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(xué)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(shè)備機(jī)構(gòu)，確定仿真系統(tǒng)開發(fā)的電氣設(shè)備仿真范圍、系統(tǒng)仿真模式、實(shí)際教學(xué)內(nèi)容及實(shí)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(shè)備的仿真設(shè)計(jì)需求。這些內(nèi)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(biāo)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，而且也可用于設(shè)計(jì)特高壓集控站的仿真教學(xué)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：特高壓變電站；智能變電站；仿真教學(xué)系統(tǒng)

0 引言

1000kV特高壓變電站采用智能變電站的設(shè)計(jì)模式，站控層、間隔層通信采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。這對(duì)變電站運(yùn)維人員的素質(zhì)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(yùn)維人員技能教學(xué)。

變電站仿真教學(xué)系統(tǒng)（Substation Training Simulation System，簡稱STS）主要分為盤臺(tái)模式和純軟件模式[1]，還有部分設(shè)計(jì)采用硬件加軟件的物理混合仿真模式。盤臺(tái)模式采用按照與實(shí)際變電站1：1的比例，設(shè)置開關(guān)控制屏、機(jī)電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置等硬件，組成實(shí)物教學(xué)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(gè)模式真實(shí)度高，但成本較高、通用性也不強(qiáng)。純軟件模式則是通過軟件開發(fā)，對(duì)站內(nèi)一、二次電氣設(shè)備進(jìn)行虛擬三維建模，建立虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，其成本較低且易于后期維護(hù)。相比較而言，采用純軟件模式開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性。

本文結(jié)合1000kV特高壓安吉站的仿真教學(xué)系統(tǒng)，介紹如何根據(jù)特高壓變電站的實(shí)際情況來確定仿真教學(xué)系統(tǒng)的仿真范圍、開發(fā)模式、教學(xué)內(nèi)容、建立方法及仿真設(shè)計(jì)需求。研究的仿真系統(tǒng)可提供先進(jìn)、完善的特高壓變電站運(yùn)維人員教學(xué)手段，將在特高壓變電站教學(xué)中發(fā)揮重要作用，對(duì)推動(dòng)我國特高壓電網(wǎng)人才培養(yǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1 1000kV特高壓安吉站功能

1000kV特高壓安吉站的綜合自動(dòng)化部分采用智能變電站架構(gòu)，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(gè)繼保小室組成，主要由保護(hù)裝置、測(cè)控裝置等間隔層設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、電氣模擬量、設(shè)備狀態(tài)量采集等功能。站控層采用計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)室，主要由操作員工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合服務(wù)器、調(diào)動(dòng)通信網(wǎng)管機(jī)等設(shè)備組成，其功能如下：

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

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)特高壓智能變電站全站數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)，為各類自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用提供訪問服務(wù)和數(shù)據(jù)查詢。

（3）數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)智能變電站與調(diào)度、生產(chǎn)等主站系統(tǒng)之間的通信，為主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能變電站監(jiān)控、遠(yuǎn)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(wù)。

（4）綜合服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與在線監(jiān)測(cè)、電源、計(jì)量、消防、安防和環(huán)境監(jiān)測(cè)等設(shè)備的信息通信，通過統(tǒng)一展示和綜合分析，實(shí)現(xiàn)一次電氣設(shè)備和輔助設(shè)備的運(yùn)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(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備、電氣設(shè)備各類信號(hào)的上傳以及站控層控制命令的下發(fā)。間隔層測(cè)控裝置之間采用GOOSE網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)防誤邏輯閉鎖信息的交換。

2 仿真范圍、模式、教學(xué)內(nèi)容及實(shí)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(xué)系統(tǒng)，對(duì)安吉站需要進(jìn)行詳細(xì)建模仿真，與本站相連的所有線路應(yīng)詳細(xì)建模仿真，線路對(duì)側(cè)變電站可以采用等值模型進(jìn)行仿真，對(duì)側(cè)變電站開關(guān)連接到無窮大電源系統(tǒng)，相應(yīng)負(fù)荷工況采用典型工況，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)人工設(shè)置。

