1000kV特高壓變電站仿真教學系統(tǒng)的實現(xiàn)

程興民 毛海波 朱永昶 彭煒

摘 要：以1000kV特高壓安吉站仿真教學系統(tǒng)開發(fā)為例，介紹如何根據(jù)特高壓變電站一、二次電氣設備機構，確定仿真系統(tǒng)開發(fā)的電氣設備仿真范圍、系統(tǒng)仿真模式、實際教學內容及實現(xiàn)方式，闡述特高壓智能變電站站控層、間隔層和一次電氣主設備的仿真設計需求。這些內容不但能作為特高壓智能變電站仿真系統(tǒng)的開發(fā)目標和測試標準，而且也可用于設計特高壓集控站的仿真教學系統(tǒng)。

關鍵詞：特高壓變電站；智能變電站；仿真教學系統(tǒng)

0 引言

1000kV特高壓變電站采用智能變電站的設計模式，站控層、間隔層通信采用IEC61850標準通信協(xié)議。這對變電站運維人員的素質提出了更高的要求，因此必須開發(fā)1000kV特高壓變電站仿真系統(tǒng)，更好地開展運維人員技能教學。

變電站仿真教學系統(tǒng)（Substation Training Simulation System，簡稱STS）主要分為盤臺模式和純軟件模式[1]，還有部分設計采用硬件加軟件的物理混合仿真模式。盤臺模式采用按照與實際變電站1：1的比例，設置開關控制屏、機電保護裝置、測控裝置等硬件，組成實物教學系統(tǒng)，物理混合仿真模式是采用軟件加硬件的仿真模式，上述兩個模式真實度高，但成本較高、通用性也不強。純軟件模式則是通過軟件開發(fā)，對站內一、二次電氣設備進行虛擬三維建模，建立虛擬仿真教學系統(tǒng)，其成本較低且易于后期維護。相比較而言，采用純軟件模式開發(fā)仿真教學系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性。

本文結合1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統(tǒng)，介紹如何根據(jù)特高壓變電站的實際情況來確定仿真教學系統(tǒng)的仿真范圍、開發(fā)模式、教學內容、建立方法及仿真設計需求。研究的仿真系統(tǒng)可提供先進、完善的特高壓變電站運維人員教學手段，將在特高壓變電站教學中發(fā)揮重要作用，對推動我國特高壓電網(wǎng)人才培養(yǎng)產(chǎn)生深遠影響。

1 1000kV特高壓安吉站功能

1000kV特高壓安吉站的綜合自動化部分采用智能變電站架構，分層分布式布置，分為站控層、間隔層上下兩部分。間隔層由5個繼保小室組成，主要由保護裝置、測控裝置等間隔層設備組成，實現(xiàn)保護、控制、電氣模擬量、設備狀態(tài)量采集等功能。站控層采用計算機通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，為許繼公司CJK-8506B能一體化監(jiān)控系統(tǒng)，分布于主控樓計算機室，主要由操作員工作站、數(shù)據(jù)服務器、綜合服務器、調動通信網(wǎng)管機等設備組成，其功能如下：

（1）操作員工作站實現(xiàn)傳統(tǒng)的“四遙”功能，即遙控、遙信、遙測、遙調。

（2）數(shù)據(jù)服務器實現(xiàn)特高壓智能變電站全站數(shù)據(jù)的集中存儲，為各類自動化系統(tǒng)應用提供訪問服務和數(shù)據(jù)查詢。

（3）數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機實現(xiàn)智能變電站與調度、生產(chǎn)等主站系統(tǒng)之間的通信，為主站系統(tǒng)實現(xiàn)智能變電站監(jiān)控、遠程瀏覽和信息查詢等功能提供模型、數(shù)據(jù)和圖形的傳輸服務。

（4）綜合服務器實現(xiàn)與在線監(jiān)測、電源、計量、消防、安防和環(huán)境監(jiān)測等設備的信息通信，通過統(tǒng)一展示和綜合分析，實現(xiàn)一次電氣設備和輔助設備的運行監(jiān)視與控制。

