智能變電站混合仿真系統(tǒng)研究分析

張 可，田 皞，楊凱江，段曉雪

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671000）

0 引 言

將某校在2018年投資建設(shè)的220 kV雁園智能變電站作為主要案例開展相關(guān)研究。這一案例中，變電站系統(tǒng)主要包括10 kV、110 kV以及220 kV共3個(gè)等級(jí)。10 kV的設(shè)計(jì)是單母分段，110 kV和220 kV的設(shè)計(jì)為雙母線接線。變電站中主要包含1臺(tái)180 kV的主電壓器、1條20 kV進(jìn)線線路、3條110 kV出線線路、2條10 kV無功補(bǔ)償電容器線路以及1條站用變壓器線路。智能變電站的系統(tǒng)選擇使用北京四方變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，因?yàn)檫@一變電站主要是用來開展教學(xué)工作，因此不連接實(shí)際的電網(wǎng)一次系統(tǒng)，二次系統(tǒng)也不能得到符合運(yùn)行條件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為能實(shí)現(xiàn)模擬電網(wǎng)一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，應(yīng)不斷提高相關(guān)工作人員的專業(yè)能力和技術(shù)水準(zhǔn)。在創(chuàng)建數(shù)字和物理混合仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用電網(wǎng)數(shù)字模型和實(shí)際變電站二次設(shè)備有效結(jié)合的混合仿真系統(tǒng)，完成智能變電站一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的仿真。

1 基本概述

按照《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》的規(guī)定，智能變電站主要使用具有先進(jìn)性、可靠性、集成化以及節(jié)能環(huán)保的智能設(shè)備，根本要求是信息數(shù)字化、通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)化以及信息共享標(biāo)準(zhǔn)化[1]，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收集、測(cè)量、保護(hù)、控制以及監(jiān)控，并按自身需求對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)控制、協(xié)同交互以及線上分析。智能變電站混合仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)虛擬智能變電站及周邊設(shè)備的仿真技術(shù)，使用計(jì)算機(jī)將虛擬和現(xiàn)實(shí)有效結(jié)合，模擬三維場(chǎng)景交互的仿真環(huán)境，建立智能變電站的混合仿真系統(tǒng)。

2 理解智能變電站混合仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)混合仿真系統(tǒng)的條件

開展220 kV智能變電站混合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，根據(jù)三層兩網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用分層的方法建立智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備，并將IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。IIEC61850標(biāo)準(zhǔn)能夠有效落實(shí)MMS和SV等各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并利用MMS功能和SV功能傳送信息流，同時(shí)開展過程層、間隔層以及站控層的模擬仿真[2]。

2.2 設(shè)計(jì)智能變電站混合仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

智能變電站通常使用具有先進(jìn)性和可靠性的智能設(shè)備，以此落實(shí)電力系統(tǒng)的數(shù)字信息化、數(shù)據(jù)共享、自動(dòng)收集以及處理信息，支持電網(wǎng)的智能安排和控制。智能變電站主要利用計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能變壓器和控制系統(tǒng)的連接，有效落實(shí)對(duì)電壓變壓器運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)控制[3]。智能變電站的整體結(jié)構(gòu)是根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)完成的三層體系架構(gòu)，將二次設(shè)備、智能電網(wǎng)仿真平臺(tái)以及過程仿真裝置集于一體，形成封閉的智能變電站混合仿真系統(tǒng)。

2.3 設(shè)計(jì)智能變電站混合仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能

智能變電站主要是實(shí)現(xiàn)信息共享，按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)混合仿真系統(tǒng)，利用目標(biāo)建模技術(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是使用三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)開展設(shè)計(jì)如圖1和圖2所示。

圖2 智能變電站混合仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

站控層MMS和間隔層的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)是在IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開展的。站控層網(wǎng)絡(luò)用于落實(shí)站控制層和間隔層的信息通信，并實(shí)現(xiàn)傳送站控層中的信息，能落實(shí)MMS制造消息規(guī)范的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳送作用[4]。位于間隔層和過程層間的過程層網(wǎng)絡(luò)，主要作用是實(shí)時(shí)傳送智能變電站的模擬量等信息數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)模式完成數(shù)據(jù)間的共享。站控層的主要作用是為智能變電站提供運(yùn)作界面和操作界面；間隔層包含了繼電保護(hù)等各種設(shè)備，結(jié)合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳輸，為智能一次設(shè)備供應(yīng)通信接口；過程層主要包括電子式互感器等智能裝置。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