1000kV特高壓安吉站內(nèi)需要詳細(xì)仿真的部分包括一次電氣主設(shè)備、間隔層設(shè)備繼電保護(hù)裝置、間隔層測(cè)控裝置、站控層操作員工作站。數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)管機(jī)等設(shè)備與日常運(yùn)維操作、監(jiān)視關(guān)系不密切，因此相應(yīng)功能不列入仿真教學(xué)系統(tǒng)。

2.2 仿真模式

1000kV特高壓安吉站的仿真教學(xué)系統(tǒng)，不采用以硬件為主的物理混合仿真模式或盤臺(tái)仿真模式，而采用純軟件仿真模式。一次電氣主設(shè)備、站控層自動(dòng)化設(shè)備和間隔層保護(hù)測(cè)控設(shè)備全部采用軟件仿真，簡練三維仿真模型，實(shí)現(xiàn)三維展示，除計(jì)算機(jī)和必要的通信網(wǎng)管機(jī)外沒有其他硬件。特高壓變電站的仿真系統(tǒng)可以單獨(dú)安裝在1臺(tái)服務(wù)器上，也可以采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)組網(wǎng)的方式運(yùn)行。對(duì)于采用網(wǎng)絡(luò)模式的仿真教學(xué)系統(tǒng)，可在每臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝不同的軟件資源，構(gòu)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(hù)小室、變壓器等一次配電裝置等劃分，安裝在1臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，其他教員管理軟件、仿真模型、工程維護(hù)也可安裝在一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)上。

（2）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，即仿真教學(xué)系統(tǒng)由多臺(tái)學(xué)員機(jī)和1臺(tái)教員機(jī)服務(wù)器組成。教員機(jī)服務(wù)器安裝教員機(jī)仿真計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)各類工況、故障、異常的設(shè)置，并可發(fā)送到學(xué)員機(jī)進(jìn)行仿真教學(xué)。每臺(tái)學(xué)員機(jī)單獨(dú)安裝學(xué)員機(jī)仿真計(jì)算軟件，接受教員機(jī)服務(wù)器發(fā)送的各類仿真工況，展示學(xué)員機(jī)仿真界面；為使教學(xué)方式更靈活，可將教員機(jī)的設(shè)置功能安裝在學(xué)員機(jī)上，教學(xué)學(xué)員可以自學(xué)，也可以在教員指導(dǎo)下學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)同步教學(xué)不同技能水平學(xué)員的目的。

1000kV特高壓安吉站的仿真教學(xué)系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)教室模式，由1臺(tái)教員機(jī)服務(wù)器和多臺(tái)學(xué)員機(jī)組成。

2.3 仿真內(nèi)容

分析1000kV特高壓變電站日常運(yùn)維工作，同常規(guī)500kV綜合自動(dòng)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(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)功能與常規(guī)500kV變電站仿真教學(xué)系統(tǒng)相同，主要有5方面的教學(xué)內(nèi)容：

（1）變電站運(yùn)行工況調(diào)整及監(jiān)視控制模擬教學(xué)；

（2）倒閘操作模擬教學(xué)；

（3）事故處理模擬教學(xué)；

（4）異常告警及處理模擬教學(xué)；

（5）正常及事故巡檢模擬教學(xué)。

2.4 實(shí)現(xiàn)方法

本仿真教學(xué)軟件可在Windows XP以上版本的操作系統(tǒng)運(yùn)行，整個(gè)仿真系統(tǒng)從軟件結(jié)構(gòu)上可分為人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用程序3個(gè)部分。用戶界面的一次電氣主設(shè)備巡檢界面采用AuthorWare多媒體平臺(tái)開發(fā)，其他二次設(shè)備界面采用Wizcon軟件進(jìn)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(yīng)用程序采用Visual C++進(jìn)行開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP，應(yīng)用程序和Wizcon、Author Ware之間采用動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 1000kV特高壓變電站的仿真設(shè)計(jì)要求

