李秋燕 張洪波 姚 峰

（河南省電力公司，鄭州 450052）

調(diào)度員仿真培訓系統(tǒng)（DTS）是電網(wǎng)調(diào)度自動化應用技術的重要組成部分，實現(xiàn)對各級調(diào)度員的系統(tǒng)性培訓，使其在與實際控制中心基本相同的仿真環(huán)境中掌握能量管理系統(tǒng)（EMS）的各項功能，提高其在電網(wǎng)正常、異常和故障恢復情況下的調(diào)度決策能力。當前針對網(wǎng)、省調(diào)等大中型電網(wǎng)調(diào)度的DTS開發(fā)較早且應用較為成功[1-3]，而在農(nóng)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，針對縣級電網(wǎng)的DTS卻非常匱乏[4]，但它并不能完全照搬網(wǎng)、省調(diào)的模式：縣級電網(wǎng)呈輻射狀結構，正常運行時為開放式網(wǎng)絡；主接線形式多數(shù)為單母線系列；35kV、10kV系統(tǒng)中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地；繼電保護動作情況與網(wǎng)、省調(diào)不盡相同。隨著農(nóng)網(wǎng)改造升級和調(diào)度自動化應用程度的加深，迫切需要一套實用的、針對性強的縣級調(diào)度員仿真培訓系統(tǒng)。本文結合河南某縣級調(diào)度DTS開發(fā)過程，分析縣級電網(wǎng)結構、運行方式和管理職能等特點，研究縣調(diào)特色模型和算法，介紹開發(fā)過程中的實用化方法，所研制系統(tǒng)已經(jīng)投入現(xiàn)場實際應用。

1 仿真系統(tǒng)基本結構

調(diào)度員仿真培訓系統(tǒng)是能量管理系統(tǒng)的鏡像，集能量管理仿真和培訓功能于一體，圖1給出縣調(diào)DTS軟件模塊結構。該系統(tǒng)采用 SDSS2000（Simulation Development Supporting System 2000 Version）仿真支撐平臺[5]，應用功能由電力系統(tǒng)模型、教員臺和學員臺3部分構成，其中教員臺負責教案的制作和管理、仿真過程控制，學員臺1模擬控制中心SCADA/EMS功能，學員臺2模擬變電站監(jiān)控、操作功能。它們的聯(lián)合實現(xiàn)了電力系統(tǒng)生產(chǎn)、傳輸、調(diào)度全過程仿真。

圖1 縣調(diào)DTS軟件模塊結構

1）仿真支撐系統(tǒng)。它是整個軟件的控制、管理中樞，也是聯(lián)系教員臺和學員臺的紐帶，集通信管理、數(shù)據(jù)分布管理、系統(tǒng)配置管理、權限管理、應用程序接口管理、仿真時間管理等功能于一體。學員接受培訓時在學員臺上執(zhí)行的操作是多方面的、復雜的，例如開關操作、刀閘操作、發(fā)電機出力調(diào)節(jié)、變壓器分接頭調(diào)節(jié)、負荷調(diào)節(jié)等；同時教練員也會設置各種故障、保護投退或拒動、開關拒動等。以上內(nèi)容都是仿真程序遇到且需要解決的，但并不能直接被核心計算程序所接受，這就需要一個接口：將用戶的操作轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)模型計算程序所能接受的數(shù)據(jù)形式，因此數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)通訊是仿真支撐系統(tǒng)最主要功能。

2）電力系統(tǒng)模型。它是整個 DTS的基礎和關鍵，為 SCADA模型和變電站模型提供遙測量，這些數(shù)據(jù)直接影響變電站各種設備和裝置動作的正確性。在 SDSS2000仿真支撐平臺的模塊化建模環(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，構成電力系統(tǒng)的抽象模型，準確模擬電力系統(tǒng)在各種運行方式及事故狀態(tài)下的變化過程，完整精確地對現(xiàn)場各種行為進行全范圍仿真。這些模塊有：外網(wǎng)等值、網(wǎng)絡拓撲分析、潮流計算、頻率計算、故障短路電流計算、繼電保護仿真。

