變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

武衛(wèi)平,孔玉娟

（東北電網(wǎng)有限公司豐滿培訓(xùn)中心,吉林 吉林 132000）

目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)變電站值班員崗位培訓(xùn)大多采用單純的軟件仿真培訓(xùn),只能在虛擬軟件或三維界面上巡視、操作、處理故障,有一定的局限性,培訓(xùn)功能單一。變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可連接實(shí)際變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備,結(jié)合數(shù)字仿真和實(shí)時(shí)測(cè)試、暫態(tài)仿真技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等,使培訓(xùn)更真實(shí)。系統(tǒng)可對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)化及遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、變電檢修等專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行運(yùn)行操作、調(diào)試維護(hù)、檢修試驗(yàn)等內(nèi)容的培訓(xùn)。

1 系統(tǒng)組成

一次系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)仿真（采用真實(shí)的不帶電設(shè)備）。仿真一次系統(tǒng)和實(shí)際一次系統(tǒng)均為2座獨(dú)立的典型66 kV變電站,二次系統(tǒng)采用與電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相同的、真實(shí)的變電站二次設(shè)備。在軟件仿真的一次系統(tǒng)和真實(shí)的二次系統(tǒng)之間用起互感器作用和一次設(shè)備輔助接點(diǎn)作用的變電站二次信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置（信號(hào)轉(zhuǎn)接箱）連接。信號(hào)轉(zhuǎn)換箱通過(guò)功率放大器與二次設(shè)備連接,在真實(shí)的一次設(shè)備和二次設(shè)備之間經(jīng)電纜接通二次回路。真實(shí)的一次設(shè)備狀態(tài)與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真軟件中一次設(shè)備的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。變電站數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 功能

2.1 數(shù)字仿真系統(tǒng)

圖1 變電站數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字仿真系統(tǒng)負(fù)責(zé)變電站一次系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算。在數(shù)字仿真系統(tǒng)中包括電力系統(tǒng)元件模型,可以通過(guò)圖形界面對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)進(jìn)行修改。根據(jù)變電站接線結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)對(duì)變電站一次系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,實(shí)時(shí)輸出與變電站相同的電壓、電流波形?？梢愿淖冏冸娬疽淮沃鹘泳€,從而對(duì)變電站運(yùn)行情況進(jìn)行完整的仿真模擬。

任意設(shè)置并模擬電力系統(tǒng)的各種故障和電力負(fù)荷的變化等。事故仿真一種是設(shè)置的事故（線路故障、母線故障、變壓器故障等）;一種是誤操作事故,該故障在模型中自然引發(fā)。還可設(shè)置開(kāi)關(guān)拒動(dòng)、保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng),擴(kuò)大事故范圍。設(shè)置事故可進(jìn)行各種事故演練,提高學(xué)員對(duì)事故處理能力。

仿真系統(tǒng)可人為設(shè)置單個(gè)或復(fù)合故障,制造事故現(xiàn)場(chǎng),讓學(xué)員判斷事故性質(zhì)、類型、地點(diǎn)等,并進(jìn)行處理,由系統(tǒng)記錄處理過(guò)程并打印輸出,找出事故處理中的差錯(cuò)、疏漏,提高技術(shù)水平。

2.2 真實(shí)的變電站一次設(shè)備

真實(shí)的變電站一次開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)方分合閘。刀閘可以實(shí)現(xiàn)就地操作,通過(guò)二次回路把分合閘狀態(tài)反應(yīng)到監(jiān)控和數(shù)字仿真系統(tǒng),保護(hù)裝置可以對(duì)真實(shí)的一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳閘。

變電站值班人員可對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行巡視,實(shí)際操作開(kāi)關(guān)。變電檢修人員可以進(jìn)行拆裝檢修。

2.3 真實(shí)的變電站二次設(shè)備

二次系統(tǒng)為真實(shí)的變電站綜合自動(dòng)化設(shè)備,學(xué)員可以進(jìn)行調(diào)試維護(hù),可任意改變保護(hù)類型、設(shè)置保護(hù)定值、閱讀報(bào)文、信號(hào)復(fù)歸、故障錄波等,變電站二次設(shè)備的所有功能均可實(shí)現(xiàn)。電壓、電流指示、電能表均可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

除運(yùn)行人員外,繼電保護(hù)人員可以進(jìn)行保護(hù)測(cè)試、調(diào)試維護(hù)等培訓(xùn)。

2.4 信號(hào)轉(zhuǎn)接箱

信號(hào)轉(zhuǎn)接箱將一次系統(tǒng)的數(shù)字仿真與二次系統(tǒng)的實(shí)際變電站綜合自動(dòng)化設(shè)備實(shí)時(shí)連接起來(lái),形成一個(gè)完整的閉環(huán)數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)。

仿真系統(tǒng)計(jì)算出的交流電壓、電流模擬量信號(hào)可通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接箱輸出（模擬TV、TA二次側(cè)輸出）,一次系統(tǒng)中的斷路器和刀閘的位置、有載調(diào)壓變壓器分接頭的位置等開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)繼電器接點(diǎn)輸出。二次系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備輸出的開(kāi)關(guān)操作、保護(hù)跳閘、重合閘、有載調(diào)壓變壓器分接頭位置的升、降等控制信號(hào)一方面轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)反饋至仿真系統(tǒng),以便實(shí)時(shí)改變一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù);另一方面使一次設(shè)備動(dòng)作。

