變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉世安 胡俊華 李顯鵬

摘 要：變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是變電運(yùn)維人員對變電站內(nèi)電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)、保護(hù)分析、事故判斷、異常處理等方面非常有效的培訓(xùn)手段，不僅為變電運(yùn)維人員培訓(xùn)、技能操作訓(xùn)練、考核等提供一個(gè)完善的平臺(tái)，更可以為自動(dòng)化專業(yè)、保護(hù)專業(yè)的變電檢修人員提供仿真訓(xùn)練平臺(tái)，仿真范圍覆蓋站內(nèi)主控室、保護(hù)室、低壓交流室以及戶外配電裝置所涉及的一次系統(tǒng)、保護(hù)及控制等系統(tǒng)。該文以110～1000 kV變電站及變電站所在區(qū)域內(nèi)小電網(wǎng)為基本對象，設(shè)計(jì)模擬電氣一次模型、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仿真模擬、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仿真模擬、變電站繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置仿真模擬等方面的構(gòu)建，并展開論述與探討，對軟件系統(tǒng)進(jìn)行詳盡的構(gòu)建，最終設(shè)計(jì)出仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能。

關(guān)鍵詞：變電站 培訓(xùn)仿真系統(tǒng) 仿真范圍 硬件 軟件 設(shè)計(jì)

中圖分類號：TM734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0211-02

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)備復(fù)雜，在整個(gè)電網(wǎng)中處于十分重要地位。這就對變電運(yùn)維人員對變電站內(nèi)電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)、保護(hù)分析、事故判斷、異常處理等方面的能力提出了很高的要求。因?yàn)樽冸娬編щ娺\(yùn)行故障判斷及異常處理難以實(shí)際操練的特殊性，變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)便成為了非常有效的培訓(xùn)手段。

變電站仿真培訓(xùn)主要任務(wù)是滿足對變電站運(yùn)行日常監(jiān)視、操作、維護(hù)、事故故障處理等方面的培訓(xùn)需求。物理設(shè)備模擬仿真用于學(xué)員培訓(xùn)，現(xiàn)象直觀、操作感強(qiáng)，相比軟件仿真更貼近現(xiàn)場，但由于整個(gè)變電站設(shè)備眾多，且電壓等級高，設(shè)備昂貴，若全部采用物理設(shè)備模擬成本極高，也沒有必要。而軟件數(shù)字仿真投資成本低，配置靈活，維護(hù)方便，而且升級改造方便。

隨著在電力技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，以及智能變電站、特高壓變電站等新型、新等級的變電站的出現(xiàn)，對變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)提出了更高的要求：變電站仿真培訓(xùn)應(yīng)能使用于各種電壓等級變電站的拓展、小電網(wǎng)的模擬、三維可視化界面展示、GOOSE及SV網(wǎng)絡(luò)模擬、事故及異常模擬、運(yùn)維一體化培訓(xùn)。系統(tǒng)建成后，可以在培訓(xùn)中心實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維人員的技能培訓(xùn)和技能考核，完成變電站實(shí)習(xí)值班員的崗前培訓(xùn)，大大提高運(yùn)維人員的技能水平，同時(shí)還可以滿足保護(hù)及自動(dòng)化專業(yè)人員檢修技能培訓(xùn)與考核。

上述變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用模式和應(yīng)用方式，為仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的更新?lián)Q代指引了方向，具有一定的推廣意義。上述變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以大大改善變電運(yùn)維人員的技能培訓(xùn)業(yè)務(wù)面，不僅為變電運(yùn)維人員培訓(xùn)、技能操作訓(xùn)練、考核等提供一個(gè)完善的平臺(tái)，更可以為自動(dòng)化專業(yè)、保護(hù)專業(yè)變電檢修人員提供仿真訓(xùn)練平臺(tái)。

