縣級(jí)調(diào)度員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)特色模型研究與開發(fā)

李秋燕 張洪波 姚 峰

（河南省電力公司，鄭州 450052）

調(diào)度員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（DTS）是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)調(diào)度員的系統(tǒng)性培訓(xùn)，使其在與實(shí)際控制中心基本相同的仿真環(huán)境中掌握能量管理系統(tǒng)（EMS）的各項(xiàng)功能，提高其在電網(wǎng)正常、異常和故障恢復(fù)情況下的調(diào)度決策能力。當(dāng)前針對(duì)網(wǎng)、省調(diào)等大中型電網(wǎng)調(diào)度的DTS開發(fā)較早且應(yīng)用較為成功[1-3]，而在農(nóng)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，針對(duì)縣級(jí)電網(wǎng)的DTS卻非常匱乏[4]，但它并不能完全照搬網(wǎng)、省調(diào)的模式：縣級(jí)電網(wǎng)呈輻射狀結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行時(shí)為開放式網(wǎng)絡(luò)；主接線形式多數(shù)為單母線系列；35kV、10kV系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地；繼電保護(hù)動(dòng)作情況與網(wǎng)、省調(diào)不盡相同。隨著農(nóng)網(wǎng)改造升級(jí)和調(diào)度自動(dòng)化應(yīng)用程度的加深，迫切需要一套實(shí)用的、針對(duì)性強(qiáng)的縣級(jí)調(diào)度員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。本文結(jié)合河南某縣級(jí)調(diào)度DTS開發(fā)過程，分析縣級(jí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式和管理職能等特點(diǎn)，研究縣調(diào)特色模型和算法，介紹開發(fā)過程中的實(shí)用化方法，所研制系統(tǒng)已經(jīng)投入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

1 仿真系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

調(diào)度員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是能量管理系統(tǒng)的鏡像，集能量管理仿真和培訓(xùn)功能于一體，圖1給出縣調(diào)DTS軟件模塊結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用 SDSS2000（Simulation Development Supporting System 2000 Version）仿真支撐平臺(tái)[5]，應(yīng)用功能由電力系統(tǒng)模型、教員臺(tái)和學(xué)員臺(tái)3部分構(gòu)成，其中教員臺(tái)負(fù)責(zé)教案的制作和管理、仿真過程控制，學(xué)員臺(tái)1模擬控制中心SCADA/EMS功能，學(xué)員臺(tái)2模擬變電站監(jiān)控、操作功能。它們的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)生產(chǎn)、傳輸、調(diào)度全過程仿真。

圖1 縣調(diào)DTS軟件模塊結(jié)構(gòu)

1）仿真支撐系統(tǒng)。它是整個(gè)軟件的控制、管理中樞，也是聯(lián)系教員臺(tái)和學(xué)員臺(tái)的紐帶，集通信管理、數(shù)據(jù)分布管理、系統(tǒng)配置管理、權(quán)限管理、應(yīng)用程序接口管理、仿真時(shí)間管理等功能于一體。學(xué)員接受培訓(xùn)時(shí)在學(xué)員臺(tái)上執(zhí)行的操作是多方面的、復(fù)雜的，例如開關(guān)操作、刀閘操作、發(fā)電機(jī)出力調(diào)節(jié)、變壓器分接頭調(diào)節(jié)、負(fù)荷調(diào)節(jié)等；同時(shí)教練員也會(huì)設(shè)置各種故障、保護(hù)投退或拒動(dòng)、開關(guān)拒動(dòng)等。以上內(nèi)容都是仿真程序遇到且需要解決的，但并不能直接被核心計(jì)算程序所接受，這就需要一個(gè)接口：將用戶的操作轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)模型計(jì)算程序所能接受的數(shù)據(jù)形式，因此數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)通訊是仿真支撐系統(tǒng)最主要功能。

2）電力系統(tǒng)模型。它是整個(gè) DTS的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，為 SCADA模型和變電站模型提供遙測(cè)量，這些數(shù)據(jù)直接影響變電站各種設(shè)備和裝置動(dòng)作的正確性。在 SDSS2000仿真支撐平臺(tái)的模塊化建模環(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)成電力系統(tǒng)的抽象模型，準(zhǔn)確模擬電力系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式及事故狀態(tài)下的變化過程，完整精確地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種行為進(jìn)行全范圍仿真。這些模塊有：外網(wǎng)等值、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、潮流?jì)算、頻率計(jì)算、故障短路電流計(jì)算、繼電保護(hù)仿真。