3）教員臺。它具有控制培訓過程的功能，包括初始化參數(shù)、調(diào)整控制參數(shù)、教案管理和制作、仿真過程控制（例如運行、凍結）、事件處理、學員操作過程記錄等功能。

4）學員臺1。它由SCADA和EMS模型構成，模擬控制中心SCADA/EMS的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和計算、電網(wǎng)運行監(jiān)控、事件和報警處理、遠方調(diào)節(jié)和控制、人機會話等，真實模擬調(diào)度員工作環(huán)境，使其在接受培訓時有身臨其境的感覺，從中得到全方位訓練。

5）學員臺2。它是模擬變電站綜合自動化系統(tǒng)及一、二次設備工作原理，使得學員能夠深入變電站操作具體設備，完整執(zhí)行調(diào)度員命令。

2 實例開發(fā)與分析

2.1 仿真對象

仿真的縣級電網(wǎng)是河南某地區(qū)電網(wǎng)的一個組成部分，通過5回110kV線路與地區(qū)電網(wǎng)相連，有2座220kV變電站，4座110kV變電站，15座35kV變電站，1座電廠。電網(wǎng)接線如圖2所示。在建立電網(wǎng)物理模型時，對DTS培訓中涉及的110kV、35kV變電站和拓撲關系均不作簡化，只對220kV級電網(wǎng)進行等值處理，等值原則為：當內(nèi)部電網(wǎng)存在功率不平衡時體現(xiàn)外網(wǎng)對內(nèi)網(wǎng)的有功、無功增援，保證邊界聯(lián)絡線潮流變化的真實性；當內(nèi)部電網(wǎng)發(fā)生短路故障時保證外網(wǎng)的正序、零序模型合理。

圖2 仿真對象電網(wǎng)結構

2.2 縣調(diào)特色模型開發(fā)與分析

1）DTS仿真與變電站仿真的集成

網(wǎng)省調(diào)DTS側重于SCADA/EMS模型的仿真，一般而言它和變電站仿真培訓系統(tǒng)是分別孤立運行的，對變電站模型以及執(zhí)行調(diào)度命令的變電站操作進行簡化處理，常由教練員充當廠站值班員，通過在教員臺上設置控制參數(shù)或者改變設備狀態(tài)來替代變電站值班員的操作過程，這種應用模式隔離了電網(wǎng)仿真和變電站仿真的信息交互，一定程度上影響了仿真的真實性和培訓效果。

隨著DTS技術的發(fā)展，電網(wǎng)二次設備的復雜性和多樣性使得培訓的焦點從一次設備模擬轉(zhuǎn)向二次設備的模擬，而二次設備模擬的深度和詳細度正是變電站仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢所在；另一方面，在35kV、10kV變電站綜合自動化程度快速提高以及無人值班變電站大量投入情況下，許多縣調(diào)實行“調(diào)運合一”工作模式[6-7]，調(diào)度員應該更加深入地熟悉變電站情況，變電運行人員也應該有電網(wǎng)的整體概念，因此變電站仿真培訓系統(tǒng)集成于DTS是一個發(fā)展趨勢[8]。這一集成模式既達成優(yōu)勢互補，又實現(xiàn)相長促進，如圖3所示：變電站仿真可以利用DTS完整電網(wǎng)模型提供的遙測量，而不需大量外網(wǎng)等值來模擬系統(tǒng)特性，從而使得變電站繼電保護和自動裝置動作信息更加準確、詳細，并有據(jù)可依；DTS的遙信量直接取自仿真變電站，遙調(diào)和遙控也直接作用于它，不僅實現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)交互，而且實現(xiàn)調(diào)度員和變電運行人員閉環(huán)培訓?？傊?，DTS使得變電仿真效果更加真實可靠，變電站仿真使得DTS仿真范圍更加細化，仿真程度更加深化。

