變電站數(shù)字物理混合實時仿真培訓系統(tǒng)初探

肖京園　劉文定

摘要：文章介紹了我國變電站培訓仿真系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀，比較了幾種典型的培訓仿真系統(tǒng)的基本結構及其優(yōu)缺點，并介紹了最新出現(xiàn)的數(shù)字物理混合實時仿真培訓系統(tǒng)基本框架。

關鍵詞：變電站；數(shù)字物理混合；仿真培訓系統(tǒng)；電網(wǎng)運行

中圖分類號：TM933文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）07-0015-04

變電站作為電力系統(tǒng)的一個重要部分，其運行狀況好壞直接影響到整個電網(wǎng)運行的安全，變電站事故中有相當一部分是由人為操作不當造成的。這其中既有由于電網(wǎng)調度員誤發(fā)調度令、對異常處理措施不當造成的事故，也有由于變電運行人員走錯間隔導致的誤操作事故、安全措施不到位誤入帶電間隔的人身傷亡事故、帶電誤合接地刀閘、帶接地刀閘誤合開關、帶負荷拉合刀閘、設備缺陷和異常未能及時發(fā)現(xiàn)造成的事故。對事故判斷不準和向調度匯報不清楚而延誤故障處理時間、事故發(fā)生后處理不當使事故范圍擴大化、對二次設備誤操作而引發(fā)的事故等情況較多，造成了人身傷亡、設備損壞，甚至發(fā)生電網(wǎng)解列、電網(wǎng)崩潰等大面積停電事故。

因此，為保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟地運行，就必須提高電網(wǎng)調度員、變電站運行人員的技術素質和技能水平，加強變電站運行人員和電網(wǎng)調度員的培訓。近年來，隨著電力行業(yè)培訓仿真技術的發(fā)展，各類培訓仿真系統(tǒng)在電力行業(yè)應用越來越廣，在提高生產(chǎn)運行人員的生產(chǎn)技能方面發(fā)揮了重要的作用。

一、變電站培訓系統(tǒng)仿真的發(fā)展現(xiàn)狀

近十幾年來，我國變電站培訓仿真系統(tǒng)獲得了很大的發(fā)展。仿真范圍逐步擴大、仿真的逼真度逐步提高?，F(xiàn)存的變電站培訓仿真系統(tǒng)，根據(jù)變電站一次部分控制操作以及保護屏柜實現(xiàn)方式，主要可分為三類：有硬件屏盤模式、軟仿真模式、混合仿真模式。

（一）帶盤臺模式

帶盤臺模式是指用外觀與實際變電站1：1的開關控制屏和保護屏硬件組成變電站仿真培訓系統(tǒng)的主控室和保護室，主要由后臺計算機支持這些硬件的操作和顯示。該系統(tǒng)的硬件配置主要有模擬控制盤、模擬繼電器保護盤、變電站配電裝置、變電站主接線操作模擬盤、計算機控制仿真系統(tǒng)。其中計算機控制仿真系統(tǒng)是變電站培訓仿真系統(tǒng)的核心，它擔負模擬變電站的仿真，復現(xiàn)變電站主控室現(xiàn)象的任務。接收模擬盤的信息，控制模擬盤的動作和信號。這種帶有硬件盤臺的變電站仿真培訓系統(tǒng)是最早應用的培訓系統(tǒng)模式。帶硬件盤臺的仿真培訓系統(tǒng)需要配備大量的硬件裝置、設備，擴展性差，升級改造困難，同時硬件盤臺并沒有包括變電站中保護、測控柜等實際裝置，與現(xiàn)場相比逼真度存在差距，培訓效果不夠理想。

（二）純軟件仿真培訓模式

純軟件仿真培訓模式是指變電站內的開關控制屏、保護屏、模擬屏、室外和室內的主設備及主接線等所有設備全都用軟件仿真，除計算機外沒有任何硬件，該系統(tǒng)采用多媒體仿真模式，仿真變電站的有關電氣設備，包括一次設備、控制系統(tǒng)、中央信號系統(tǒng)以及繼電保護和自動裝置的面板均可在計算機屏幕上動態(tài)顯示。軟件模式的仿真培訓系統(tǒng)很快便以其便捷、經(jīng)濟等優(yōu)點受到電力部門的青睞，目前應用較廣。在這種模式中傳統(tǒng)控制室中的保護屏、控制屏、中央信號屏等物理設備均被計算機監(jiān)控平臺所代替，所有監(jiān)控功能都通過人機交互界面實現(xiàn)與培訓人員的互動。省去了大量硬件設備，大大提高了可靠性，并且有利于系統(tǒng)更新升級。但是軟仿真模式的培訓仿真系統(tǒng)由于所有的操作和顯示都是在微機屏幕上進行，與實際現(xiàn)場環(huán)境差距大，真實感較差，培訓效果也不太理想。

