按照相应测试实现故障动作仿真。

4）日志管理模块

处理、分析日志，生成事项并保存，是日志管理模块的主要功能。

3.5 配电网运行仿真子系统

配电网运行仿真子系统主要功能模块包括配电网络拓扑分析、潮流分析、故障特性分析、建模工具、测试用例编辑工具、测试报告等功能模块，如图6所示。配电网络拓扑分析模块主要功能是根据待测配电网络模型，分析电源点、出口断路器、分段开关、联络开关之间的连接关系，形成与之相匹配的网络图形拓扑。潮流分析模块的主要功能是结合当前配电网络的开关状态，模拟出各节点的运行负荷、电压以及功率等实时电气量。故障特性分析模块的主要作用是汇集故障时刻各个节点的实时断面数据。通过内置潮流与故障特性分析算法，生成配电网络在正常和异常情况下各节点的断面序列，如故障前正常断面、保护跳闸动作后断面、重合闸动作后断面等，这些运行断面注入到IED，是进行FA控制逻辑测试的基础数据。

图6 配网运行仿真子系统功能组成

建模工具、测试用例编辑、通信接口、测试报告等功能模块是辅助工具，建模工具的主要功能是利用图形模拟实际拓扑连接关系，形成与实际待测线路连接关系完全相同的拓扑模型；
测试用例编辑工具的主要功能是根据实际需求编辑所需测试案例，完成各种不同状况下的故障模拟案例，验证待测试线路故障条件下逻辑是否正确，每个测试用例又包含了配电网的初始态、故障态和主动干扰数据。配电网运行仿真子系统需要和虚拟终端管理群管理子系统、一体化测试台、被测对象通信，由通信接口统一实现。测试报告工具主要是对测试过程和结果进行分析、并按要求生产报告。

3.6 优点分析

本文提出的基于HIL的一二次融合智能开关就地式FA系统级测试是首次将开关设备本体作为测试对象，可有效验证一次开关动作时间等机械特性以及开关本体CT饱和因素对FA实用化的影响。此外该测试方法成本低、占地面积小、无需搭建复杂测试环境，克服了仅针对单一终端本体保护逻辑的缺点，可对就地型馈线自动化保护进行系统级逻辑验证。

4.1 测试网络

如图7所示的模拟网络中，主干线F1发生短路故障位于开关节点S3、S4之间；
F2短路故障点位于开关S4、S5之间。F1、F2发生永久性短路故障，测试开关对象为S5，FA模式以电压时间型为例。图7中，S5节点是实物融合智能开关及其测试台体，其余的开关全部都是虚拟节点。

图7 就地式FA测试网络

测试时，FA运行模式人工设置为电压时间型，所有开关节点动作逻辑人工设置为电压时间型。

选取贵州电力公司现场使用的就地型一二次融合智能开关进行测试，设置开关类型为分段模式，逻辑时间分别为X=15 s，Y=5 s，C=30 s，XL=50 s，过流 I 段定值 5 A/0 s(CT变比600/5)，保护压板投入告警。Uab为电源侧电压，Ubc为负荷侧电压（PT变比10 kV/100 V）。开关初始状态为分位。

4.2 测试案例、测试结果及分析

1）F1处永久性短路故障（试验次数：20次）

F1处永久性短路故障时的线路拓扑如图8所示。

图8 F1处永久性短路故障

测试过程及动作结果，见表1。

表1 F1处永久性短路故障

F1处永久短路故障处理结果如图9所示。

图9 F1处永久性短路故障处理结果

2）F2处永久性短路故障（试验次数：20次）

F2处永久性短路故障时的线路拓扑如图10所示。

图10 F2处永久性短路故障

测试过程及动作结果，见表2。

表2 F2处永久性短路故障

F2处永久短路故障处理结果如图11所示。

图11 F2处永久性短路故障处理结果

3）测试结果分析

本文选取了就地型配电网两处典型故障点进行试验，其中S5号开关为真实开关，线路中其他节点开关为虚拟终端，测试状态序列如表1、表2所示。

表1为F1处发生永久性短路故障状态序列。初始状态1，各开关无故障记忆，开关延时合闸时间为X+C（45s）。状态2各开关经延时合闸后，联络开关分位，出口开关、分段开关处于合位。状态3，S4开关下游发生故障，S4开关上游产生故障电流、出口开关分闸。状态4，S4、S5开关失压分闸。此时故障点上游各开关故障记忆功能开启，延时合闸时间变为X（15s）。由状态5、状态6可知，S4开关合闸后在Y时限内再次检测到故障，S4开关启动正向闭锁功能，出口开关跳闸，经状态8、状态9合上S5开关，完成故障隔离。

表2为F2处发生永久性短路故障状态序列。初始状态1，各开关无故障记忆，开关延时合闸时间为X+C（45s）。状态2各开关经延时合闸后，联络开关分位，出口开关、分段开关处于合位。状态3，S5开关下游发生故障，S5开关上游产生故障电流、出口开关分闸。状态4，S4、S5开关失压分闸。此时故障点上游各开关故障记忆功能开启，延时合闸时间变为X（15s）。由状态5、状态6可知，S5开关合闸后在Y时限内再次检测到故障，S5开关启动正向闭锁功能，出口开关跳闸，经状态7、状态8合上出口开关，合上联络开关，完成故障隔离。

上述试验，重复测试20次，开关动作正确率达100%，证明利用硬件在环仿真测试技术可达到模拟实际开关的效果，能有效验证就地型FA动作逻辑正确性。

为解决一二次融合智能开关就地式FA测试存在的难题，本文提出了基于硬件在环的一二次融合智能开关就地式FA系统级测试技术。通过构建虚拟节点，在待测试的配电网络部分节点中，用虚拟节点代替智能开关，构造一个虚实结合的硬件在环FA系统级测试环境，可对各种一二次融合智能开关就地式FA开展系统级功能测试。

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