李秋燕 張洪波 姚 峰

（1.河南省電力公司培訓(xùn)中心，鄭州 450052；2.河南省電力公司，鄭州 450052）

現(xiàn)代電網(wǎng)由大向強(qiáng)轉(zhuǎn)變，500kV主網(wǎng)架中新建擴(kuò)建變電站相繼投入運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的變電設(shè)備及裝置大量引進(jìn)使用，變電運(yùn)行人員的專業(yè)素質(zhì)、操作水平和電網(wǎng)安全穩(wěn)定有著直接聯(lián)系，因此他們的實(shí)踐技能培訓(xùn)就顯得日益重要和緊迫。變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是目前公認(rèn)的積極有效培訓(xùn)手段[1-5]，它在培訓(xùn)學(xué)員熟悉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備性能、控制和保護(hù)邏輯，提高正常操作水平和反事故能力，培養(yǎng)鎮(zhèn)定應(yīng)對(duì)突發(fā)事件素質(zhì)等方面發(fā)揮了顯著作用。但就目前已開發(fā)的變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)而言，仍存在一些不足：

1）仿真模型不完善。仿真對(duì)象僅考慮1座孤立變電站和站內(nèi)設(shè)備。現(xiàn)代電網(wǎng)500kV變電站互聯(lián)性日益緊密，忽略站與站之間，站與電網(wǎng)之間的影響[6-7]，將導(dǎo)致遙測(cè)量數(shù)據(jù)和保護(hù)配合不真實(shí)，影響培訓(xùn)效果。

2）功能單一，適應(yīng)面窄。多數(shù)變電系統(tǒng)不具備電網(wǎng)仿真功能，無法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與變電站聯(lián)合反事故演習(xí)，不能有效培養(yǎng)運(yùn)行人員的全局觀念和大系統(tǒng)概念。

為適應(yīng)當(dāng)前培訓(xùn)形勢(shì)，需開發(fā)一套模型完善、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)的500kV多站聯(lián)合變電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，既對(duì)變電站所在電網(wǎng)進(jìn)行完整仿真，又對(duì)多個(gè)變電站進(jìn)行詳細(xì)仿真，實(shí)現(xiàn)兩者有機(jī)結(jié)合，為500kV運(yùn)行人員提供一個(gè)良好的培訓(xùn)平臺(tái)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)以河南500kV和220kV主干網(wǎng)、所有500kV變電站為仿真對(duì)象。電網(wǎng)仿真是準(zhǔn)確模擬電網(wǎng)在各種運(yùn)行方式及事故狀態(tài)下的變化過程，為變電站內(nèi)一、二次設(shè)備動(dòng)作響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐，因此電網(wǎng)仿真要求精確性、穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性；變電站仿真是詳細(xì)模擬站內(nèi)一次設(shè)備、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置等，各部分功能相對(duì)獨(dú)立和完整，因此變電站仿真具有分散性、詳細(xì)性。基于以上原則，該仿真系統(tǒng)采用“集中管理、分散計(jì)算”設(shè)計(jì)模式，即建立一個(gè)仿真主站和若干個(gè)仿真子站，主站和子站之間呈交互式、分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主站“集中管理”：一方面負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)交互、子站控制等資源管理協(xié)調(diào)功能；另一方面實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)仿真功能，負(fù)責(zé)電網(wǎng)模型計(jì)算，為各個(gè)子站實(shí)時(shí)提供遙測(cè)量。子站“分散計(jì)算”：各子站實(shí)現(xiàn)變電站仿真功能，負(fù)責(zé)接收本站對(duì)應(yīng)的遙測(cè)量，進(jìn)行一次、二次設(shè)備模型的計(jì)算，并向主站傳送設(shè)備動(dòng)作信號(hào)等開關(guān)量。主站與子站之間設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這一設(shè)計(jì)模式有以下特點(diǎn)：

1）主站和子站的數(shù)據(jù)交互保證電網(wǎng)和變電站之間數(shù)據(jù)的一致性，從而實(shí)現(xiàn)仿真一體化。

2）分布式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息分流、控制分層目的，減輕主站計(jì)算壓力，保證電力網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

3）仿真系統(tǒng)具備良好的升級(jí)擴(kuò)充功能，支持后期仿真子站接入，及時(shí)跟蹤電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況。