根據(jù)1000kV特高壓安吉站的一、二次電氣設(shè)備的實(shí)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(yīng)采用三維模型，將一、二次設(shè)備制作成可復(fù)用的三維組建，形成一、二次設(shè)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(yīng)的設(shè)備模型，構(gòu)成三維變電站仿真場(chǎng)景。變電站一、二次電氣設(shè)備三維仿真軟件實(shí)現(xiàn)虛擬保護(hù)屏、測(cè)控裝置及一次設(shè)備仿真功能，能實(shí)現(xiàn)變電站測(cè)控屏、保護(hù)屏、綜合自動(dòng)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(shè)備三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)斷路器及其操作機(jī)構(gòu)、隔離開關(guān)及操作機(jī)構(gòu)、一次設(shè)備端子箱以及電流互感器、電壓互感器端子箱等設(shè)備的行為仿真，全面、真實(shí)地模擬一次設(shè)備場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)變電站一次、二次設(shè)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(duì)5個(gè)繼保小室內(nèi)所有屏柜要進(jìn)行仿真。繼電保護(hù)裝置依據(jù)原理建模，實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)置各類一次設(shè)備故障、二次繼電保護(hù)可正確動(dòng)作的功能，仿真界面三維展示。每個(gè)屏柜要仿真的內(nèi)容包括：

①繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置液晶面板、信號(hào)燈要正確顯示相應(yīng)裝置實(shí)際運(yùn)行工況。例如，保護(hù)啟動(dòng)、保護(hù)故障、保護(hù)動(dòng)作等狀態(tài)。

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

③控制和切換開關(guān)可操作，實(shí)現(xiàn)控制和切換開關(guān)操作后位置展示，同時(shí)將開關(guān)位置與一、二次設(shè)備聯(lián)動(dòng)，仿真其對(duì)繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、一次設(shè)備動(dòng)作行為的影響。

④二次壓板可操作，壓板與相應(yīng)二次設(shè)備動(dòng)作邏輯關(guān)聯(lián)，可模擬壓板誤操作對(duì)保護(hù)裝置的影響。

（3）站控層仿真要求，主要由監(jiān)控人機(jī)界面組成。

監(jiān)控機(jī)主要仿真監(jiān)控系統(tǒng)“四遙”功能，實(shí)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(nèi)一、二次設(shè)備狀態(tài)完全一致。

①實(shí)現(xiàn)監(jiān)控在監(jiān)控界面操作開關(guān)/刀閘，經(jīng)過相應(yīng)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(yīng)一次設(shè)備聯(lián)動(dòng)，告警報(bào)文與站內(nèi)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(shí)，監(jiān)控后臺(tái)事件報(bào)警窗信息、主接線圖設(shè)備狀態(tài)、光字牌信息、潮流信息均能正確變化。

③設(shè)備潮流、母線電壓、變壓器溫度等越限時(shí)，事件報(bào)警窗中顯示相應(yīng)報(bào)警信息。

（4）變電站設(shè)備巡檢仿真要求。

本系統(tǒng)采用三維模型展示整個(gè)變電站的虛擬場(chǎng)景，可設(shè)置各類一次設(shè)備異常，如瓷瓶裂紋、設(shè)備滲漏油、設(shè)備發(fā)熱等；可以設(shè)置各類二次設(shè)備異常，如保護(hù)裝置死機(jī)、交換機(jī)死機(jī)、保護(hù)裝置TA斷線、TV斷線等，并經(jīng)相應(yīng)處理后設(shè)備可恢復(fù)正常運(yùn)行，從而提升學(xué)員處理異常的能力。

4 結(jié)論

本文針對(duì)1000kV特高壓安吉站的結(jié)構(gòu)及功能，設(shè)計(jì)了特高壓變電站仿真系統(tǒng)，是一個(gè)創(chuàng)新、開放、可分布運(yùn)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(hù)方便，在教學(xué)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(xiàn)

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[2]張東英，楊以涵.變電站仿真培訓(xùn)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(xùn)中心；3.江蘇省啟動(dòng)市第二中專）