3）教員臺(tái)。它具有控制培訓(xùn)過程的功能，包括初始化參數(shù)、調(diào)整控制參數(shù)、教案管理和制作、仿真過程控制（例如運(yùn)行、凍結(jié)）、事件處理、學(xué)員操作過程記錄等功能。

4）學(xué)員臺(tái)1。它由SCADA和EMS模型構(gòu)成，模擬控制中心SCADA/EMS的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算、電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控、事件和報(bào)警處理、遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)和控制、人機(jī)會(huì)話等，真實(shí)模擬調(diào)度員工作環(huán)境，使其在接受培訓(xùn)時(shí)有身臨其境的感覺，從中得到全方位訓(xùn)練。

5）學(xué)員臺(tái)2。它是模擬變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及一、二次設(shè)備工作原理，使得學(xué)員能夠深入變電站操作具體設(shè)備，完整執(zhí)行調(diào)度員命令。

2 實(shí)例開發(fā)與分析

2.1 仿真對(duì)象

仿真的縣級(jí)電網(wǎng)是河南某地區(qū)電網(wǎng)的一個(gè)組成部分，通過5回110kV線路與地區(qū)電網(wǎng)相連，有2座220kV變電站，4座110kV變電站，15座35kV變電站，1座電廠。電網(wǎng)接線如圖2所示。在建立電網(wǎng)物理模型時(shí)，對(duì)DTS培訓(xùn)中涉及的110kV、35kV變電站和拓?fù)潢P(guān)系均不作簡(jiǎn)化，只對(duì)220kV級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行等值處理，等值原則為：當(dāng)內(nèi)部電網(wǎng)存在功率不平衡時(shí)體現(xiàn)外網(wǎng)對(duì)內(nèi)網(wǎng)的有功、無功增援，保證邊界聯(lián)絡(luò)線潮流變化的真實(shí)性；當(dāng)內(nèi)部電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)保證外網(wǎng)的正序、零序模型合理。

圖2 仿真對(duì)象電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 縣調(diào)特色模型開發(fā)與分析

1）DTS仿真與變電站仿真的集成

網(wǎng)省調(diào)DTS側(cè)重于SCADA/EMS模型的仿真，一般而言它和變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是分別孤立運(yùn)行的，對(duì)變電站模型以及執(zhí)行調(diào)度命令的變電站操作進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，常由教練員充當(dāng)廠站值班員，通過在教員臺(tái)上設(shè)置控制參數(shù)或者改變?cè)O(shè)備狀態(tài)來替代變電站值班員的操作過程，這種應(yīng)用模式隔離了電網(wǎng)仿真和變電站仿真的信息交互，一定程度上影響了仿真的真實(shí)性和培訓(xùn)效果。

隨著DTS技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)二次設(shè)備的復(fù)雜性和多樣性使得培訓(xùn)的焦點(diǎn)從一次設(shè)備模擬轉(zhuǎn)向二次設(shè)備的模擬，而二次設(shè)備模擬的深度和詳細(xì)度正是變電站仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在；另一方面，在35kV、10kV變電站綜合自動(dòng)化程度快速提高以及無人值班變電站大量投入情況下，許多縣調(diào)實(shí)行“調(diào)運(yùn)合一”工作模式[6-7]，調(diào)度員應(yīng)該更加深入地熟悉變電站情況，變電運(yùn)行人員也應(yīng)該有電網(wǎng)的整體概念，因此變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)集成于DTS是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[8]。這一集成模式既達(dá)成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，又實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)促進(jìn)，如圖3所示：變電站仿真可以利用DTS完整電網(wǎng)模型提供的遙測(cè)量，而不需大量外網(wǎng)等值來模擬系統(tǒng)特性，從而使得變電站繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作信息更加準(zhǔn)確、詳細(xì)，并有據(jù)可依；DTS的遙信量直接取自仿真變電站，遙調(diào)和遙控也直接作用于它，不僅實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)交互，而且實(shí)現(xiàn)調(diào)度員和變電運(yùn)行人員閉環(huán)培訓(xùn)?？傊珼TS使得變電仿真效果更加真實(shí)可靠，變電站仿真使得DTS仿真范圍更加細(xì)化，仿真程度更加深化。

