500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

李秋燕 張洪波 姚 峰

（1.河南省電力公司培訓(xùn)中心，鄭州 450052；2.河南省電力公司，鄭州 450052）

現(xiàn)代電網(wǎng)由大向強轉(zhuǎn)變，500kV主網(wǎng)架中新建擴建變電站相繼投入運行，國內(nèi)外先進的變電設(shè)備及裝置大量引進使用，變電運行人員的專業(yè)素質(zhì)、操作水平和電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著直接聯(lián)系，因此他們的實踐技能培訓(xùn)就顯得日益重要和緊迫。變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是目前公認的積極有效培訓(xùn)手段[1-5]，它在培訓(xùn)學(xué)員熟悉現(xiàn)場設(shè)備性能、控制和保護邏輯，提高正常操作水平和反事故能力，培養(yǎng)鎮(zhèn)定應(yīng)對突發(fā)事件素質(zhì)等方面發(fā)揮了顯著作用。但就目前已開發(fā)的變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)而言，仍存在一些不足：

1）仿真模型不完善。仿真對象僅考慮1座孤立變電站和站內(nèi)設(shè)備?，F(xiàn)代電網(wǎng)500kV變電站互聯(lián)性日益緊密，忽略站與站之間，站與電網(wǎng)之間的影響[6-7]，將導(dǎo)致遙測量數(shù)據(jù)和保護配合不真實，影響培訓(xùn)效果。

2）功能單一，適應(yīng)面窄。多數(shù)變電系統(tǒng)不具備電網(wǎng)仿真功能，無法實現(xiàn)電網(wǎng)與變電站聯(lián)合反事故演習(xí)，不能有效培養(yǎng)運行人員的全局觀念和大系統(tǒng)概念。

為適應(yīng)當(dāng)前培訓(xùn)形勢，需開發(fā)一套模型完善、適應(yīng)性強、技術(shù)先進的500kV多站聯(lián)合變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，既對變電站所在電網(wǎng)進行完整仿真，又對多個變電站進行詳細仿真，實現(xiàn)兩者有機結(jié)合，為500kV運行人員提供一個良好的培訓(xùn)平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)以河南500kV和220kV主干網(wǎng)、所有500kV變電站為仿真對象。電網(wǎng)仿真是準確模擬電網(wǎng)在各種運行方式及事故狀態(tài)下的變化過程，為變電站內(nèi)一、二次設(shè)備動作響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐，因此電網(wǎng)仿真要求精確性、穩(wěn)定性，實時性；變電站仿真是詳細模擬站內(nèi)一次設(shè)備、綜合自動化系統(tǒng)、繼電保護和自動裝置等，各部分功能相對獨立和完整，因此變電站仿真具有分散性、詳細性?；谝陨显瓌t，該仿真系統(tǒng)采用“集中管理、分散計算”設(shè)計模式，即建立一個仿真主站和若干個仿真子站，主站和子站之間呈交互式、分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主站“集中管理”：一方面負責(zé)整個系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)交互、子站控制等資源管理協(xié)調(diào)功能；另一方面實現(xiàn)電網(wǎng)仿真功能，負責(zé)電網(wǎng)模型計算，為各個子站實時提供遙測量。子站“分散計算”：各子站實現(xiàn)變電站仿真功能，負責(zé)接收本站對應(yīng)的遙測量，進行一次、二次設(shè)備模型的計算，并向主站傳送設(shè)備動作信號等開關(guān)量。主站與子站之間設(shè)計統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)接口，通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。這一設(shè)計模式有以下特點：

1）主站和子站的數(shù)據(jù)交互保證電網(wǎng)和變電站之間數(shù)據(jù)的一致性，從而實現(xiàn)仿真一體化。

2）分布式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)信息分流、控制分層目的，減輕主站計算壓力，保證電力網(wǎng)絡(luò)計算的實時性。

3）仿真系統(tǒng)具備良好的升級擴充功能，支持后期仿真子站接入，及時跟蹤電網(wǎng)實際運行狀況。

4）子站可以靈活方便地在主站上進行配置或拆卸，使得系統(tǒng)既可以實現(xiàn)多站聯(lián)合培訓(xùn)，也可以進行單站培訓(xùn)，滿足培訓(xùn)需求的多樣性。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析計算技術(shù)、圖形技術(shù)和仿真技術(shù)的集成。該系統(tǒng)采用純軟件仿真，包括仿真支撐軟件和仿真應(yīng)用軟件，后者分為電網(wǎng)仿真軟件和變電站仿真軟件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1 分布式仿真支撐軟件

