基于組件技術(shù)的變電站二次回路動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)

李 真

（濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)智能化日益重要，智能變電站是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，其建設(shè)將對變電站的設(shè)計(jì)、管理、檢測和運(yùn)行維護(hù)帶來巨大變革。對于智能變電站二次系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)來說，最具影響的變化，是智能變電站以通信網(wǎng)絡(luò)取代了常規(guī)二次回路，網(wǎng)絡(luò)中的虛擬數(shù)字信息取代了物理上的電氣信號，二次系統(tǒng)功能信息邏輯和信號的輸入輸出關(guān)系與通信網(wǎng)絡(luò)接線不再一一對應(yīng)，電纜或光纜最多只能反映出通信上的連接關(guān)系，不能描述真實(shí)的功能互操作、互通關(guān)系［1］。這種變化需要變電運(yùn)行、繼電保護(hù)專業(yè)人員的理論素質(zhì)和技能水平有相應(yīng)提高，然而目前變電站二次回路培訓(xùn)手段主要還停留在教師講課、學(xué)生讀圖及多媒體回路講解課件等方式上，而現(xiàn)有的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)大部分仍將重點(diǎn)放在一、二次設(shè)備操作上而并非真正基于圖紙或?qū)嶋H二次回路［2］，這些方式有各自的局限性，在系統(tǒng)完整性方面也有欠缺。

系統(tǒng)將變電站二次回路仿真集成到一個(gè)綜合的全數(shù)字化、可視化、交互式變電站仿真環(huán)境中，為變電站運(yùn)行、繼電保護(hù)等專業(yè)人員建立了一個(gè)完整的變電運(yùn)行、二次回路培訓(xùn)平臺(tái)，將為培訓(xùn)人員深入了解變電站內(nèi)部接線狀況、提高專業(yè)知識(shí)積累提供直觀有力的工具。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

二次回路動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)是支持多文檔的圖形組態(tài)軟件，每個(gè)文檔對應(yīng)一個(gè)二次回路圖文件。軟件中包括圖元對象模塊、繪圖模塊、文件存取模塊。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二次回路動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

首先可由系統(tǒng)新建繪圖文件，文件通過系統(tǒng)中的畫圖模塊進(jìn)行二次回路圖繪制，繪制過程調(diào)用系統(tǒng)中的繪圖模塊，繪圖模塊在執(zhí)行繪制功能時(shí)調(diào)用圖元對象模塊，獲取圖元信息，對所繪制的圖元信息進(jìn)行處理，處理后將所繪制的圖元以及圖元間的位置連接關(guān)系寫入繪圖文件，當(dāng)二次回路圖繪制完畢后，可通過文件存取模塊保存為XML格式文件，亦可將已保存的XML格式二次回路圖文件經(jīng)過文件存取模塊打開成二次回路圖，重新將二次回路圖呈現(xiàn)，通過繪制模塊以及圖元信息模塊進(jìn)行進(jìn)一步修改。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

軟件采用Visual C++編程語言，在MFC架構(gòu)下進(jìn)行編程，所以軟件將邏輯結(jié)構(gòu)嵌入到MFC的架構(gòu)中。MFC采用的是文檔式結(jié)構(gòu)，有固定的類結(jié)構(gòu)，包括應(yīng)用程序類、邊框窗口類、文檔邊框窗口類、文檔類、視類、文檔模板類。

為更好利用MFC編程框架，將邏輯結(jié)構(gòu)稍作改動(dòng)，使其適應(yīng)MFC框架類，在子窗口的視類中加入繪圖面板，作為訪問繪圖模塊以及文件存取模塊的接口，可以更方便地調(diào)用繪圖模塊以及文件模塊，嵌入后的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入MFC結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)整體架構(gòu)

二次回路動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)為簡化操作過程，提高工作效率，采用了基于圖形組態(tài)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。組態(tài)的含義就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務(wù)的過程。而針對電氣繪圖開發(fā)的圖形組態(tài)軟件，目標(biāo)就是提供圖形化的電力系統(tǒng)元件、連接工具和方法作為“部件”，用戶只需要將這些“部件”進(jìn)行“組裝”便能完成圖形的繪制工作，最后以數(shù)據(jù)文件的形式保存成品，而不是執(zhí)行程序。作為電力系統(tǒng)的圖形組態(tài)軟件，除了處理一般的圖形繪制任務(wù)，還有一個(gè)重要的任務(wù)，就是當(dāng)電力系統(tǒng)的接線圖繪制完成后，要自動(dòng)生成電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑸殡娏ο到y(tǒng)的高層應(yīng)用分析提供支持。而且，電力系統(tǒng)的狀態(tài)都是瞬間變化的，有自己特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、特殊的算法［3］，這些都要求在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留電氣屬性接口。

設(shè)備邏輯圖元實(shí)體類架構(gòu)不但需要滿足所有信息的存儲(chǔ)，而且還要使得圖形繪制時(shí)依賴于圖元的各個(gè)算法的復(fù)雜度盡量低。系統(tǒng)運(yùn)用抽象工廠模式對圖元類架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對信息進(jìn)行保存，滿足所有有效信息的存取以及方便使用。

將電氣元件的功能屬性加入仿真系統(tǒng)，可拓展仿真系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，使仿真系統(tǒng)在圖形數(shù)據(jù)方面適應(yīng)要求［4］。通過該系統(tǒng)搭建的變電站二次回路圖，在接受到虛擬電氣信號后，可以作出正確的動(dòng)態(tài)變化。

