智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的架構(gòu)研究

摘要：文章介紹了智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，智能變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)按照一次設(shè)備、互感器及過(guò)程層合并單元、智能終端采用真實(shí)設(shè)備還是模擬裝置，可以采取幾種不同方式的組合方案，以適用于不同的培訓(xùn)需求。本智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的組合方案提供先進(jìn)、完善的智能變電站的運(yùn)行維護(hù)人員培訓(xùn)手段，將在智能電網(wǎng)技術(shù)培訓(xùn)中發(fā)揮重要的作用，對(duì)推動(dòng)我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：智能變電站，仿真培訓(xùn)，架構(gòu)，合并單元，智能終端

中圖分類(lèi)號(hào)：TM632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）15-0004-03

近些年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為了滿足電力節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展的要求，智能電網(wǎng)的建設(shè)勢(shì)在必行。

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，電子式互感器、智能高壓電器、光纖以太網(wǎng)絡(luò)和IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)在智能變電站中逐步得到了推廣應(yīng)用。諸多新技術(shù)、新設(shè)備在智能變電站得到應(yīng)用，智能變電站運(yùn)行人員往往對(duì)這些新技術(shù)、新設(shè)備缺乏了解，大多數(shù)運(yùn)行維護(hù)人員沒(méi)有掌握智能變電站的運(yùn)行和檢修技術(shù)，因此急需對(duì)智能變電站運(yùn)維人員、檢修人員進(jìn)行全面的智能變電站實(shí)訓(xùn)?，F(xiàn)有常見(jiàn)的面向傳統(tǒng)綜自變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能變電站運(yùn)行人員的培訓(xùn)要求。

隨著新建及改造的智能變電站不斷增多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始研究智能變電站的仿真，并取得了一系列的成果。一些實(shí)時(shí)電磁暫態(tài)仿真軟件，包括RTDS，加拿大魁北克TEQSIM公司開(kāi)發(fā)的HYPERSIM、ADPSS等，已經(jīng)應(yīng)用于智能變電站仿真研究，但現(xiàn)有的商用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)主要面向?qū)嶒?yàn)研究和分析測(cè)試，很少用來(lái)進(jìn)行智能變電站的相關(guān)培訓(xùn)。

本文所研究的智能變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)二次設(shè)備配置一致的模擬環(huán)境，提供先進(jìn)、完善的智能變電站的運(yùn)行維護(hù)人員培訓(xùn)手段。將在智能電網(wǎng)技術(shù)培訓(xùn)中發(fā)揮重要的作用，對(duì)推動(dòng)我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能變電站是遵照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，分為站控層、間隔層和過(guò)程層的三層體系架構(gòu)。智能變電站混合仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是將二次設(shè)備、時(shí)間同步系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等真實(shí)設(shè)備，與智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)、面向智能變電站培訓(xùn)的電磁暫態(tài)仿真軟件、符合實(shí)時(shí)IO接口裝置、電子式互感器（或模擬設(shè)備設(shè)備）、智能一次設(shè)備（或模擬設(shè)備）、過(guò)程層合并單元、智能終端（或模擬裝置）、商務(wù)服務(wù)器以及教員系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合于一體的智能變電站閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用“直采直跳”方式，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)過(guò)程層和間隔層設(shè)備連接。智能變電站仿真系統(tǒng)包括培訓(xùn)教員機(jī)、實(shí)時(shí)仿真器和智能變電站模擬設(shè)備。其中：實(shí)時(shí)仿真器包含智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真核心單元、人機(jī)模塊、時(shí)間同步模塊和實(shí)時(shí)IO接口；智能變電站模擬設(shè)備包括合并單元、智能終端、電子式互感器、一次設(shè)備、互感器二次信號(hào)、二次回路等模擬裝置。

2智能變電站混合仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)方案研究

根據(jù)培訓(xùn)需求的差異，可以選擇以下三種方式，也可以采用各種不同方式的組合方案。

2.1過(guò)程層采用模擬裝置的方案

過(guò)程層模擬裝置主要包括合并單元和智能終端模擬裝置，本方案如圖1所示。

2.1.1合并單元模擬裝置

合并單元（Merging Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)MU）是智能變電站過(guò)程層的重要設(shè)備。MU主要功能是同步采集多路電子式互感器（ECT/EVT）輸出的數(shù)字信號(hào)，匯總后按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式輸出給二次設(shè)備（保護(hù)、測(cè)控、錄波及交換機(jī)等設(shè)備）。

合并單元模擬裝置遵照IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)，模擬過(guò)程層合并單元發(fā)出的通信報(bào)文，將電磁暫態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果波形實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為通信信息發(fā)送，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)保護(hù)測(cè)控裝置、故障錄波裝置及交換機(jī)等設(shè)備的連接，為間隔層設(shè)備提供真實(shí)可靠的仿真數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)智能變電站中合并單元的模擬。還可對(duì)合并單元異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，例如合并單元通道異常、數(shù)據(jù)抖動(dòng)、數(shù)據(jù)包丟失等異常和故障情況。

2.1.2智能終端模擬裝置

智能變電站中保護(hù)出口邏輯通過(guò)以太網(wǎng)以GOOSE（通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录┑男问捷斔徒o智能終端，同時(shí)接收來(lái)自二次設(shè)備的下行控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的實(shí)時(shí)控制。智能終端實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的智能操作，是智能變電站的重要組成部分。

