沈海軍， 梁克靖， 支 琴

(上海交通大學(xué) a. 后勤保障中心; b. 電子信息與電氣工程學(xué)院; c. 招標(biāo)辦, 上海 200240)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于電能的需求不斷增長(zhǎng)，國(guó)家電網(wǎng)公司早在2009年特高壓電技術(shù)國(guó)際會(huì)議上提出了名為“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，標(biāo)志著我國(guó)新一輪的電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)開(kāi)始。作為電網(wǎng)中重要組成部分，變電站的建設(shè)與改造成為國(guó)家戰(zhàn)略布局的重中之重。

近年來(lái)，隨著新能源的興起與電力設(shè)備的更新?lián)Q代，電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)性的變化，常規(guī)的變電站已經(jīng)無(wú)法滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，智能變電站的建設(shè)與普及迫在眉睫[1-2]。按照國(guó)家的整體戰(zhàn)略布局，在“十三五”期間，我國(guó)將新建7 700座智能變電站，并預(yù)計(jì)對(duì)現(xiàn)有變電站全部進(jìn)行智能化改造。

伴隨著越來(lái)越多的新一代智能變電站的落地，人才的培養(yǎng)也自然而然的成為了下一個(gè)亟待解決的難題，其主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：① 變電站建設(shè)與改造模塊化，“以功能需求為向?qū)А钡睦砟钬灤┯谖覈?guó)智能變電站設(shè)計(jì)與建造之中，通過(guò)大范圍的規(guī)范多種電力設(shè)備的集成方式和接口規(guī)劃，使得從業(yè)人員需要掌握更多的新技術(shù)、新技能，以便開(kāi)展工作。② 一次設(shè)備智能化與二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，電力設(shè)備的更新?lián)Q代對(duì)從業(yè)人員的綜合素質(zhì)有了更高的要求，尤其在舊站改造過(guò)程中，如何能夠使得員工快速熟悉新設(shè)備、新規(guī)程更是一項(xiàng)新的課題。③ 設(shè)備檢修狀態(tài)化，以往的變電站設(shè)備檢修工作通常是定期檢修，人工投入較大，效率不高，現(xiàn)在的變電站則主要是以狀態(tài)檢修為主，對(duì)故障處理的反應(yīng)速度要求更高[3]。智能電網(wǎng)與智能變電站的快速發(fā)展給電力行業(yè)的操作管理帶來(lái)了巨大的變化，但是變電站的特殊工作環(huán)境使得變電站的工作人員或者在校學(xué)生，都不可能在實(shí)際的變電站中把所有可能遇到的問(wèn)題及故障處理全部進(jìn)行演練[4-6]。因此，變電站仿真系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐就顯得尤為必要。

1 變電站三維仿真系統(tǒng)概述

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站一次、二次設(shè)備的全數(shù)字仿真，變電站整體場(chǎng)景及電力設(shè)備的仿真模型采用3D建模技術(shù)搭建，不同的電力設(shè)備3D模型再經(jīng)數(shù)據(jù)庫(kù)接口和系統(tǒng)引擎鏈接到相應(yīng)的電力線路邏輯模型，整體操作方式基于Window系統(tǒng)，擴(kuò)展性較強(qiáng)。

(1) 硬件架構(gòu)。系統(tǒng)硬件主要包括服務(wù)器、教員機(jī)、學(xué)員機(jī)3部分，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站三維仿真系統(tǒng)的硬件組成

服務(wù)器主要承擔(dān)數(shù)據(jù)管理與通信的功能，數(shù)據(jù)庫(kù)包括電網(wǎng)模型、建模軟件、圖片資料、模擬操作過(guò)程記錄等。教員機(jī)主要用來(lái)布置仿真任務(wù)、設(shè)置系統(tǒng)故障、仿真過(guò)程把控等。學(xué)員機(jī)是面向?qū)W員的人機(jī)交互接口，學(xué)員可對(duì)模擬設(shè)備發(fā)送控制命令、查看系統(tǒng)狀態(tài)、事件信息等。

(2) 軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)分為二維與三維仿真兩部分，各部分主要功能如下：