圖3 DTS仿真和變電站仿真關系圖

2）電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型處理

縣調(diào)管轄的發(fā)電機較少，調(diào)度員一般不關心發(fā)電機的動態(tài)過程。從實用角度出發(fā)，在進行縣調(diào)DTS仿真時采用電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型來模擬系統(tǒng)運行特性，即考慮系統(tǒng)操作時負荷功率的變化、潮流分布的變化，以及發(fā)生故障情況下短路電流和故障殘壓的大小，其核心技術是潮流和短路電流計算。在借鑒網(wǎng)省調(diào) DTS網(wǎng)絡建模經(jīng)驗時發(fā)現(xiàn)，35kV、10kV出線均被等值為“負荷”，并且35kV及10kV系統(tǒng)的出線、PT、避雷器、接地變、所用變無法進行故障設置，而這些內(nèi)容在縣調(diào) DTS中是重點培訓內(nèi)容，不能被化簡或忽略的。因此在網(wǎng)絡建模方面從網(wǎng)省調(diào)到縣調(diào)需要一個完善、實用化過程。改進措施如下：

（1）潮流計算：在縣級電網(wǎng)中，各個變電站饋線少則十條左右，多則三十幾條，如果都當作“支路”處理，網(wǎng)絡節(jié)點、支路會成數(shù)倍地增加，將加重潮流計算負擔。為了詳細模擬低壓系統(tǒng)，并且考慮到潮流計算效率，改進措施為：35kV、10kV聯(lián)絡線當作“支路”處理，饋線仍等值為“負荷”，作為母線節(jié)點的注入功率。圖4為該仿真系統(tǒng)中某個110kV變電站監(jiān)控畫面，其中僅10kV南母的“淇淮線”作為聯(lián)絡線，其余8條線路均為饋線，其功率在監(jiān)控畫面上可以設置和調(diào)節(jié)。這一改進措施既保證了低壓電網(wǎng)拓撲的完整性，又不對系統(tǒng)運算造成太大影響。

圖4 潮流計算對支路模型處理示例

（2）短路電流計算：35kV、10kV系統(tǒng)的PT、避雷器、接地變發(fā)生故障時，故障信息中的故障位置處理成發(fā)生在母線節(jié)點上。聯(lián)絡線發(fā)生故障時，因其在網(wǎng)絡建模時已經(jīng)計入支路序列，直接按照支路故障信息計算短路電流；單條饋線發(fā)生故障時，因其在網(wǎng)絡建模時等值為節(jié)點注入功率，為了能夠反應線路近端、中端、遠端故障現(xiàn)象，需結合故障信息在短路電流計算過程中動態(tài)地將該饋線轉(zhuǎn)化為支路，支路序列加1，且節(jié)點數(shù)目加1。兩條饋線發(fā)生故障的處理方法詳見單相接地故障處理部分。

3）單相接地故障處理

縣調(diào)保護最主要的特點是單相接地問題?？h調(diào)電網(wǎng)為中性點不接地或小電流接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地時，故障點的實際電流很小，三相之間的線電壓和負荷電流仍然保持對稱，因此在一般情況下都允許繼續(xù)運行 1～2h，不必立即跳閘。這是中性點非直接接地系統(tǒng)運行的主要優(yōu)點，但在單相接地后，其它兩相對地電壓要升高至線電壓，發(fā)出母線絕緣檢測信號。對調(diào)度員來說，母線絕緣檢測信號是最常見的保護信息，如何在盡量保證重要負荷正常運行的前提下做到最短時間內(nèi)找到故障設備，是調(diào)度員必須掌握的。因此，在縣調(diào)DTS中逼真模擬單相接地故障十分必要。