（三）混合仿真培訓模式

混合仿真培訓模式將數(shù)字化的電網(wǎng)仿真與變電站中全部真實的二次設備（包括監(jiān)控系統(tǒng)、保護柜、測控柜、音響、燈光等）有機結合成為的混合仿真培訓系統(tǒng)。目前，該類系統(tǒng)主要采用將數(shù)字化電網(wǎng)仿真與部分真實設備相結合的仿真模式，將數(shù)字化電網(wǎng)仿真結果通過數(shù)字模擬量轉換卡轉換為-3.53~3.53V的弱電交流量，再輸出到經(jīng)過改造的保護裝置的內部采樣插件上，并通過開關量輸入卡采集模擬斷路器的位置，從而實現(xiàn)斷路器的動作的仿真，這種仿真方式只采用部分真實設備，并且需要對實際的保護柜進行改造才能以適應該仿真系統(tǒng)，并且可擴展性較差，新增加的保護設備無法直接接入（必須經(jīng)過改造）培訓仿真系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的仿真效果與現(xiàn)場的一致性仍存在差距。

二、變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)概述

變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)是將數(shù)字化的電網(wǎng)一次設備仿真與實際變電站二次設備相結合的數(shù)字物理混合仿真技術。即監(jiān)控系統(tǒng)、保護及測控裝置、五防系統(tǒng)、燈光、音響等采用現(xiàn)場真實物理設備，而該變電站一次設備、鄰近電網(wǎng)及其一次設備、二次設備等采用數(shù)字仿真。其中數(shù)字仿真部分采用變電站實時仿真與全動態(tài)電網(wǎng)混合仿真技術，即詳細仿真的變電站采用實時仿真技術，變電站所在電網(wǎng)采用暫態(tài)、中期、長過程一體化仿真計算技術，實現(xiàn)電網(wǎng)的全動態(tài)仿真，從而既能詳細而真實再現(xiàn)變電站一次設備的行為，也能逼真地再現(xiàn)大電網(wǎng)的各類動態(tài)過程對變電站的影響。數(shù)字仿真電網(wǎng)再通過高速的通信系統(tǒng)，高速的開關量采集、輸出系統(tǒng)，高速、高精度的數(shù)字模擬量轉換系統(tǒng)和仿真功率放大器與真實的變電站二次設備有機結合，實現(xiàn)了變電站軟仿真子系統(tǒng)、數(shù)字電網(wǎng)仿真的一次、真實的二次設備仿真放置于同一個仿真系統(tǒng)中，有機連接、靈活配置，營造了十分逼真的變電站運行環(huán)境。從而實現(xiàn)對現(xiàn)場各類運行人員的培訓需求：如變電站運行人員、繼電保護人員、檢修人員及相關的管理人員等，同時能完成人員培訓、技能鑒定、崗位考核等各項工作。

三、變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)架構

圖1給出了變電站數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)的總體架構。其中電網(wǎng)及變電站的數(shù)字仿真部分通過接口系統(tǒng)實現(xiàn)變電站電磁暫態(tài)仿真與電網(wǎng)全動態(tài)仿真的有機結合，其他變電站軟仿真也是基于同一個的電網(wǎng)仿真，從而可以實現(xiàn)變電站軟仿真、混合仿真的一體化。數(shù)字電網(wǎng)仿真結果的瞬時值通過高速通信系統(tǒng)傳送到高速、高精度同步數(shù)字模擬轉換器形成0～10V的模擬交流量，該模擬量通過電流或電壓功率放大器得到放大的電流或電壓電氣量驅動變電站的實際二次設備。數(shù)字仿真系統(tǒng)通過高速開關量采集系統(tǒng)實時檢測到變電站開關和刀閘的狀態(tài)，從而將數(shù)字仿真和實際二次設備有機結合起來，實現(xiàn)了數(shù)字仿真與變電站實際二次設備的無縫閉環(huán)連接。仿真培訓系統(tǒng)通過開關量輸出系統(tǒng)驅動非電氣量保護動作模擬硬接點、變壓器有載調壓模擬硬接點、風冷控制模擬硬接點等，實現(xiàn)變壓器的非電氣量保護動作的模擬。