二維仿真主要模擬變電站的監(jiān)控系統(tǒng)、潮流計(jì)算以及二次邏輯計(jì)算和信號(hào)處理。其中監(jiān)控系統(tǒng)包括：變電站的電氣主接線圖、站內(nèi)輔助電源的接線圖、運(yùn)行趨勢(shì)圖、監(jiān)控系統(tǒng)配置圖、告警信息表、操作信息等。潮流計(jì)算主要對(duì)變電站的一次系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算分析。二次邏輯圖采用圖形化建模，模擬 CT/PT 二次走線，保護(hù)屏柜的二次接線，現(xiàn)場(chǎng)屏柜的控制回路以及測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)傳送等。

三維仿真主要進(jìn)行變電站全景的動(dòng)態(tài)模擬，包括主界面、變電保護(hù)室等場(chǎng)景，并可模擬電力設(shè)備操作及變電站巡視過(guò)程，例如控制開(kāi)關(guān)、掛接地線、填寫(xiě)巡視記錄，設(shè)置圍欄等操作。變電站三維模擬如圖2所示。

圖2 變電站三維系統(tǒng)模擬圖

根據(jù)上述功能可以開(kāi)展教學(xué)和培訓(xùn)考試等工作?？赏ㄟ^(guò)教員機(jī)設(shè)置變電站一次、二次系統(tǒng)故障，及變電站異常工況，進(jìn)行故障分析和復(fù)位倒閘操作來(lái)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。也可通過(guò)教員機(jī)添加動(dòng)態(tài)題庫(kù)，對(duì)變電站員工或?qū)W員進(jìn)行培訓(xùn)考試，便于學(xué)員在此平臺(tái)上進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐。

2 變電站系統(tǒng)故障仿真應(yīng)用

仿真系統(tǒng)的應(yīng)用可以使得學(xué)員能夠在虛擬狀態(tài)下掌握變電站運(yùn)行規(guī)則、了解變電站可能會(huì)出現(xiàn)的故障，學(xué)習(xí)故障分析的方法，掌握變電站故障的處理流程[7]。變電站電力系統(tǒng)運(yùn)行故障種類較多，本文選取比較典型的母線接地短路故障，以變電站500 kV母線II B相接地短路故障來(lái)進(jìn)行分析。

(1) 故障設(shè)置。通過(guò)教員機(jī)進(jìn)行故障設(shè)置，從數(shù)據(jù)庫(kù)的故障詳單設(shè)置列表里選擇變電站500 kV母線II B相接地短路故障設(shè)置，設(shè)置界面如圖3所示。

圖3 教員機(jī)故障設(shè)置界面圖

(2) 故障現(xiàn)象與分析。學(xué)員機(jī)接收到教員設(shè)置的故障之后，繼電保護(hù)隨即做出反應(yīng)，從主接線圖可以看到與母線II相連的斷路器均動(dòng)作跳閘，呈現(xiàn)紫色綠色交替閃爍，主接線圖如圖4所示。

圖4 500 kV主接線圖

在繼保動(dòng)作之后，同時(shí)查看仿真系統(tǒng)中的光字牌和告警窗，如圖5～6所示。光字牌作為故障提示窗口，方便進(jìn)行故障定位；而告警窗則記錄了所有的動(dòng)作信息與觸發(fā)時(shí)序，有利于故障分析，二者一一對(duì)應(yīng)、相輔相成。

圖5 仿真系統(tǒng)光字牌示意圖

圖6 仿真系統(tǒng)告警窗示意圖

由圖5可以看出， II母線的第1套、第2套母差保護(hù)與其出口保持繼電器均發(fā)生動(dòng)作。在仿真系統(tǒng)里進(jìn)行確認(rèn)之后，見(jiàn)母差保護(hù)光字牌回歸初始狀態(tài)，表示母差保護(hù)動(dòng)作后已經(jīng)自動(dòng)復(fù)位，而出口保持繼電器光字牌則保持紅色常亮，表示該繼電器不可自動(dòng)復(fù)位，需要操作員手動(dòng)復(fù)位。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，II母線設(shè)置有兩套平行的保護(hù)裝置，每套保護(hù)都包括差動(dòng)保護(hù)和距離保護(hù)。主變側(cè)(一線)差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)II母線B相短路接地時(shí)，流進(jìn)保護(hù)裝置的電流和流出的電流不相等,差動(dòng)電流大于差動(dòng)保護(hù)裝置的整定值,上位機(jī)報(bào)警保護(hù)出口動(dòng)作,差動(dòng)繼電器動(dòng)作,作用于斷路器跳閘。