圖3 DTS仿真和變電站仿真關(guān)系圖

2）電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型處理

縣調(diào)管轄的發(fā)電機(jī)較少，調(diào)度員一般不關(guān)心發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程。從實(shí)用角度出發(fā)，在進(jìn)行縣調(diào)DTS仿真時(shí)采用電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型來模擬系統(tǒng)運(yùn)行特性，即考慮系統(tǒng)操作時(shí)負(fù)荷功率的變化、潮流分布的變化，以及發(fā)生故障情況下短路電流和故障殘壓的大小，其核心技術(shù)是潮流和短路電流計(jì)算。在借鑒網(wǎng)省調(diào) DTS網(wǎng)絡(luò)建模經(jīng)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，35kV、10kV出線均被等值為“負(fù)荷”，并且35kV及10kV系統(tǒng)的出線、PT、避雷器、接地變、所用變無法進(jìn)行故障設(shè)置，而這些內(nèi)容在縣調(diào) DTS中是重點(diǎn)培訓(xùn)內(nèi)容，不能被化簡(jiǎn)或忽略的。因此在網(wǎng)絡(luò)建模方面從網(wǎng)省調(diào)到縣調(diào)需要一個(gè)完善、實(shí)用化過程。改進(jìn)措施如下：

（1）潮流計(jì)算：在縣級(jí)電網(wǎng)中，各個(gè)變電站饋線少則十條左右，多則三十幾條，如果都當(dāng)作“支路”處理，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支路會(huì)成數(shù)倍地增加，將加重潮流計(jì)算負(fù)擔(dān)。為了詳細(xì)模擬低壓系統(tǒng)，并且考慮到潮流計(jì)算效率，改進(jìn)措施為：35kV、10kV聯(lián)絡(luò)線當(dāng)作“支路”處理，饋線仍等值為“負(fù)荷”，作為母線節(jié)點(diǎn)的注入功率。圖4為該仿真系統(tǒng)中某個(gè)110kV變電站監(jiān)控畫面，其中僅10kV南母的“淇淮線”作為聯(lián)絡(luò)線，其余8條線路均為饋線，其功率在監(jiān)控畫面上可以設(shè)置和調(diào)節(jié)。這一改進(jìn)措施既保證了低壓電網(wǎng)拓?fù)涞耐暾?，又不?duì)系統(tǒng)運(yùn)算造成太大影響。

圖4 潮流計(jì)算對(duì)支路模型處理示例

（2）短路電流計(jì)算：35kV、10kV系統(tǒng)的PT、避雷器、接地變發(fā)生故障時(shí)，故障信息中的故障位置處理成發(fā)生在母線節(jié)點(diǎn)上。聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障時(shí)，因其在網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)已經(jīng)計(jì)入支路序列，直接按照支路故障信息計(jì)算短路電流；單條饋線發(fā)生故障時(shí)，因其在網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)等值為節(jié)點(diǎn)注入功率，為了能夠反應(yīng)線路近端、中端、遠(yuǎn)端故障現(xiàn)象，需結(jié)合故障信息在短路電流計(jì)算過程中動(dòng)態(tài)地將該饋線轉(zhuǎn)化為支路，支路序列加1，且節(jié)點(diǎn)數(shù)目加1。兩條饋線發(fā)生故障的處理方法詳見單相接地故障處理部分。

3）單相接地故障處理

縣調(diào)保護(hù)最主要的特點(diǎn)是單相接地問題。縣調(diào)電網(wǎng)為中性點(diǎn)不接地或小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)的實(shí)際電流很小，三相之間的線電壓和負(fù)荷電流仍然保持對(duì)稱，因此在一般情況下都允許繼續(xù)運(yùn)行 1～2h，不必立即跳閘。這是中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)運(yùn)行的主要優(yōu)點(diǎn)，但在單相接地后，其它兩相對(duì)地電壓要升高至線電壓，發(fā)出母線絕緣檢測(cè)信號(hào)。對(duì)調(diào)度員來說，母線絕緣檢測(cè)信號(hào)是最常見的保護(hù)信息，如何在盡量保證重要負(fù)荷正常運(yùn)行的前提下做到最短時(shí)間內(nèi)找到故障設(shè)備，是調(diào)度員必須掌握的。因此，在縣調(diào)DTS中逼真模擬單相接地故障十分必要。