四、變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)功能

變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)是將電網(wǎng)仿真、變電站實時仿真、變電站綜合自動化系統(tǒng)仿真和教員與學員系統(tǒng)有機結合為一體化的系統(tǒng)，不但實現(xiàn)了地區(qū)電網(wǎng)生產(chǎn)運行過程的全仿真，也可以正確反映變電站、變電站綜合自動化系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互作用、相互影響，可以對運行人員進行全方位的仿真培訓。系統(tǒng)的主要應用功能如下：

（一）培訓運行人員和相關管理人員

培訓基本的運行技能。對新員工進行上崗培訓，對老員工的基本運行能力進行培訓及考核，使其熟悉變電站一二次設備、變電站綜合自動化系統(tǒng)、集控站監(jiān)控系統(tǒng)、電網(wǎng)結構、運行方式、電網(wǎng)潮流，掌握基本運行操作及運行規(guī)程，熟練使用實時監(jiān)控系統(tǒng)（變電站綜合自動化系統(tǒng)和電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)）及其他應用軟件。

事故分析及處理。可進行開關、刀閘、變壓器、母線、線路、發(fā)電機組、電容器等各種設備及其相關的故障處理培訓，訓練變電站運行人員發(fā)現(xiàn)事故、異常，依據(jù)仿真的電網(wǎng)環(huán)境判斷故障和處理故障，并在訓練結束后對事故進行分析，重放事故發(fā)生和處理的全過程。通過仿真訓練可以使運行人員了解各種事故發(fā)生的現(xiàn)象、原因及變化過程，總結積累處理經(jīng)驗，增強他們事故處理時的自信心。

變電站一次設備正常和特殊巡視訓練。通過變電站一次設備三維交互式漫游巡視系統(tǒng)，實現(xiàn)變電站一次設備的三維重現(xiàn)和虛擬操作，受訓人員感到富有直觀性、形象性，有助于其熟悉了解現(xiàn)場情況，更好地將理論知識與實踐經(jīng)驗相結合。

對于管理人員進行電網(wǎng)及變電站運行的概念性培訓。管理人員通過仿真培訓可以了解電網(wǎng)及變電站的現(xiàn)狀、運行方式、操作規(guī)程及電網(wǎng)和變電站運行的特性。

（二）聯(lián)合反事故演習

本系統(tǒng)可用于研究電網(wǎng)、變電站特點，對薄弱環(huán)節(jié)做好事故預想工作，完善各種事故應對方案，從而提高事故情況下的應對能力，克服以往反事故演習紙上談兵的局限性。仿真電網(wǎng)設置的常見事故及復雜事故發(fā)生后，將引起繼電保護的連鎖動作和電網(wǎng)潮流的變化，并顯示越限設備的報警提示，對此研究后可以總結事故處理經(jīng)驗，制訂出合理的事故處理預案。做到事前有分析，事后有反饋，切實提高電網(wǎng)安全運行能力。

五、硬件系統(tǒng)

變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由以下幾部分組成：教員臺，學員臺，仿真主機，變電站實際二次設備，電流、電壓功率放大器，高速、高精度同步輸出數(shù)字模擬轉換器，高速通信及開關量輸入輸出系統(tǒng)，混合仿真集成支撐平臺。

（一）教員臺

可以用仿真主機，運行教員子系統(tǒng)為教員管理和控制培訓過程提供支撐平臺。

（二）學員臺

使用與現(xiàn)場完全一致的監(jiān)控系統(tǒng)工程畫面，保留所有現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)功能，并與仿真模型建立通信連接。使學員在監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面上獲得在現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)上相同的操作。

（三）仿真主機

運行全動態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)，是仿真系統(tǒng)的核心和中樞。仿真系統(tǒng)模型包括：鄰近電網(wǎng)的全動態(tài)電網(wǎng)計算模型、包括一次、二次設備模型、故障模型和異常模型。

（四）變電站實際二次設備

保護、測控、音響、燈光等裝置采用與現(xiàn)場完全相同的硬件設備，可以為受訓者提供真實的操作、監(jiān)視手段，使得仿真機不僅可以培訓變電站運行人員的常規(guī)操作和監(jiān)視，同時還能使他們熟悉和了解變電站重要二次保護裝置和屏面設備。