3 系統(tǒng)主要內(nèi)容

3.1 整體概述

二次回路動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)包含電流回路、電壓回路和控制回路3個(gè)部分，3個(gè)回路密切結(jié)合，實(shí)現(xiàn)220 kV變電站系統(tǒng)中線路與變壓器二次側(cè)保護(hù)功能。電流電壓回路中保護(hù)屏的示數(shù)來源于變電站仿真一次系統(tǒng)值的設(shè)定，在電流電壓回路中顯示故障數(shù)據(jù)的獲取過程。而控制回路則是基于單裝置測試中的故障跳閘動(dòng)作和合閘復(fù)位。

3.2 電流回路

在電流回路中，項(xiàng)目劃分兩個(gè)層次來表現(xiàn)電流數(shù)據(jù)獲取過程。

首先通過簡易流程圖能夠直觀清晰的看清一次系統(tǒng)和CT之間，以及CT和端子箱和各個(gè)保護(hù)屏之間的連接關(guān)系，并且能夠使用戶了解到各個(gè)保護(hù)屏之間的電流示數(shù)的聯(lián)系，并在簡易流程圖中標(biāo)注CT根部的三相電流示數(shù)。然后通過詳細(xì)流程圖，能夠詳細(xì)了解電流走向。

通過電流互感器將一次側(cè)電流轉(zhuǎn)換為適合的二次側(cè)電流；詳細(xì)表現(xiàn)CT二次側(cè)根部連線到CT端子箱的過程，細(xì)致到每一相，并且通過顏色加以區(qū)分A、B、C三相；詳細(xì)表現(xiàn)CT端子箱連線到各保護(hù)裝置的過程，同樣細(xì)致到每一相，并且通過顏色加以區(qū)分 A、B、C 三相。

電流信號可人為模擬設(shè)置，并且在詳細(xì)的流程圖中可以實(shí)時(shí)顯示其電流的變化，利用數(shù)據(jù)源解析之后顯示其數(shù)據(jù)。

3.3 電壓回路

通過電壓互感器將一次側(cè)電壓轉(zhuǎn)換為適合的二次側(cè)電壓；詳細(xì)表現(xiàn)PT二次側(cè)根部連線到PT端子箱的過程，細(xì)致到每一相，并且通過顏色加以區(qū)分A、B、C三相；詳細(xì)表現(xiàn)PT端子箱連線到并列屏，再從并列屏轉(zhuǎn)接到各保護(hù)裝置的過程，同樣細(xì)致到每一相，并且通過顏色加以區(qū)分A、B、C三相。

電壓信號可人為模擬設(shè)置，并且在流程圖中可以實(shí)時(shí)顯示電壓變化，利用數(shù)據(jù)源解析之后顯示其數(shù)據(jù)，同時(shí)，電壓回路中空氣開關(guān)或輔助觸點(diǎn)也可以通過開斷影響數(shù)據(jù)顯示。

3.4 控制回路

控制回路的元件通過圖元搭建，回路中開關(guān)可控，并且通過繼電器，把一些開關(guān)關(guān)聯(lián)起來，形成一個(gè)完整的控制回路。控制回路運(yùn)行，系統(tǒng)可模擬一個(gè)故障信號，經(jīng)過原理庫的計(jì)算和邏輯，就會(huì)觸發(fā)跳閘或者合閘回路［5］。

控制回路的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)層次：首先是三相動(dòng)作回路，可通過手動(dòng)實(shí)現(xiàn)斷路器動(dòng)作，同時(shí)也可通過模擬故障信號控制，改變動(dòng)作過程；然后是單相動(dòng)作回路，單相回路中的輔助觸點(diǎn)的開關(guān)受控于三相回路中的繼電器，可看做三相動(dòng)作的具體實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可通過模擬故障信號的控制，來獨(dú)立實(shí)現(xiàn)動(dòng)作過程。

4 結(jié)語

系統(tǒng)突破了以往大部分二次回路仿真分析僅局限于圖紙的限制，使二次回路仿真有了一個(gè)更加完整的虛擬環(huán)境。

通過軟件模擬電網(wǎng)二次裝置的運(yùn)行機(jī)理、輸入輸出特性和電氣回路，使用戶可以深入到保護(hù)裝置內(nèi)部了解裝置工作的深層原理，圖形化、可視化的顯示邏輯輸出和動(dòng)作特性，為用戶提供了深入分析微機(jī)保護(hù)裝置工作過程、動(dòng)作結(jié)果的有力工具，使學(xué)員從系統(tǒng)的角度了解和掌握二次裝置的動(dòng)作邏輯。

［1］ 陳禮義，顧強(qiáng).電力系統(tǒng)數(shù)字仿真及其發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23（23）：1-6.

［2］ 宋人杰，陸達(dá)，徐濤.通用型繼電保護(hù)及二次回路多媒體仿真培訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)［J］.繼電器，2001，29（9）：37-39.

［3］ 焦彥軍，張新國.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)通用仿真分析系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2001，13（2）：44-47.

［4］ 龔慶武，姜芳芳，陳義飛.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（24）：74-77.

［5］ 呂霞，曾克娥，李銀紅，等.基于組件技術(shù)的繼電保護(hù)整定軟件研究［J］.繼電器，2003，31（2）：31-33.