站控層與間隔層之間采用MMS雙網(wǎng)通信，實現(xiàn)間隔層設備、電氣設備各類信號的上傳以及站控層控制命令的下發(fā)。間隔層測控裝置之間采用GOOSE網(wǎng)通信，實現(xiàn)防誤邏輯閉鎖信息的交換。

2 仿真范圍、模式、教學內容及實現(xiàn)方法

2.1 仿真范圍

首先要確定所要仿真的變電站和系統(tǒng)。作為1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統(tǒng)，對安吉站需要進行詳細建模仿真，與本站相連的所有線路應詳細建模仿真，線路對側變電站可以采用等值模型進行仿真，對側變電站開關連接到無窮大電源系統(tǒng)，相應負荷工況采用典型工況，同時可以實現(xiàn)人工設置。

1000kV特高壓安吉站內需要詳細仿真的部分包括一次電氣主設備、間隔層設備繼電保護裝置、間隔層測控裝置、站控層操作員工作站。數(shù)據(jù)服務器、綜合服務器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)管機等設備與日常運維操作、監(jiān)視關系不密切，因此相應功能不列入仿真教學系統(tǒng)。

2.2 仿真模式

1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統(tǒng)，不采用以硬件為主的物理混合仿真模式或盤臺仿真模式，而采用純軟件仿真模式。一次電氣主設備、站控層自動化設備和間隔層保護測控設備全部采用軟件仿真，簡練三維仿真模型，實現(xiàn)三維展示，除計算機和必要的通信網(wǎng)管機外沒有其他硬件。特高壓變電站的仿真系統(tǒng)可以單獨安裝在1臺服務器上，也可以采用多臺計算機組網(wǎng)的方式運行。對于采用網(wǎng)絡模式的仿真教學系統(tǒng)，可在每臺計算機上安裝不同的軟件資源，構成以下模式：

（1）分布式模式，即圖形界面軟件可按照操作員工作站、繼電保護小室、變壓器等一次配電裝置等劃分，安裝在1臺或多臺計算機上，其他教員管理軟件、仿真模型、工程維護也可安裝在一臺或多臺計算機上。

（2）網(wǎng)絡教學模式，即仿真教學系統(tǒng)由多臺學員機和1臺教員機服務器組成。教員機服務器安裝教員機仿真計算軟件，實現(xiàn)各類工況、故障、異常的設置，并可發(fā)送到學員機進行仿真教學。每臺學員機單獨安裝學員機仿真計算軟件，接受教員機服務器發(fā)送的各類仿真工況，展示學員機仿真界面；為使教學方式更靈活，可將教員機的設置功能安裝在學員機上，教學學員可以自學，也可以在教員指導下學習，實現(xiàn)同步教學不同技能水平學員的目的。

1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡教室模式，由1臺教員機服務器和多臺學員機組成。

2.3 仿真內容

分析1000kV特高壓變電站日常運維工作，同常規(guī)500kV綜合自動化變電站或智能變電站類型基本一致，因此1000kV特高壓安吉站仿真教學系統(tǒng)實現(xiàn)的教學功能與常規(guī)500kV變電站仿真教學系統(tǒng)相同，主要有5方面的教學內容：

（1）變電站運行工況調整及監(jiān)視控制模擬教學；

（2）倒閘操作模擬教學；

（3）事故處理模擬教學；

（4）異常告警及處理模擬教學；

（5）正常及事故巡檢模擬教學。

2.4 實現(xiàn)方法

本仿真教學軟件可在Windows XP以上版本的操作系統(tǒng)運行，整個仿真系統(tǒng)從軟件結構上可分為人機界面、數(shù)據(jù)庫以及應用程序3個部分。用戶界面的一次電氣主設備巡檢界面采用AuthorWare多媒體平臺開發(fā)，其他二次設備界面采用Wizcon軟件進行工控組態(tài)，使之與許繼CJK-8506B監(jiān)控界面完全相同。數(shù)據(jù)庫利用Microsoft的SQL Server，應用程序采用Visual C++進行開發(fā)，網(wǎng)絡通信協(xié)議采用TCP/IP，應用程序和Wizcon、Author Ware之間采用動態(tài)鏈接庫進行數(shù)據(jù)通信。