（五）電壓、電流功率放大器

功率放大器接收DA輸出的弱電模擬信號，進行功率放大使電流信號放大至0～20A、使電壓信號放大至0～100V，以驅動實際二次設備。放大器在與仿真信號連接是采用高阻差分方式，無公共連接點，這樣可保證仿真系統(tǒng)的安全工作，又可長線連接抗干擾，提高系統(tǒng)的小信號精度。仿真培訓專用的功率放大器多路的電流或電壓輸出，從而能保證更好的同步輸出精度，同時降低電流功率放大器的最大輸出電流。

（六）高速、高精度同步輸出數(shù)字模擬轉換器

將變電站實時仿真計算出的電壓和電流的數(shù)字量轉化為模擬量，是決定仿真精度的重要環(huán)節(jié)，其關鍵技術是實現(xiàn)各路數(shù)字模擬轉化（DA）的同步輸出，同時為了保證輸出波形的質量，每工頻周波的輸出點數(shù)大于60點，DA向功率放大器輸入模擬弱電信號。為了保證混合仿真系統(tǒng)的可擴展性，更好地適應變電站規(guī)模的變化，采用分布式同步實時仿真技術，即根據(jù)變電站電氣量需要嚴格同步的程度對各電氣量進行分組，每組電氣量在同一塊DA轉換器進行輸出保持嚴格的同步，多組DA轉換器通過高速PCI總線分布式工作，因此降低了以前依賴專用的DA轉換器的程度，這樣既可以保證仿真培訓的效果，又可以保證系統(tǒng)的高可擴展性和系統(tǒng)造價。

（七）高速通信及開關量輸入輸出系統(tǒng)

通過開關量輸入系統(tǒng)采集開關、刀閘動作情況、有載調壓接點，實現(xiàn)開關、刀閘狀態(tài)及變壓器抽頭位置的高速采集，將實際設備的狀態(tài)實時發(fā)送給變電站實時仿真計算。通過開關量輸出和繼電器模擬非電量保護動作、變壓器風冷控制硬接點等。

（八）混合仿真集成支撐平臺

混合仿真集成支撐平臺采用PCI總線技術將高速、高精度同步輸出數(shù)字模擬轉換器、高速通信系統(tǒng)和開關量輸入輸出系統(tǒng)緊密集成。變電站實時仿真子系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)均運行在混合仿真集成支撐平臺，實時操作系統(tǒng)通過硬件系統(tǒng)驅動軟件驅動數(shù)字模擬轉換器、高速通信系統(tǒng)和開關量輸入輸出系統(tǒng)（即用于對DA轉換器、開關量輸出和開關量輸入板卡的控制）是實現(xiàn)數(shù)字一次設備與二次物理設備有機聯(lián)系的接口系統(tǒng)，將變電站實時仿真計算結果實時刷新DA卡、將接口系統(tǒng)的自身狀態(tài)定時刷新DA轉換器的某個通道、通過開關量輸入系統(tǒng)采集開關、刀閘

的狀態(tài)、通過開關量輸出系統(tǒng)向實際設備發(fā)送指令。

六、軟件系統(tǒng)

混合仿真培訓系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：交互式、分布式仿真軟件支撐平臺，全動態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)，教員與學員子系統(tǒng)，變電站實時仿真子系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)驅動子系統(tǒng)。

全動態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)、變電站軟仿真子系統(tǒng)、變電站實時仿真子系統(tǒng)、教員與學員系統(tǒng)軟件通過交互式、分布式仿真軟件支撐平臺的運行管理系統(tǒng)有機結合在一起組成整個數(shù)字仿真培訓系統(tǒng)，變電站實時仿真子系統(tǒng)通過實時操作系統(tǒng)的內核級調用與硬件系統(tǒng)驅動軟件集成，與物理設備完成無縫連接。