4）子站可以靈活方便地在主站上進(jìn)行配置或拆卸，使得系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)合培訓(xùn)，也可以進(jìn)行單站培訓(xùn)，滿足培訓(xùn)需求的多樣性。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析計(jì)算技術(shù)、圖形技術(shù)和仿真技術(shù)的集成。該系統(tǒng)采用純軟件仿真，包括仿真支撐軟件和仿真應(yīng)用軟件，后者分為電網(wǎng)仿真軟件和變電站仿真軟件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1 分布式仿真支撐軟件

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(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的資源進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)。本系統(tǒng)開發(fā)了完全建立在Windows平臺(tái)上SDSS2000（Simulation Development Supporting System 2000 version）仿真支撐軟件，它是本仿真系統(tǒng)的控制、管理中樞，適應(yīng)系統(tǒng)分層分布式結(jié)構(gòu)，在主站和子站計(jì)算機(jī)上都有駐留程序，集仿真管理、仿真開發(fā)、仿真培訓(xùn)功能于一體。

在仿真管理方面，SDSS2000是聯(lián)系系統(tǒng)各部分的紐帶，是分布式仿真系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)通訊管理、系統(tǒng)配置管理、數(shù)據(jù)分布管理、權(quán)限管理、應(yīng)用程序接口管理、仿真時(shí)間管理等。仿真應(yīng)用間不直接通訊，所有網(wǎng)絡(luò)通訊功能由支撐軟件實(shí)現(xiàn)，它根據(jù)各個(gè)仿真應(yīng)用的需求調(diào)度整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布，將信息發(fā)送到需要的地方。系統(tǒng)配置管理能夠?qū)⒎植荚诰钟蚓W(wǎng)上的多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)按照功能需求組成一個(gè)獨(dú)立應(yīng)用子系統(tǒng)，靈活配置成不同的運(yùn)行模式，滿足不同層次和不同數(shù)量人員培訓(xùn)要求。

在仿真開發(fā)方面，SDSS2000作為開發(fā)工具一方面為模型軟件提供位置透明、高效的虛擬運(yùn)行環(huán)境；另一方面支持模塊化建模，實(shí)現(xiàn)模型軟件的建立、修改、調(diào)試、運(yùn)行、輸出等功能。模型軟件是描述仿真對(duì)象工作原理和運(yùn)行過程的應(yīng)用軟件，在模塊化建模環(huán)境中，通過輸入、輸出和系數(shù)的配置建立模塊，并依據(jù)物質(zhì)流向和控制信息流向?qū)⑦@些模塊一一連接起來，構(gòu)成仿真設(shè)備的抽象模型，反映其物理規(guī)律和工作原理。

在仿真培訓(xùn)方面，SDSS2000實(shí)現(xiàn)教員臺(tái)所有功能，如初始運(yùn)行方式整定存儲(chǔ)或調(diào)用、仿真系統(tǒng)運(yùn)行或凍結(jié)、故障設(shè)置、培訓(xùn)監(jiān)管等。教員臺(tái)既可以運(yùn)行于服務(wù)器，對(duì)局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)靈活配置實(shí)現(xiàn)不同培訓(xùn)形式，也可以運(yùn)行于受控站任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)單站仿真培訓(xùn)。

2.2 精確的電網(wǎng)仿真計(jì)算

電網(wǎng)仿真是整個(gè)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，為變電站仿真提供遙測(cè)量，這些數(shù)據(jù)直接影響受控站各種設(shè)備和裝置動(dòng)作正確性。電網(wǎng)仿真采用穩(wěn)態(tài)、電磁暫態(tài)分析計(jì)算方法準(zhǔn)確模擬電網(wǎng)在各種運(yùn)行方式及事故狀態(tài)下的變化過程，完整精確地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種行為進(jìn)行全范圍仿真，其軟件包括的模塊有：外網(wǎng)等值、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、潮流?jì)算、頻率計(jì)算、故障計(jì)算。電網(wǎng)仿真模型除河南500kV和220kV主干網(wǎng)之外，還需考慮華北、西北、華中外部互聯(lián)電網(wǎng)，它們對(duì)分析計(jì)算結(jié)果有重要影響，該系統(tǒng)采用實(shí)用的靜態(tài)等值法方法對(duì)外部電網(wǎng)進(jìn)行合理等值。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鰰r(shí)，采用變電站級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)二級(jí)搜索策略，確定計(jì)算用的節(jié)點(diǎn)和支路，并解決電網(wǎng)解列和電氣孤島問題。故障計(jì)算能夠完成單一故障和復(fù)雜故障計(jì)算，支持仿真系統(tǒng)進(jìn)行單重或多重、連續(xù)故障的培訓(xùn)。