智能終端模擬裝置采用IEC6 1850標(biāo)準(zhǔn)GOOSE實(shí)現(xiàn)智能變電站內(nèi)輸入輸出狀態(tài)量信息通信的仿真，成為間隔層和過(guò)程層信息交互接口，實(shí)現(xiàn)智能終端通信功能模擬。智能終端通信仿真設(shè)備可以模擬GOOSE通信報(bào)文，仿真智能單元變位信息上送和遙控功能。

2.1.3過(guò)程層采用模擬裝置具有的特點(diǎn)

①節(jié)約投資。合并單元和智能終端具有數(shù)量多、功能類(lèi)似的特點(diǎn)，采用模擬裝置可以不必配置真實(shí)的過(guò)程層設(shè)備，大大降低投資。

②過(guò)程層采用模擬裝置不但可以模擬合并單元、智能終端的正常功能，還可以進(jìn)行過(guò)程層異常模擬，可以解決真實(shí)設(shè)備難以設(shè)置故障的問(wèn)題，以便開(kāi)展過(guò)程層設(shè)備運(yùn)行維護(hù)培訓(xùn)。

③該方案的問(wèn)題是過(guò)程層采用模擬裝置，和現(xiàn)場(chǎng)配制存在差異，尚不能進(jìn)行相關(guān)設(shè)備安裝接線的培訓(xùn)。

2.2一次設(shè)備和互感器采用模擬裝置的方案

一次設(shè)備模擬裝置包括電子式互感器和智能一次設(shè)備模擬裝置。該方案過(guò)程層采用合并單元和智能終端等真實(shí)裝置，一次設(shè)備采用模擬裝置。如圖2所示。

2.2.1電子式互感器模擬裝置

電子式互感器模擬裝置是模擬電子式互感器輸入輸出信號(hào)的設(shè)備，可以按照現(xiàn)場(chǎng)配置與過(guò)程層設(shè)備相連，主要用于過(guò)程層合并單元和智能終端等裝置運(yùn)行和檢修技能的實(shí)訓(xùn)。能實(shí)現(xiàn)電子式互感器模擬裝置控制、通信和管理，可對(duì)電子式互感器正常運(yùn)行特性和異常狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)、完整的模擬。

2.2.2智能一次設(shè)備模擬裝置

智能一次設(shè)備模擬裝置包括智能斷路器、刀閘、主變及操作機(jī)構(gòu)模擬裝置，可以模擬一次設(shè)備的狀態(tài)信息和控制量，通過(guò)電纜接線和智能終端連接?？梢院蛿嗦菲髂M器組合仿真現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，達(dá)到培訓(xùn)智能終端的目的。能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、刀閘等智能一次設(shè)備及其操作機(jī)構(gòu)模擬裝置的控制、通信和管理；可對(duì)開(kāi)關(guān)、刀閘特性及故障、操作機(jī)構(gòu)特性及故障進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的模擬。

2.2.3該方案的特點(diǎn)

①與現(xiàn)場(chǎng)高度一致的仿真培訓(xùn)環(huán)境，便于開(kāi)展完整的智能變電站運(yùn)行培訓(xùn)。

②采用真實(shí)過(guò)程層設(shè)備，可以進(jìn)行過(guò)程層合并單元和智能終端安裝、接線和檢修的培訓(xùn)。

③該方案投資較方式一高，不能模擬合并單元和智能終端的異常信號(hào)。

2.3一次設(shè)備和互感器采用真實(shí)設(shè)備的方案

一次設(shè)備和互感器采用真實(shí)設(shè)備，仿真系統(tǒng)模擬互感器測(cè)量回路二次量和一次設(shè)備操作回路。模擬裝置包括電子式互感器二次信號(hào)和一次設(shè)備操作回路模擬裝置。如圖3所示。

①電子式互感器二次信號(hào)模擬裝置。仿真電子式互感器模擬量輸入，直接加到電子式互感器測(cè)量回路中，可以進(jìn)行電子式互感器功能培訓(xùn)。

②一次設(shè)備操作回路模擬裝置。實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備操作，同時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)。

③該方案的缺點(diǎn)是設(shè)備投資很大，培訓(xùn)操作中真實(shí)設(shè)備容易損壞，而且操作噪聲比較大；培訓(xùn)規(guī)模受到很大限制。

2.4組合方案

為實(shí)現(xiàn)綜合培訓(xùn)功能，達(dá)到全面培訓(xùn)的效果，采用組合的構(gòu)建方案，滿足全方位、多層次的培訓(xùn)需求。如圖4所示。

根據(jù)實(shí)際培訓(xùn)需求，以上四種方案均可采用，以達(dá)到良好的培訓(xùn)效果。

3結(jié)語(yǔ)

智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以采用以上幾種不同的配置方案，以適應(yīng)不同的培訓(xùn)需求。該系統(tǒng)為繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、變電運(yùn)行專(zhuān)業(yè)的學(xué)生、學(xué)員建立了綜合培訓(xùn)平臺(tái)，可以為智能變電站提供生產(chǎn)技能培訓(xùn)、鑒定、競(jìng)賽、裝置功能分析測(cè)試，并可以進(jìn)行各種二次回路故障查找及處理培訓(xùn)。該培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員進(jìn)一步了解智能電網(wǎng)的新技術(shù)、新設(shè)備，并掌握智能變電站的運(yùn)行和檢修技術(shù)，具有極其深遠(yuǎn)的意義。

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