按照故障發(fā)生地點來分，單相接地故障分為單點單相接地故障和兩點單相接地故障兩種情況。35kV或者10kV線路上面發(fā)生單點單相接地故障，調(diào)度員收到母線絕緣檢測信號后根據(jù)經(jīng)驗按照一定次序拉合母線上各條線路開關來查找故障設備，通知現(xiàn)場檢修；發(fā)生兩點單相接地故障，即在解除單相接地故障前，別的地方又發(fā)生了單相接地故障，這一情況需要判斷新的故障點是本地的還是異地，是同相的還是異相。本次開發(fā)過程中短路電流計算采用的是單端口網(wǎng)絡計算方法，即計算過程只能接收單個故障信息，因此對兩點單相接地故障，需在模型中加以處理而得出正確仿真結果。

（1）本地同相兩點故障。故障發(fā)生在本地且相位相同，故障信息處理為兩個單點單相故障。第一個故障點被找到且解除后，系統(tǒng)仍然處于單點單相故障狀態(tài)，始終保持母線絕緣檢測信號，直至第二個故障消失。

（2）本地異名相兩點故障。目前縣級電網(wǎng)35kV、10kV線路保護多是采用不完全星形接法，電流保護只取 A、C兩相電流，因此當發(fā)生不同地點不同相別兩點接地時，B相接地的線路不跳閘，只跳涉及 A、C相接地的線路。所以故障信息處理時得細致劃分。當一條線路發(fā)生A（C）相接地故障，另一條線路發(fā)生 C（A）相接地故障，故障信息處理成兩條線路均發(fā)生A、C相間故障，觸發(fā)相間保護動作；當一條線路發(fā)生 A（C）相接地，另一條線路發(fā)生B相接地，故障信息處理成前一條線路發(fā)生A、B相間故障，后一條線路發(fā)生B相接地故障。這樣通過故障信息的人為處理，以達到培訓調(diào)度員的效果。

如圖4，在仿真系統(tǒng)上設置“10kV桃源線A相接地且濱龐線B相接地”故障，模型系統(tǒng)處理結果為“桃源線發(fā)生AB相間接地且濱龐線發(fā)生B相接地”，在圖4所示運行方式下，保護動作情況如下：

①#2主變后備保護起動；

②10kV南母接地；

③10kV北母接地；

④桃源線#30開關瞬時電流速斷動作；

⑤桃源線#30開關重合閘動作；

⑥桃源線#30開關瞬時電流速斷動作；

⑦桃源線#30開關過流后加速動作。

經(jīng)實例分析，該處理方案正確且有效，觸發(fā)的保護動作情況符合真實邏輯。

（3）異地兩點接地故障。在此情況下保護是否動作是由零序通路決定的，通過網(wǎng)絡拓撲來判斷當兩個故障點之間是否存在零序通路，再計算故障電流以觸發(fā)保護動作。

4）定值驅(qū)動的繼電保護仿真

目前繼電保護仿真方法有兩種：邏輯驅(qū)動仿真和定值驅(qū)動仿真[9]。邏輯驅(qū)動仿真是設備發(fā)生故障時系統(tǒng)不計算短路電流，而只是根據(jù)故障發(fā)生地點、故障類型、持續(xù)時間、保護配置，通過網(wǎng)絡拓撲和邏輯判斷來觸發(fā)相應的保護動作。從理論上來講，縣級電網(wǎng)的輻射狀結構和保護配置類型適用于邏輯驅(qū)動仿真，但在實用過程中發(fā)現(xiàn)：縣級電網(wǎng)存在較多T接線路，保護動作與否還需考慮電源端問題；許多變電站采用內(nèi)橋接線，主變保護動作完全不同于完全接線的變電站，邏輯判斷規(guī)則有很強的地方特色；并且規(guī)則庫不可能把所有的故障都綜合考慮進來，對比較復雜的故障而言，保護邏輯判斷不能真實反映保護動作情況和開關跳閘情況，就不適用于進行更高層次的業(yè)務技術培訓。鑒于以上幾點邏輯驅(qū)動仿真的限制，本次開發(fā)采用定值驅(qū)動仿真。