2.3 先進(jìn)完善的變電站仿真

變電站仿真是模擬變電站設(shè)備及其運(yùn)行過程，包括一次設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、繼電保護(hù)裝置等，它們之間相互獨(dú)立，通過仿真支撐軟件SDSS2000通信交互，搭建組合成變電站仿真系統(tǒng)。

1）基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一次設(shè)備仿真

變電站一次設(shè)備仿真包括開關(guān)、刀閘本體及操作機(jī)構(gòu)，主變本體及冷卻系統(tǒng)、有載調(diào)壓裝置，防誤系統(tǒng)，PT及CT，低壓交流設(shè)備仿真，它由模型軟件和圖形平臺(tái)共同支撐實(shí)現(xiàn)。模型軟件反映一次設(shè)備的工作原理，支持圖形平臺(tái)圖元的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；圖形平臺(tái)支持一次設(shè)備的直觀顯示和動(dòng)態(tài)操作。該系統(tǒng)開發(fā)三維虛擬仿真（3D virtual Simulation）圖形平臺(tái)[8]，采用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)加載大型三維場(chǎng)景，對(duì)變電站進(jìn)行 1∶1全方位三維仿真，真實(shí)還原變電站戶外設(shè)備區(qū)，形象模擬設(shè)備外觀、可操作部分、表計(jì)指示、設(shè)備異常或故障現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中巡視、檢查、操作設(shè)備，如圖3所示。一次設(shè)備的三維仿真提高了系統(tǒng)的真實(shí)感、臨場(chǎng)感。一次設(shè)備模型軟件設(shè)置有完備的設(shè)備缺陷庫，例如接觸點(diǎn)過熱、瓷瓶閃絡(luò)、電弧放電等，這些異常故障發(fā)生后能夠在三維虛擬場(chǎng)景中觸發(fā)光電、聲響等逼真現(xiàn)象。

圖3 一次設(shè)備三維虛擬場(chǎng)景

2）先進(jìn)完善的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仿真

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仿真對(duì)象是各個(gè)真實(shí)變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，包括監(jiān)控系統(tǒng)和五防系統(tǒng)。仿真內(nèi)容包括表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)層，表現(xiàn)層即各個(gè)變電站的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)可視化界面，需要給人以直觀的視覺反饋；業(yè)務(wù)層即綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能體現(xiàn)，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、告警瀏覽、設(shè)備操作、流程控制等。本仿真系統(tǒng)采用視窗表示基礎(chǔ)技術(shù) WPF（Windows Presentation Foundation）和視窗工作流基礎(chǔ)WWF（Windows Workflow Foundation）開發(fā)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仿真。WPF可以在較小的開銷下創(chuàng)建復(fù)雜的圖形，在監(jiān)控系統(tǒng)和五防系統(tǒng)中創(chuàng)建表示不同設(shè)備的圖元組件，從而在此基礎(chǔ)上構(gòu)建復(fù)雜的監(jiān)視管理圖形，如圖 4所示；WWF可以創(chuàng)建基于順序以及基于狀態(tài)的工作流，還可以在工作流中嵌入循環(huán)等邏輯處理分支，在監(jiān)控系統(tǒng)中可以表現(xiàn)對(duì)告警瀏覽及不同的處理流程，兩者實(shí)現(xiàn)了表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)層的完美結(jié)合。

監(jiān)控系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)操作、動(dòng)態(tài)顯示、參數(shù)監(jiān)視、故障告警、遙信顯示、報(bào)警信息分類等功能。五防系統(tǒng)包括五防機(jī)、虛擬電腦鑰匙、虛擬程序鎖，具備與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相同的閉鎖邏輯，可實(shí)現(xiàn)五防投退、模擬操作、傳送操作票、操作閉鎖等功能。五防系統(tǒng)在退出狀態(tài)時(shí)可以隨意操作設(shè)備，模擬誤操作自然引發(fā)故障，讓學(xué)員在沒有防誤閉鎖的環(huán)境中，切實(shí)提高變電運(yùn)行的技能和水平，同時(shí)對(duì)變電站容易發(fā)生事故的環(huán)節(jié)和運(yùn)行規(guī)程加深理解，增強(qiáng)處理復(fù)雜和緊急事故的能力。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)界面