1 仿真范圍

仿真范圍覆蓋站內(nèi)主控室、保護(hù)室、低壓交流室以及戶外配電裝置所涉及的一次系統(tǒng)、保護(hù)及控制等系統(tǒng)。

1.1 電氣一次模型

以110～1000 kV變電站及變電站所在區(qū)域內(nèi)小電網(wǎng)為基本對象，模擬電網(wǎng)操作故障等情況下潮流分布和故障電流、電壓，為變電站仿真實(shí)時(shí)提供遙控測量。模擬各種運(yùn)行方式下電網(wǎng)的潮流動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括線路、主變的功率，母線的電壓以及設(shè)備狀態(tài)；調(diào)整負(fù)荷有功、無功，仿真對象可以做出正確響應(yīng)；允許設(shè)置線路、母線、主變故障，可以是對稱和不對稱故障；故障電流、電壓正確顯示于變電站監(jiān)視畫面，對應(yīng)開關(guān)經(jīng)保護(hù)跳閘；仿真對象范圍之外的線路對側(cè)配置簡單保護(hù)，并于本側(cè)通道配合等。

1.2 變電站一次設(shè)備仿真模擬

變電站一次設(shè)備仿真包括開關(guān)、刀閘本體、操作機(jī)構(gòu)、主變本體、冷卻系統(tǒng)、有載調(diào)壓裝置、CVT、CT、低壓交流設(shè)備仿真。根據(jù)一次設(shè)備工作原理和工作過程，模擬它們的正常操作、異常及故障狀態(tài)、參數(shù)指示等。

1.3 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仿真模擬

模擬變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)包括正常時(shí)的顯示和操作現(xiàn)象。模擬做到監(jiān)控機(jī)和測控柜畫面布置與現(xiàn)場一致；監(jiān)控機(jī)和測控柜顯示點(diǎn)與現(xiàn)場一致；監(jiān)控機(jī)、測控柜操作點(diǎn)、操作步驟與現(xiàn)場一致；監(jiān)控機(jī)上運(yùn)行人員必需的告警信息與現(xiàn)場一致。

1.4 變電站繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置仿真模擬

模擬變電站微機(jī)保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置的操作、顯示、動(dòng)作邏輯，以及裝置發(fā)生故障后對系統(tǒng)的影響。實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的仿真與實(shí)際系統(tǒng)一致，由測量、邏輯和動(dòng)作三個(gè)環(huán)節(jié)組成，能正確模擬保護(hù)的啟動(dòng)特性、復(fù)歸特性和時(shí)間特性。繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的顯示點(diǎn)、操作點(diǎn)與實(shí)際設(shè)備一致，能夠正確反映設(shè)備的可操作元件（例如：壓板、盤后空開、重合閘把手）變位后對系統(tǒng)的影響；能夠正確反映CT、PT斷線對繼電保護(hù)裝置的影響。保護(hù)屏液晶事件報(bào)告與現(xiàn)場一致，故或異常狀態(tài)下，繼電保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，與實(shí)際一致。

1.5 其他仿真模擬

模擬變電站內(nèi)設(shè)備的五防閉鎖邏輯以及倒閘操作流程。能夠自然反映學(xué)員正常操作或者誤操作引起的響應(yīng)，防誤邏輯正確；模擬低壓交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)正常操作、參數(shù)指示、故障；模擬戶外配電裝置設(shè)備操作、狀態(tài)及參數(shù)指示、故障。

2 仿真系統(tǒng)硬件構(gòu)成

仿真系統(tǒng)硬件主要是計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、音響。硬件構(gòu)成如圖1所示，其中：

（1）計(jì)算機(jī)2～3臺(tái)（建議），部分計(jì)算機(jī)可由多個(gè)功能集成，采用畫面切換方式。主要用來運(yùn)行教練員臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、保護(hù)小室和就地系統(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1套，為保證仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

（3）音響系統(tǒng)1套，模擬主控室報(bào)警、事故等音響效果。

3 軟件系統(tǒng)

軟件構(gòu)成如圖2所示。

（1）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件。

所有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)都采用中文操作系統(tǒng)Window XP專業(yè)版，是計(jì)算機(jī)自帶的操作系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)供應(yīng)商提供。

（2）仿真開發(fā)支撐系統(tǒng)。

仿真支撐軟件是衡量仿真系統(tǒng)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，一個(gè)先進(jìn)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(gè)仿真系統(tǒng)的資源進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)。該系統(tǒng)開發(fā)了完全建立在Windows平臺(tái)上的仿真支撐軟件，它是本仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的控制、管理中樞，集仿真管理、仿真開發(fā)、仿真培訓(xùn)功能于一體。