按照故障發(fā)生地點(diǎn)來分，單相接地故障分為單點(diǎn)單相接地故障和兩點(diǎn)單相接地故障兩種情況。35kV或者10kV線路上面發(fā)生單點(diǎn)單相接地故障，調(diào)度員收到母線絕緣檢測(cè)信號(hào)后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照一定次序拉合母線上各條線路開關(guān)來查找故障設(shè)備，通知現(xiàn)場(chǎng)檢修；發(fā)生兩點(diǎn)單相接地故障，即在解除單相接地故障前，別的地方又發(fā)生了單相接地故障，這一情況需要判斷新的故障點(diǎn)是本地的還是異地，是同相的還是異相。本次開發(fā)過程中短路電流計(jì)算采用的是單端口網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法，即計(jì)算過程只能接收單個(gè)故障信息，因此對(duì)兩點(diǎn)單相接地故障，需在模型中加以處理而得出正確仿真結(jié)果。

（1）本地同相兩點(diǎn)故障。故障發(fā)生在本地且相位相同，故障信息處理為兩個(gè)單點(diǎn)單相故障。第一個(gè)故障點(diǎn)被找到且解除后，系統(tǒng)仍然處于單點(diǎn)單相故障狀態(tài)，始終保持母線絕緣檢測(cè)信號(hào)，直至第二個(gè)故障消失。

（2）本地異名相兩點(diǎn)故障。目前縣級(jí)電網(wǎng)35kV、10kV線路保護(hù)多是采用不完全星形接法，電流保護(hù)只取 A、C兩相電流，因此當(dāng)發(fā)生不同地點(diǎn)不同相別兩點(diǎn)接地時(shí)，B相接地的線路不跳閘，只跳涉及 A、C相接地的線路。所以故障信息處理時(shí)得細(xì)致劃分。當(dāng)一條線路發(fā)生A（C）相接地故障，另一條線路發(fā)生 C（A）相接地故障，故障信息處理成兩條線路均發(fā)生A、C相間故障，觸發(fā)相間保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)一條線路發(fā)生 A（C）相接地，另一條線路發(fā)生B相接地，故障信息處理成前一條線路發(fā)生A、B相間故障，后一條線路發(fā)生B相接地故障。這樣通過故障信息的人為處理，以達(dá)到培訓(xùn)調(diào)度員的效果。

如圖4，在仿真系統(tǒng)上設(shè)置“10kV桃源線A相接地且濱龐線B相接地”故障，模型系統(tǒng)處理結(jié)果為“桃源線發(fā)生AB相間接地且濱龐線發(fā)生B相接地”，在圖4所示運(yùn)行方式下，保護(hù)動(dòng)作情況如下：

①#2主變后備保護(hù)起動(dòng)；

②10kV南母接地；

③10kV北母接地；

④桃源線#30開關(guān)瞬時(shí)電流速斷動(dòng)作；

⑤桃源線#30開關(guān)重合閘動(dòng)作；

⑥桃源線#30開關(guān)瞬時(shí)電流速斷動(dòng)作；

⑦桃源線#30開關(guān)過流后加速動(dòng)作。

經(jīng)實(shí)例分析，該處理方案正確且有效，觸發(fā)的保護(hù)動(dòng)作情況符合真實(shí)邏輯。

（3）異地兩點(diǎn)接地故障。在此情況下保護(hù)是否動(dòng)作是由零序通路決定的，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪砼袛喈?dāng)兩個(gè)故障點(diǎn)之間是否存在零序通路，再計(jì)算故障電流以觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