2.5 交流放大器

交流放大器可以方便地同信號(hào)轉(zhuǎn)接箱相連,把放大后的電壓、電流輸入到保護(hù)裝置。在仿真系統(tǒng)設(shè)置故障,電壓、電流參數(shù)可反應(yīng)到保護(hù)裝置,使現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備動(dòng)作。交流放大器有較完善的自檢和自保護(hù)功能,并可方便恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

3 數(shù)字仿真系統(tǒng)的建立

數(shù)字仿真系統(tǒng)包括圖形化仿真建模系統(tǒng)、教練員臺(tái)、電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真計(jì)算系統(tǒng)和實(shí)時(shí)進(jìn)程控制系統(tǒng)。圖形化仿真建模系統(tǒng)及教練員臺(tái)采用最新的基于圖模庫(kù)一體化技術(shù)圖形建模軟件,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性。圖形分層次管理,可以添加任意多的圖層,在激活的圖層上繪制圖形,并分層顯示圖形。用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言建立電源、負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行電網(wǎng)動(dòng)態(tài)計(jì)算,具有良好的魯棒性。

電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真基于電磁暫態(tài)計(jì)算,具有固定頻率電源模型,不僅能計(jì)算系統(tǒng)的工頻電量,而且考慮了非周期、高頻分量及快速的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

當(dāng)仿真軟件同物理設(shè)備對(duì)接時(shí),實(shí)時(shí)進(jìn)程控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)仿真測(cè)試過(guò)程的時(shí)序和同步控制,保證計(jì)算的實(shí)時(shí)性和多路信號(hào)的同步性。

4 硬件系統(tǒng)的配置及性能指標(biāo)

4.1 仿真主機(jī)

仿真主機(jī)采用高速雙CPU計(jì)算機(jī),負(fù)責(zé)一次系統(tǒng)的建模和實(shí)時(shí)計(jì)算。

4.2 信號(hào)轉(zhuǎn)接箱

信號(hào)轉(zhuǎn)接箱內(nèi)置基于DSP的高速通信卡。仿真主機(jī)通過(guò)PCI并行總線（針對(duì)電磁暫態(tài)仿真）將信號(hào)輸送至信號(hào)轉(zhuǎn)接箱,信號(hào)轉(zhuǎn)接箱和功率放大器分別放置到屏柜里,輸出的模擬量和I/O信號(hào)直接引到裝置屏柜的端子排上,各信號(hào)轉(zhuǎn)接箱的輸入、輸出由仿真主機(jī)同步控制。

信號(hào)轉(zhuǎn)接箱的模擬信號(hào)采用16位數(shù)/模輸出,峰值為±10 V,開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)采用光電耦合輸入,開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)采用繼電器輸出,接點(diǎn)容量不低于直流220 V/0.3 A。具有數(shù)/模轉(zhuǎn)換和電壓、電流輸出功能,可將仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換成交流模擬量輸出;具有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出功能,用于系統(tǒng)同二次設(shè)備開(kāi)關(guān)量的交換;根據(jù)需要和自動(dòng)化設(shè)備情況設(shè)置電壓通道數(shù)、電流通道數(shù)、I/O端口數(shù)、電壓、電流放大倍數(shù)及電壓電流轉(zhuǎn)換系數(shù)等。

4.3 交流放大器

交流放大器滿足DL/T 624—1997《繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件》中5.4及5.5規(guī)定的條款,可以方便地與信號(hào)轉(zhuǎn)接箱相連。硬件系統(tǒng)配置如圖2所示。

5 應(yīng)用效果

系統(tǒng)投入使用后已進(jìn)行了變電運(yùn)行、繼電保護(hù)、變電檢修3個(gè)工種的培訓(xùn)。變電運(yùn)行人員能在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行操作,拉合開(kāi)關(guān)、投退壓板、掛接地線、裝設(shè)遮欄等操作與現(xiàn)場(chǎng)完全相同。教師可以在仿真系統(tǒng)任意設(shè)置故障,運(yùn)行人員根據(jù)報(bào)警、二次設(shè)備的報(bào)文和現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象進(jìn)行事故處理,培訓(xùn)效果較好。特別是對(duì)新畢業(yè)大學(xué)生的上崗前培訓(xùn),較單純的軟件仿真模擬操作更有效。

圖2 硬件系統(tǒng)配置

在繼電保護(hù)測(cè)試功能上,由于閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)交互效果好,可以方便地模擬系統(tǒng)中的多重故障和多個(gè)繼電保護(hù)裝置之間的相互影響。通過(guò)與實(shí)際綜合自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)時(shí)連接,在培訓(xùn)過(guò)程中幫助學(xué)員更加深入地了解變電站設(shè)備的運(yùn)行性能和工作特性。同時(shí),學(xué)員可通過(guò)培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行繼電保護(hù)裝置及自動(dòng)重合閘裝置的測(cè)試。

6 結(jié)束語(yǔ)

變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)字仿真和實(shí)時(shí)測(cè)試,連接了實(shí)際的變電站二次設(shè)備及真實(shí)的一次設(shè)備,使培訓(xùn)更接近實(shí)際,方式更加靈活,增強(qiáng)了培訓(xùn)效果,增加了變電檢修、繼電保護(hù)、自動(dòng)化遠(yuǎn)動(dòng)等培訓(xùn)功能,在實(shí)際培訓(xùn)中反響較好。其缺點(diǎn)是投資大、建設(shè)周期長(zhǎng),仿真系統(tǒng)有時(shí)不太穩(wěn)定,一些事故模擬需要和純軟件仿真相配合。

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