仿真支撐軟件是衡量仿真系統(tǒng)技術(shù)水平的重要標志，一個先進的仿真支撐軟件除了提供模型開發(fā)手段外，還應(yīng)對整個仿真系統(tǒng)的資源進行管理和協(xié)調(diào)。本系統(tǒng)開發(fā)了完全建立在Windows平臺上SDSS2000（Simulation Development Supporting System 2000 version）仿真支撐軟件，它是本仿真系統(tǒng)的控制、管理中樞，適應(yīng)系統(tǒng)分層分布式結(jié)構(gòu)，在主站和子站計算機上都有駐留程序，集仿真管理、仿真開發(fā)、仿真培訓(xùn)功能于一體。

在仿真管理方面，SDSS2000是聯(lián)系系統(tǒng)各部分的紐帶，是分布式仿真系統(tǒng)的核心，負責(zé)通訊管理、系統(tǒng)配置管理、數(shù)據(jù)分布管理、權(quán)限管理、應(yīng)用程序接口管理、仿真時間管理等。仿真應(yīng)用間不直接通訊，所有網(wǎng)絡(luò)通訊功能由支撐軟件實現(xiàn)，它根據(jù)各個仿真應(yīng)用的需求調(diào)度整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布，將信息發(fā)送到需要的地方。系統(tǒng)配置管理能夠?qū)⒎植荚诰钟蚓W(wǎng)上的多個計算機節(jié)點按照功能需求組成一個獨立應(yīng)用子系統(tǒng)，靈活配置成不同的運行模式，滿足不同層次和不同數(shù)量人員培訓(xùn)要求。

在仿真開發(fā)方面，SDSS2000作為開發(fā)工具一方面為模型軟件提供位置透明、高效的虛擬運行環(huán)境；另一方面支持模塊化建模，實現(xiàn)模型軟件的建立、修改、調(diào)試、運行、輸出等功能。模型軟件是描述仿真對象工作原理和運行過程的應(yīng)用軟件，在模塊化建模環(huán)境中，通過輸入、輸出和系數(shù)的配置建立模塊，并依據(jù)物質(zhì)流向和控制信息流向?qū)⑦@些模塊一一連接起來，構(gòu)成仿真設(shè)備的抽象模型，反映其物理規(guī)律和工作原理。

在仿真培訓(xùn)方面，SDSS2000實現(xiàn)教員臺所有功能，如初始運行方式整定存儲或調(diào)用、仿真系統(tǒng)運行或凍結(jié)、故障設(shè)置、培訓(xùn)監(jiān)管等。教員臺既可以運行于服務(wù)器，對局域網(wǎng)計算機節(jié)點靈活配置實現(xiàn)不同培訓(xùn)形式，也可以運行于受控站任意一臺計算機，實現(xiàn)單站仿真培訓(xùn)。

2.2 精確的電網(wǎng)仿真計算

電網(wǎng)仿真是整個仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，為變電站仿真提供遙測量，這些數(shù)據(jù)直接影響受控站各種設(shè)備和裝置動作正確性。電網(wǎng)仿真采用穩(wěn)態(tài)、電磁暫態(tài)分析計算方法準確模擬電網(wǎng)在各種運行方式及事故狀態(tài)下的變化過程，完整精確地對現(xiàn)場各種行為進行全范圍仿真，其軟件包括的模塊有：外網(wǎng)等值、網(wǎng)絡(luò)拓撲分析、潮流計算、頻率計算、故障計算。電網(wǎng)仿真模型除河南500kV和220kV主干網(wǎng)之外，還需考慮華北、西北、華中外部互聯(lián)電網(wǎng)，它們對分析計算結(jié)果有重要影響，該系統(tǒng)采用實用的靜態(tài)等值法方法對外部電網(wǎng)進行合理等值。在網(wǎng)絡(luò)拓撲分析時，采用變電站級和網(wǎng)絡(luò)級二級搜索策略，確定計算用的節(jié)點和支路，并解決電網(wǎng)解列和電氣孤島問題。故障計算能夠完成單一故障和復(fù)雜故障計算，支持仿真系統(tǒng)進行單重或多重、連續(xù)故障的培訓(xùn)。

2.3 先進完善的變電站仿真

變電站仿真是模擬變電站設(shè)備及其運行過程，包括一次設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、繼電保護裝置等，它們之間相互獨立，通過仿真支撐軟件SDSS2000通信交互，搭建組合成變電站仿真系統(tǒng)。