交互式、分布式仿真軟件支撐平臺是混合仿真培訓系統(tǒng)基礎，包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、仿真運行管理系統(tǒng)、人機界面系統(tǒng)、變電站一二次設備人機界面系統(tǒng)和仿真建模系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用商用數(shù)據(jù)庫與實時數(shù)據(jù)庫相結合的方式，實時數(shù)據(jù)庫是常駐內存數(shù)據(jù)庫，用來支持數(shù)據(jù)的快速訪問、處理。實時數(shù)據(jù)庫與商用數(shù)據(jù)庫有機結合的方式保證了數(shù)據(jù)庫的實時性和高效性，商用數(shù)據(jù)庫作為實時數(shù)據(jù)庫的持久存儲，較好地解決了分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開放性、實時性和一致性問題，從而充分發(fā)揮了實時數(shù)據(jù)庫和商用數(shù)據(jù)庫各自的優(yōu)勢。仿真運行管理系統(tǒng)，作為分布式仿真的運行支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)了各個仿真應用之間的交互操作，是聯(lián)系各仿真子系統(tǒng)（軟仿真、電網(wǎng)仿真、混合仿真）各部分的紐帶，是分布式仿真系統(tǒng)的核心，為各個仿真應用軟件提供了位置透明、高效的虛擬運行環(huán)境，向子系統(tǒng)提供交互對象管理服務、時間管理服務、數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務和應用程序接口。人機界面系統(tǒng)是全圖形人機接口，為教員和學員提供交互式操作媒介。變電站一二次設備人機界面系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術、組件技術、3D建模技術和虛擬現(xiàn)實技術，可以構建各種電壓等級的虛擬變電站，包括變電站主控制室、控制屏、保護屏、中央信號屏、交直流屏等二次設備和現(xiàn)場一次設備，分為變電站一二次設備人機界面編輯系統(tǒng)、在線系統(tǒng)及變電站一次設備三維交互式虛擬場景系統(tǒng)。仿真建模系統(tǒng)通過圖形、模型和數(shù)據(jù)庫一體化建模技術，在畫面編輯時能夠提供特定電氣元件的計算模型，在生成畫面同時，能夠自動地生成或人為輸入電氣元件計算模型的參數(shù)，并插入到數(shù)據(jù)庫相關表格中，為電網(wǎng)仿真、變電站實時仿真等子系統(tǒng)提供拓撲數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)。

全動態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)采用暫態(tài)、中期、長過程一體化計算再現(xiàn)真實的電力系統(tǒng)的動態(tài)響應過程，采用了固定結構的稀疏矩陣、微分方程隱式梯形差分方程與網(wǎng)絡代數(shù)方程的聯(lián)立求解、強魯棒性牛頓—拉夫遜法非線性方程求解、自動變步長等技術保證電網(wǎng)仿真計算的快速性和穩(wěn)定性。

教員與學員子系統(tǒng)為教員管理和控制培訓過程提供支撐平臺，功能由四部分組成，即：系統(tǒng)管理功能、培訓前運行方式和教案準備、培訓中的操作和進度控制、培訓后分析和評估。系統(tǒng)管理功能包括時間管理、用戶管理、運行方式管理等；培訓前運行方式和教案準備包括選擇運行方式數(shù)據(jù)、整定初始方式、預設故障和事件；培訓中的操作和進度控制是指教員對培訓進程的控制、對電力系統(tǒng)模型的操作、設置故障和事件、管理和監(jiān)視學員的操作；培訓后分析和評估包括使用事件記錄、曲線、報表等工具分析學員操作的效果，利用事故追憶再現(xiàn)學員的處理過程和系統(tǒng)的變化過程，利用評價工具對學員的操作進行評價。

變電站實時仿真子系統(tǒng)在變電站中一次設備的三相暫態(tài)模型及外網(wǎng)動態(tài)等值模型基礎上，采用電磁暫態(tài)計算理論實現(xiàn)變電站的詳細仿真計算。通過接口算法實現(xiàn)變電站實時仿真與全動態(tài)仿真的在線交互，保證變電站的動態(tài)響應的準確性。變電站實時仿真子系統(tǒng)運行在實時操作系統(tǒng)基礎上，實時操作系統(tǒng)可配置成單任務模型，保證實時仿真子系統(tǒng)的最高優(yōu)先級的運行級別，實時操作系統(tǒng)運行于混合仿真集成支撐平臺，并通過硬件系統(tǒng)驅動軟件驅動硬件系統(tǒng)。

七、結論

本文研究開發(fā)的變電站數(shù)字物理混合仿真培訓系統(tǒng)是在軟仿真模式的變電站仿真技術基礎上，結合電力系統(tǒng)的實時仿真技術，將數(shù)字化的電網(wǎng)仿真與變電站中全部真實的二次設備有機結合成為的物理與數(shù)字混合仿真培訓系統(tǒng)，使受訓的變電站運行人員、繼電保護人員、檢修人員及相關的管理人員在完全真實的變電站環(huán)境內接受訓練，同時能夠完成人員培訓、技能鑒定、崗位考核等各項工作，能有效地提高現(xiàn)場運行人員素質水平。該系統(tǒng)已在石家莊電力培訓學校220kV教學變電站培訓仿真系統(tǒng)中，取得了很好的培訓效果。

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作者簡介：肖京園（1983－），男，陜西人，北京林業(yè)大學碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程；劉文定（1960－），女，山西人，北京林業(yè)大學教授，研究方向：自動化。