3）基于定值驅(qū)動(dòng)的繼電保護(hù)仿真

變電站繼電保護(hù)裝置是仿真真實(shí)變電站各個(gè)保護(hù)小室的設(shè)備以及電網(wǎng)中需要配合的保護(hù)設(shè)備，包括：線路保護(hù)、主變保護(hù)、母線保護(hù)、電容器保護(hù)、電抗器保護(hù)、斷路器保護(hù)及斷路器輔助操作箱等。繼電保護(hù)仿真同樣是由模型軟件和保護(hù)屏圖形軟件共同支撐實(shí)現(xiàn)。

繼電保護(hù)模型與實(shí)際一致，由測(cè)量、邏輯、動(dòng)作環(huán)節(jié)組成，能夠正確模擬保護(hù)的啟動(dòng)特性、復(fù)歸特性和時(shí)間特性。模型軟件按照微機(jī)保護(hù)工作原理搭建標(biāo)準(zhǔn)化模塊，同類設(shè)備采用同類模塊，即有著相同的輸入輸出參數(shù)。該系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真采用定值法驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)作邏輯，模擬保護(hù)之間的相互配合，在異常或事故狀態(tài)下，繼電保護(hù)裝置的信號(hào)、表計(jì)、液晶事件報(bào)告與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致，并且能夠反映保護(hù)通道異常、裝置異常、CT及PT回路斷線對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為的影響。

保護(hù)屏圖形軟件實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置的信號(hào)指示、信號(hào)復(fù)歸、元件操作的仿真。通過實(shí)景菜單的方式，可以選擇任一個(gè)保護(hù)屏，屏面布置與實(shí)際裝置完全一致，屏面上的動(dòng)態(tài)點(diǎn)，如切換把手、按鈕、小開關(guān)、壓板等元件均可操作，它們的狀態(tài)改變均會(huì)影響保護(hù)動(dòng)作行為。

3 系統(tǒng)功能

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)仿真與變電站仿真有機(jī)結(jié)合，從仿真效果來看，不僅體現(xiàn)了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的完整性和運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)性，還體現(xiàn)了變電站設(shè)備模擬的詳細(xì)性和設(shè)備動(dòng)作的真實(shí)性。該系統(tǒng)集監(jiān)視、操作、異常和故障仿真等功能于一體，具備豐富的培訓(xùn)形式和完善的培訓(xùn)功能。

3.1 聯(lián)合反事故演習(xí)功能

主站和各子站聯(lián)合運(yùn)行，構(gòu)造一個(gè)虛擬的電力系統(tǒng)和操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行人員和變電站運(yùn)行人員閉環(huán)模擬培訓(xùn)，加強(qiáng)反事故演習(xí)的互動(dòng)性，真實(shí)性和系統(tǒng)性，克服了傳統(tǒng)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在聯(lián)合反事故演習(xí)中實(shí)時(shí)信息只能為本地演習(xí)方提供，無法被其它參演方所共享的不足。該仿真系統(tǒng)可以設(shè)置對(duì)稱、不對(duì)稱、多重、連續(xù)故障，支持學(xué)員觀察事態(tài)發(fā)展和不同事故引發(fā)的各種現(xiàn)象，允許學(xué)員進(jìn)行故障后的恢復(fù)操作，培養(yǎng)運(yùn)行人員對(duì)事故處理的決策能力和相互協(xié)調(diào)能力。

3.2 單個(gè)變電站仿真培訓(xùn)功能

單個(gè)變電站獨(dú)立運(yùn)行，模擬單站正常運(yùn)行或故障狀況對(duì)電網(wǎng)的影響，使得運(yùn)行人員熟練掌握基本運(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。

3.3 電網(wǎng)運(yùn)行方式的模擬計(jì)算分析功能

利用仿真系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬電力系統(tǒng)模型，模擬計(jì)算發(fā)電機(jī)出力、區(qū)域交換功率等，研究電網(wǎng)運(yùn)行計(jì)劃，分析電網(wǎng)運(yùn)行方式安排的合理性；利用仿真系統(tǒng)中全網(wǎng)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為，校驗(yàn)保護(hù)方案制定的有效性。這些應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能。

4 結(jié)論

500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)提出電網(wǎng)仿真和變電站仿真相結(jié)合的一體化思想，利用分布式支撐仿真系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算、三維虛擬現(xiàn)實(shí)、WPF及WWF等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)500kV變電站聯(lián)網(wǎng)仿真。整個(gè)系統(tǒng)功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)，并推進(jìn)了電力仿真技術(shù)發(fā)展，最大限度地提升自身應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)已于2009年10月份投入現(xiàn)場(chǎng)使用，為提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性發(fā)揮了顯著作用。

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