1）基于三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)一次設(shè)備仿真

變電站一次設(shè)備仿真包括開關(guān)、刀閘本體及操作機構(gòu)，主變本體及冷卻系統(tǒng)、有載調(diào)壓裝置，防誤系統(tǒng)，PT及CT，低壓交流設(shè)備仿真，它由模型軟件和圖形平臺共同支撐實現(xiàn)。模型軟件反映一次設(shè)備的工作原理，支持圖形平臺圖元的動態(tài)響應(yīng)；圖形平臺支持一次設(shè)備的直觀顯示和動態(tài)操作。該系統(tǒng)開發(fā)三維虛擬仿真（3D virtual Simulation）圖形平臺[8]，采用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)動態(tài)加載大型三維場景，對變電站進行 1∶1全方位三維仿真，真實還原變電站戶外設(shè)備區(qū)，形象模擬設(shè)備外觀、可操作部分、表計指示、設(shè)備異常或故障現(xiàn)象，實現(xiàn)在虛擬場景中巡視、檢查、操作設(shè)備，如圖3所示。一次設(shè)備的三維仿真提高了系統(tǒng)的真實感、臨場感。一次設(shè)備模型軟件設(shè)置有完備的設(shè)備缺陷庫，例如接觸點過熱、瓷瓶閃絡(luò)、電弧放電等，這些異常故障發(fā)生后能夠在三維虛擬場景中觸發(fā)光電、聲響等逼真現(xiàn)象。

圖3 一次設(shè)備三維虛擬場景

2）先進完善的綜合自動化系統(tǒng)仿真

變電站綜合自動化系統(tǒng)仿真對象是各個真實變電站的綜合自動化系統(tǒng)，包括監(jiān)控系統(tǒng)和五防系統(tǒng)。仿真內(nèi)容包括表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)層，表現(xiàn)層即各個變電站的綜合自動化系統(tǒng)可視化界面，需要給人以直觀的視覺反饋；業(yè)務(wù)層即綜合自動化系統(tǒng)功能體現(xiàn)，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、告警瀏覽、設(shè)備操作、流程控制等。本仿真系統(tǒng)采用視窗表示基礎(chǔ)技術(shù) WPF（Windows Presentation Foundation）和視窗工作流基礎(chǔ)WWF（Windows Workflow Foundation）開發(fā)綜合自動化系統(tǒng)仿真。WPF可以在較小的開銷下創(chuàng)建復(fù)雜的圖形，在監(jiān)控系統(tǒng)和五防系統(tǒng)中創(chuàng)建表示不同設(shè)備的圖元組件，從而在此基礎(chǔ)上構(gòu)建復(fù)雜的監(jiān)視管理圖形，如圖 4所示；WWF可以創(chuàng)建基于順序以及基于狀態(tài)的工作流，還可以在工作流中嵌入循環(huán)等邏輯處理分支，在監(jiān)控系統(tǒng)中可以表現(xiàn)對告警瀏覽及不同的處理流程，兩者實現(xiàn)了表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)層的完美結(jié)合。

監(jiān)控系統(tǒng)具有動態(tài)操作、動態(tài)顯示、參數(shù)監(jiān)視、故障告警、遙信顯示、報警信息分類等功能。五防系統(tǒng)包括五防機、虛擬電腦鑰匙、虛擬程序鎖，具備與現(xiàn)場實際相同的閉鎖邏輯，可實現(xiàn)五防投退、模擬操作、傳送操作票、操作閉鎖等功能。五防系統(tǒng)在退出狀態(tài)時可以隨意操作設(shè)備，模擬誤操作自然引發(fā)故障，讓學(xué)員在沒有防誤閉鎖的環(huán)境中，切實提高變電運行的技能和水平，同時對變電站容易發(fā)生事故的環(huán)節(jié)和運行規(guī)程加深理解，增強處理復(fù)雜和緊急事故的能力。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)界面

3）基于定值驅(qū)動的繼電保護仿真

變電站繼電保護裝置是仿真真實變電站各個保護小室的設(shè)備以及電網(wǎng)中需要配合的保護設(shè)備，包括：線路保護、主變保護、母線保護、電容器保護、電抗器保護、斷路器保護及斷路器輔助操作箱等。繼電保護仿真同樣是由模型軟件和保護屏圖形軟件共同支撐實現(xiàn)。

繼電保護模型與實際一致，由測量、邏輯、動作環(huán)節(jié)組成，能夠正確模擬保護的啟動特性、復(fù)歸特性和時間特性。模型軟件按照微機保護工作原理搭建標準化模塊，同類設(shè)備采用同類模塊，即有著相同的輸入輸出參數(shù)。該系統(tǒng)繼電保護仿真采用定值法驅(qū)動裝置的動作邏輯，模擬保護之間的相互配合，在異常或事故狀態(tài)下，繼電保護裝置的信號、表計、液晶事件報告與現(xiàn)場實際一致，并且能夠反映保護通道異常、裝置異常、CT及PT回路斷線對保護動作行為的影響。