3 1000kV特高壓變電站的仿真設計要求

根據(jù)1000kV特高壓安吉站的一、二次電氣設備的實際情況，仿真的具體要求如下：

（1）仿真總體要求

特高壓變電站仿真應采用三維模型，將一、二次設備制作成可復用的三維組建，形成一、二次設備虛擬組件庫，根據(jù)仿真系統(tǒng)需要從三維模型庫中抽取相應的設備模型，構成三維變電站仿真場景。變電站一、二次電氣設備三維仿真軟件實現(xiàn)虛擬保護屏、測控裝置及一次設備仿真功能，能實現(xiàn)變電站測控屏、保護屏、綜合自動化系統(tǒng)和交直流系統(tǒng)的全面仿真，能夠完整再現(xiàn)變電站一、二次設備三維場景，實現(xiàn)斷路器及其操作機構、隔離開關及操作機構、一次設備端子箱以及電流互感器、電壓互感器端子箱等設備的行為仿真，全面、真實地模擬一次設備場景，實現(xiàn)變電站一次、二次設備的監(jiān)控、巡檢、倒閘操作、事故處理等功能。

（2）間隔層仿真要求，對5個繼保小室內所有屏柜要進行仿真。繼電保護裝置依據(jù)原理建模，實現(xiàn)靈活設置各類一次設備故障、二次繼電保護可正確動作的功能，仿真界面三維展示。每個屏柜要仿真的內容包括：

①繼電保護裝置、測控裝置液晶面板、信號燈要正確顯示相應裝置實際運行工況。例如，保護啟動、保護故障、保護動作等狀態(tài)。

②屏柜按鈕可操作，并且與相應保護、測控裝置聯(lián)動，按鈕操作后，裝置顯示其應有的狀態(tài)。

③控制和切換開關可操作，實現(xiàn)控制和切換開關操作后位置展示，同時將開關位置與一、二次設備聯(lián)動，仿真其對繼電保護裝置、測控裝置、一次設備動作行為的影響。

④二次壓板可操作，壓板與相應二次設備動作邏輯關聯(lián)，可模擬壓板誤操作對保護裝置的影響。

（3）站控層仿真要求，主要由監(jiān)控人機界面組成。

監(jiān)控機主要仿真監(jiān)控系統(tǒng)“四遙”功能，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)主接線、事件告警窗口和光字窗口等信息與站內一、二次設備狀態(tài)完全一致。

①實現(xiàn)監(jiān)控在監(jiān)控界面操作開關/刀閘，經(jīng)過相應五防邏輯判斷，滿足五防邏輯可操作命令可正常下發(fā)，相應一次設備聯(lián)動，告警報文與站內一致，不滿足五防邏輯，則操作失敗，并提示操作失敗的原因。

②故障狀態(tài)發(fā)布后，或倒閘操作過程中誤操作引起故障時，監(jiān)控后臺事件報警窗信息、主接線圖設備狀態(tài)、光字牌信息、潮流信息均能正確變化。

③設備潮流、母線電壓、變壓器溫度等越限時，事件報警窗中顯示相應報警信息。

（4）變電站設備巡檢仿真要求。

本系統(tǒng)采用三維模型展示整個變電站的虛擬場景，可設置各類一次設備異常，如瓷瓶裂紋、設備滲漏油、設備發(fā)熱等；可以設置各類二次設備異常，如保護裝置死機、交換機死機、保護裝置TA斷線、TV斷線等，并經(jīng)相應處理后設備可恢復正常運行，從而提升學員處理異常的能力。

4 結論

本文針對1000kV特高壓安吉站的結構及功能，設計了特高壓變電站仿真系統(tǒng)，是一個創(chuàng)新、開放、可分布運行于各變電站的仿真系統(tǒng)，使用方式靈活。采用純軟件模式成本低、后期維護方便，在教學效果上采用全三維方式，建立虛擬變電站，效果良好。

參考文獻

[1]張東英，周慶捷，柳焯.基于微機局域網(wǎng)的變電站仿真培訓系統(tǒng)[J].華北電力技術，1998，206，（2）：66-68.

[2]張東英，楊以涵.變電站仿真培訓綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，1999，23，（23）：11-14.

（作者單位：1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司；2.國網(wǎng)浙江省電力公司培訓中心；3.江蘇省啟動市第二中專）