上位機(jī)利用串口來頒發(fā)指令，下位機(jī)則把串口數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變成并行數(shù)據(jù)字符提供給主控單元，以此來完成使用者對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)交互的時(shí)效性?？刂破聊蝗鐖D3所示。

3.2 下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

上位機(jī)和控制板間的通信往往利用UART通信來完成，UART通信程序能使用查詢、中斷以及DMA方式。一般情況下，應(yīng)用多樣化的中斷方法來寫出UART通信程序的方法。

4 對(duì)方案配置選型進(jìn)行設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，需要24個(gè)電壓輸出、38個(gè)電流輸出以及90個(gè)開關(guān)量，主要有兩種方案。

圖3 Wi fi控制界面

圖4 程序設(shè)計(jì)

（1）RTDS和功率放大器結(jié)合，包含1臺(tái)進(jìn)口的RTDS主機(jī)、6個(gè)模擬卡（每塊能輸出12個(gè)信號(hào)）、1個(gè)開關(guān)卡、2臺(tái)電壓功率放大器（每臺(tái)12路輸出）以及3臺(tái)電流功率放大器（每臺(tái)12路輸出）[5]。

（2）5個(gè)后臺(tái)掌控62個(gè)隨意改變的量，缺少RTDS時(shí)可以當(dāng)成繼電保護(hù)測(cè)試儀；具有RTDS時(shí)，可以切換至功放接口實(shí)現(xiàn)功放作用。這一方案選擇FPGA基礎(chǔ)上的數(shù)字仿真平臺(tái)，使用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)內(nèi)的FPGA解算器開展相關(guān)的計(jì)算和通信，根據(jù)IEC61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送，通過GOOSE和SV報(bào)文，與實(shí)際保護(hù)裝置有效連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)回路變電站硬件的實(shí)時(shí)仿真。FRTDS內(nèi)的FPGA解算器經(jīng)高速以太網(wǎng)和PC機(jī)開展數(shù)據(jù)的交互，將上位機(jī)軟件安裝在PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真過程的監(jiān)督。

5 系統(tǒng)構(gòu)架

在FPGA基礎(chǔ)上完成的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)流程，如圖5所示。

圖5 數(shù)字仿真平臺(tái)流程圖

6 系統(tǒng)功效

系統(tǒng)功效主要包括：（1）開啟和暫停仿真過程；（2）實(shí)時(shí)體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)作的狀況；（3）設(shè)定電源參數(shù)、檢測(cè)變壓器中的電量故障和非電量故障；（4）設(shè)定站內(nèi)負(fù)荷有功功率和無功功率；（5）設(shè)定站內(nèi)節(jié)點(diǎn)故障，通過建立節(jié)點(diǎn)的單相故障、兩相故障以及三相故障模擬仿真系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路故障；（6）設(shè)定線路故障；（7）模擬系統(tǒng)內(nèi)部的線路短路和故障；（8）設(shè)定組合故障，并模擬系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的大量故障；（9）設(shè)定CT傳輸故障，模擬其實(shí)際狀況；（10）設(shè)定開關(guān)跳閘。在用戶初始表中設(shè)定初始電路、負(fù)載CT以及變壓器等各項(xiàng)參數(shù)[6]。

7 實(shí)際運(yùn)作狀況

智能變電站三期一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)建設(shè)工作已完成，項(xiàng)目逐漸進(jìn)入調(diào)試階段，通過二次系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的有效結(jié)合，調(diào)試系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。例如，設(shè)定“線路故障”，在上位機(jī)程序的任意一條線路上設(shè)定故障，利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊線路故障的設(shè)定按鈕，開啟線路故障設(shè)定選項(xiàng)，仿真頁面如圖6所示。單擊箭頭指示的線路，打開線路故障設(shè)定選項(xiàng)后，設(shè)定模擬故障。

圖6 仿真界面

8 結(jié) 論

通過模擬智能變電站的實(shí)際狀況，完成對(duì)智能變電站混合仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，并完成了對(duì)智能變電站仿真的虛擬操縱，落實(shí)了對(duì)信息的收集及網(wǎng)絡(luò)測(cè)驗(yàn)分析等，仿真規(guī)模較大，作用完善。綜上所述，設(shè)計(jì)智能變電站的仿真系統(tǒng)能有效提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。