（3）教練員臺(tái)。

設(shè)置豐富的培訓(xùn)管理功能，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)過程的組織、管理、控制，人機(jī)界面友好，易于使用。

（4）電氣模型軟件。

模型軟件是為了仿真電網(wǎng)和變電站的物理過程而開發(fā)的軟件，具體分為：電力系統(tǒng)分析計(jì)算軟件、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置仿真軟件、測控模型軟件、所用電模型軟件。

（5）保護(hù)屏軟件。

保護(hù)屏軟件以虛擬盤的形式再現(xiàn)變電站保護(hù)小室的微機(jī)保護(hù)裝置、測控裝置，模擬裝置上操作元件、液晶事件報(bào)告。

（6）監(jiān)控軟件。

監(jiān)控軟件模擬變電站主控室內(nèi)監(jiān)控后臺(tái)機(jī)上的所有顯示和操作：開關(guān)、刀閘的操作及狀態(tài)顯示，電氣參數(shù)的顯示，母線電壓棒圖，簡報(bào)信息，光字牌報(bào)警等。

（7）五防軟件。

五防軟件模擬主控室中的五防機(jī)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場實(shí)際一致的倒閘操作流程。

（8）就地系統(tǒng)軟件。

模擬戶外配電裝置，實(shí)現(xiàn)戶外設(shè)備的就地操作、檢查。

4 系統(tǒng)功能

變電仿真系統(tǒng)通過一對一的全仿真，應(yīng)具備以下功能。

（1）監(jiān)視功能：具備現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的各種監(jiān)視畫面，可監(jiān)視變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、各電氣量、事件告警信息、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作信息。

（2）設(shè)備操作：模擬變電站可操作設(shè)備的操作，包括分、合斷路器，分、合隔離開關(guān)，設(shè)備停運(yùn)、投入等各種實(shí)際情況，操作過程和結(jié)果在監(jiān)控系統(tǒng)和微機(jī)保護(hù)裝置上實(shí)時(shí)正確反映。對于違反現(xiàn)場規(guī)程的誤操作，例如：帶負(fù)荷拉合刀閘、帶地刀合開關(guān)、帶電合地刀等，仿真系統(tǒng)自然產(chǎn)生相應(yīng)的后果。

（3）異常仿真：模擬電網(wǎng)異常、設(shè)備異常發(fā)生后，支持學(xué)員進(jìn)行處理、隔離異常設(shè)備，恢復(fù)電網(wǎng)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

（4）故障仿真：模擬電網(wǎng)事故、設(shè)備事故發(fā)生后，發(fā)生電網(wǎng)潮流變化和繼電保護(hù)連鎖動(dòng)作，支持學(xué)員進(jìn)行處理、切除或隔離故障點(diǎn)，恢復(fù)送電，將事故的影響降到最低。仿真系統(tǒng)具備完整的故障類型，可任意設(shè)置簡單或一二次組合故障。故障發(fā)生后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)與實(shí)際基本一致。

（5）實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)功能：模擬變電站運(yùn)行或故障狀況對電網(wǎng)的影響，使得運(yùn)行人員掌握基本運(yùn)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(yàn)，可作為日常培訓(xùn)和學(xué)習(xí)之用。

5 結(jié)語

在將來變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)上進(jìn)行仿真操作培訓(xùn)應(yīng)用研究，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的理論教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)方法及課件教學(xué)方法的不足，充分利用仿真系統(tǒng)能將理論與實(shí)踐相結(jié)合的強(qiáng)大優(yōu)勢，發(fā)揮具有較強(qiáng)的操作與培訓(xùn)靈活性的特點(diǎn)，研究與拓展該系統(tǒng)在培訓(xùn)方面的實(shí)際應(yīng)用，充分發(fā)揮仿真機(jī)的優(yōu)勢，提高特高壓變電站運(yùn)維、運(yùn)檢技術(shù)培訓(xùn)效果，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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注釋

該仿真系統(tǒng)為國網(wǎng)浙江省電力公司群眾性創(chuàng)新項(xiàng)目，計(jì)劃編號：5211MR14004Z-07。