保護屏圖形軟件實現(xiàn)微機保護裝置的信號指示、信號復(fù)歸、元件操作的仿真。通過實景菜單的方式，可以選擇任一個保護屏，屏面布置與實際裝置完全一致，屏面上的動態(tài)點，如切換把手、按鈕、小開關(guān)、壓板等元件均可操作，它們的狀態(tài)改變均會影響保護動作行為。

3 系統(tǒng)功能

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)仿真與變電站仿真有機結(jié)合，從仿真效果來看，不僅體現(xiàn)了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的完整性和運行狀態(tài)的實時性，還體現(xiàn)了變電站設(shè)備模擬的詳細性和設(shè)備動作的真實性。該系統(tǒng)集監(jiān)視、操作、異常和故障仿真等功能于一體，具備豐富的培訓(xùn)形式和完善的培訓(xùn)功能。

3.1 聯(lián)合反事故演習(xí)功能

主站和各子站聯(lián)合運行，構(gòu)造一個虛擬的電力系統(tǒng)和操作環(huán)境，實現(xiàn)電網(wǎng)運行人員和變電站運行人員閉環(huán)模擬培訓(xùn)，加強反事故演習(xí)的互動性，真實性和系統(tǒng)性，克服了傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在聯(lián)合反事故演習(xí)中實時信息只能為本地演習(xí)方提供，無法被其它參演方所共享的不足。該仿真系統(tǒng)可以設(shè)置對稱、不對稱、多重、連續(xù)故障，支持學(xué)員觀察事態(tài)發(fā)展和不同事故引發(fā)的各種現(xiàn)象，允許學(xué)員進行故障后的恢復(fù)操作，培養(yǎng)運行人員對事故處理的決策能力和相互協(xié)調(diào)能力。

3.2 單個變電站仿真培訓(xùn)功能

單個變電站獨立運行，模擬單站正常運行或故障狀況對電網(wǎng)的影響，使得運行人員熟練掌握基本運行操作，規(guī)范流程，了解事故發(fā)生的現(xiàn)象、原因、變化過程，總結(jié)積累事故處理的經(jīng)驗，可作為日常培訓(xùn)和學(xué)習(xí)之用。

3.3 電網(wǎng)運行方式的模擬計算分析功能

利用仿真系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬電力系統(tǒng)模型，模擬計算發(fā)電機出力、區(qū)域交換功率等，研究電網(wǎng)運行計劃，分析電網(wǎng)運行方式安排的合理性；利用仿真系統(tǒng)中全網(wǎng)繼電保護和自動裝置的動作行為，校驗保護方案制定的有效性。這些應(yīng)用進一步擴大了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能。

4 結(jié)論

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)提出電網(wǎng)仿真和變電站仿真相結(jié)合的一體化思想，利用分布式支撐仿真系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡(luò)分析計算、三維虛擬現(xiàn)實、WPF及WWF等技術(shù)實現(xiàn)多個500kV變電站聯(lián)網(wǎng)仿真。整個系統(tǒng)功能完善、適應(yīng)性強、技術(shù)先進，并推進了電力仿真技術(shù)發(fā)展，最大限度地提升自身應(yīng)用價值。該系統(tǒng)已于2009年10月份投入現(xiàn)場使用，為提高電網(wǎng)運行的安全性發(fā)揮了顯著作用。

[1]胡曉俠,胡炎.基于DTS的集控站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(11)∶86-90.

[2]張照彥,段新會,王興武,等.虛擬現(xiàn)實在變電站仿真中的應(yīng)用[J].計算機仿真,2008,25(2)∶252-256.

[3]季剛,陸達.一種通用的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建平臺[J].繼電器,2005,33(13)∶68-72.

[4]王邦志,林昌年,蒲天驕,等.變電站集中監(jiān)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(15)∶21-24.

[5]劉曲,張東英,劉燕華.變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的理論及發(fā)展[J].現(xiàn)代電力,2002,19(5)∶25-30.

[6]張東英,葛亮,楊以涵.500kV 綜合自動化變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2001,25 (6)∶64-66.

[7]徐濤,宋人杰,汪麗影.結(jié)合ActiveX設(shè)計變電站計算機多媒體仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J]. 繼電器,2003,31(7)∶64-66.

[8]張洪波,李秋燕.基于 220kV集控變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008,28(24)∶299-301.