4）定值驅(qū)動(dòng)的繼電保護(hù)仿真

目前繼電保護(hù)仿真方法有兩種：邏輯驅(qū)動(dòng)仿真和定值驅(qū)動(dòng)仿真[9]。邏輯驅(qū)動(dòng)仿真是設(shè)備發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)不計(jì)算短路電流，而只是根據(jù)故障發(fā)生地點(diǎn)、故障類型、持續(xù)時(shí)間、保護(hù)配置，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦壿嬇袛鄟碛|發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。從理論上來講，縣級(jí)電網(wǎng)的輻射狀結(jié)構(gòu)和保護(hù)配置類型適用于邏輯驅(qū)動(dòng)仿真，但在實(shí)用過程中發(fā)現(xiàn)：縣級(jí)電網(wǎng)存在較多T接線路，保護(hù)動(dòng)作與否還需考慮電源端問題；許多變電站采用內(nèi)橋接線，主變保護(hù)動(dòng)作完全不同于完全接線的變電站，邏輯判斷規(guī)則有很強(qiáng)的地方特色；并且規(guī)則庫(kù)不可能把所有的故障都綜合考慮進(jìn)來，對(duì)比較復(fù)雜的故障而言，保護(hù)邏輯判斷不能真實(shí)反映保護(hù)動(dòng)作情況和開關(guān)跳閘情況，就不適用于進(jìn)行更高層次的業(yè)務(wù)技術(shù)培訓(xùn)。鑒于以上幾點(diǎn)邏輯驅(qū)動(dòng)仿真的限制，本次開發(fā)采用定值驅(qū)動(dòng)仿真。

繼電保護(hù)仿真模擬變電站各個(gè)保護(hù)小室的設(shè)備以及電網(wǎng)中需要配合的保護(hù)設(shè)備，包括：線路保護(hù)、主變保護(hù)、母線保護(hù)、電容器保護(hù)、電抗器保護(hù)、斷路器保護(hù)及斷路器輔助操作箱、備自投等。繼電保護(hù)模型與實(shí)際裝置一致，由測(cè)量、邏輯、動(dòng)作環(huán)節(jié)組成，通過短路電流計(jì)算結(jié)果與繼電保護(hù)動(dòng)作定值比較來正確模擬保護(hù)的啟動(dòng)特性、復(fù)歸特性和時(shí)間特性，真實(shí)展現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后保護(hù)的動(dòng)作信息，以及保護(hù)拒動(dòng)或者開關(guān)拒動(dòng)所引起的多級(jí)保護(hù)配合情況。

3 仿真效果

縣級(jí)調(diào)度員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)硬件構(gòu)成為3臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中教練員機(jī)1臺(tái)；模擬電網(wǎng)SCADA/EMS功能的學(xué)員機(jī)1臺(tái)，雙顯；模擬變電站監(jiān)控、保護(hù)的學(xué)員機(jī)1臺(tái)，雙顯。系統(tǒng)所在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為100MB以太網(wǎng)。

系統(tǒng)模擬了一次故障117個(gè)，二次故障172個(gè)，還設(shè)置了具有中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)特色的故障，如本地異名相兩點(diǎn)接地、異地兩點(diǎn)接地等，既仿真了廠站之間線路上的各種故障，又仿真了站內(nèi)的各種類型故障，如開關(guān)拒動(dòng)、保護(hù)異常、刀閘發(fā)熱等。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與變電站聯(lián)合仿真功能，既利用了前者在電網(wǎng)仿真方面的優(yōu)勢(shì)，又充分發(fā)揮了后者在變電站內(nèi)部仿真方面的深度和細(xì)致度，使得系統(tǒng)具有仿真實(shí)時(shí)交互的數(shù)據(jù)源，在正常操作和故障情況下，電網(wǎng)和變電站能夠同步發(fā)生變化，從局部細(xì)節(jié)和全網(wǎng)概貌上真實(shí)再現(xiàn)了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程。既可用于電網(wǎng)調(diào)度員和變電站值班員培訓(xùn)，也可用于兩者協(xié)同配合的聯(lián)合反事故演習(xí)。現(xiàn)已在河南省某縣電網(wǎng)和技術(shù)技能培訓(xùn)中心成功應(yīng)用，為農(nóng)電素質(zhì)提升工程提供強(qiáng)有力的科技支撐力量。

4 結(jié)論

本文考慮了縣級(jí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式和調(diào)度職能特點(diǎn)，提出并實(shí)現(xiàn)了縣調(diào)DTS若干特色功能的模型和算法，并在河南電網(wǎng)得到成功應(yīng)用。實(shí)踐證明，本文提出的縣調(diào)DTS特色模型和算法是可行且實(shí)用的。

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