繼電保護仿真模擬變電站各個保護小室的設備以及電網(wǎng)中需要配合的保護設備，包括：線路保護、主變保護、母線保護、電容器保護、電抗器保護、斷路器保護及斷路器輔助操作箱、備自投等。繼電保護模型與實際裝置一致，由測量、邏輯、動作環(huán)節(jié)組成，通過短路電流計算結果與繼電保護動作定值比較來正確模擬保護的啟動特性、復歸特性和時間特性，真實展現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后保護的動作信息，以及保護拒動或者開關拒動所引起的多級保護配合情況。

3 仿真效果

縣級調(diào)度員仿真培訓系統(tǒng)硬件構成為3臺計算機，其中教練員機1臺；模擬電網(wǎng)SCADA/EMS功能的學員機1臺，雙顯；模擬變電站監(jiān)控、保護的學員機1臺，雙顯。系統(tǒng)所在網(wǎng)絡環(huán)境為100MB以太網(wǎng)。

系統(tǒng)模擬了一次故障117個，二次故障172個，還設置了具有中性點不接地系統(tǒng)特色的故障，如本地異名相兩點接地、異地兩點接地等，既仿真了廠站之間線路上的各種故障，又仿真了站內(nèi)的各種類型故障，如開關拒動、保護異常、刀閘發(fā)熱等。

該系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)與變電站聯(lián)合仿真功能，既利用了前者在電網(wǎng)仿真方面的優(yōu)勢，又充分發(fā)揮了后者在變電站內(nèi)部仿真方面的深度和細致度，使得系統(tǒng)具有仿真實時交互的數(shù)據(jù)源，在正常操作和故障情況下，電網(wǎng)和變電站能夠同步發(fā)生變化，從局部細節(jié)和全網(wǎng)概貌上真實再現(xiàn)了電力系統(tǒng)動態(tài)反應過程。既可用于電網(wǎng)調(diào)度員和變電站值班員培訓，也可用于兩者協(xié)同配合的聯(lián)合反事故演習?，F(xiàn)已在河南省某縣電網(wǎng)和技術技能培訓中心成功應用，為農(nóng)電素質(zhì)提升工程提供強有力的科技支撐力量。

4 結論

本文考慮了縣級電網(wǎng)結構、運行方式和調(diào)度職能特點，提出并實現(xiàn)了縣調(diào)DTS若干特色功能的模型和算法，并在河南電網(wǎng)得到成功應用。實踐證明，本文提出的縣調(diào)DTS特色模型和算法是可行且實用的。

[1]王治華,范靜.面向智能調(diào)度的調(diào)度運行人員培訓仿真系統(tǒng)探討論[J].華東電力, 2012(5).

[2]陶文偉,黃天戍,徐旭輝,等.地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度員培訓仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].電網(wǎng)技術, 2006(30): 82-85.

[3]王慶平,陳超英,陳禮義.DTS技術及其展望[J].繼電器,2002, 30(5): 29-33.

[4]俞偉勇.調(diào)度員仿真培訓系統(tǒng)在縣級供電公司的應用與分析[J].電力信息化, 2009, 7(5): 95-98.

[5]李秋燕,張洪波,姚峰.500kV多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].電氣技術, 2011(9).

[6]奚國富,吳福保,朱金大.縣級電網(wǎng)調(diào)配集一體化系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢[J].電力設備, 2006, 7(6): 13-16.

[7]張大立.廣西縣級 自動化系統(tǒng)建設與發(fā)展策略[J].南方電網(wǎng)技術, 2007, 1(1): 81-84.

[8]胡曉俠,胡炎.基于 DTS的集控站仿真培訓系統(tǒng)實現(xiàn)方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2009, 37(11): 86-90.

[9]王嘉明,牟勇,吳文傳,等.DTS中繼電保護的 CIM 模型擴展與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(2):90-94.