(3) 故障處理。由于母線故障為永久性故障，系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)清除，需要通過(guò)仿真軟件操控排除故障，再進(jìn)入3D場(chǎng)景中完成復(fù)位操作。以II母線第一套母差保護(hù)和如圖7所示的繼電器箱為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖7 500 kV II母線第一套母差保護(hù)和繼電器箱3D模型圖

進(jìn)入變電站保護(hù)室，找到母線保護(hù)柜，在此3D場(chǎng)景中按下右下角復(fù)位按鈕即為手動(dòng)對(duì)II母線第一套保護(hù)出口保持繼電器復(fù)位，等待數(shù)秒后，左側(cè)四盞紅燈熄滅，如圖8所示。按下右上角II母線保護(hù)差動(dòng)保護(hù)復(fù)位按鈕，使其回到初始狀態(tài)。之后，回到主接線圖界面，進(jìn)行合閘操作，系統(tǒng)恢復(fù)至運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 500 kV II母線第一套母差保護(hù)和繼電器箱

通過(guò)上述故障現(xiàn)象的判斷、分析以及處理的仿真實(shí)踐，可以鍛煉學(xué)員邏輯思維以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力[8-10]。

3 變電站故障巡視仿真應(yīng)用

在變電站的實(shí)際運(yùn)行中，站內(nèi)的電力設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)多種故障，比如瓷瓶破裂、避雷器均壓環(huán)損壞、油枕泄漏等[11]。變電站三維仿真系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況進(jìn)行3D建模，構(gòu)建變電站三維場(chǎng)景，結(jié)合動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)程序，可以以第一視角模擬變電站的巡視任務(wù)。系統(tǒng)內(nèi)置了大量的電力設(shè)備工況異常狀態(tài)，可以通過(guò)教員機(jī)設(shè)置異常工況的類型與數(shù)量。

故障巡視仿真的具體操作過(guò)程如下：

(1) 設(shè)置異常工況。教員機(jī)選擇巡視任務(wù)，設(shè)置異常工況，發(fā)布到學(xué)員機(jī)。

(2) 故障記錄。學(xué)員在變電站場(chǎng)景下，完成教員機(jī)設(shè)定的巡視任務(wù)，模擬變電站實(shí)際巡視路線、記錄巡視日志，并將發(fā)現(xiàn)的設(shè)備異常記錄上報(bào)。比如：可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)模擬變電站主變發(fā)生異常情況導(dǎo)致冒煙現(xiàn)象出現(xiàn)，其3D仿真模擬效果如圖9所示。

圖9 變電站巡視仿真示意圖

通過(guò)上述故障巡視仿真，可以對(duì)學(xué)員的觀察能力進(jìn)行考核，起到了很好的教學(xué)培訓(xùn)效果。

4 變電站操作票仿真應(yīng)用

操作票是指在電力系統(tǒng)中進(jìn)行電氣操作的書(shū)面依據(jù)，包括調(diào)度指令票和變電操作票，是防止誤操作(誤拉、誤合、帶負(fù)荷拉、合隔離開(kāi)關(guān)、帶地線合閘等)的主要措施[12]。變電站從業(yè)人員對(duì)于操作票的練習(xí)是日常工作的一大要點(diǎn)[13-14]。該系統(tǒng)提供了操作票仿真的功能，下面以500kV I母線(第一套)母差保護(hù)從發(fā)生故障到恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)為例介紹其過(guò)程。

(1) 操作票執(zhí)行。教員機(jī)通過(guò)該仿真系統(tǒng)指導(dǎo)學(xué)員學(xué)習(xí)變電站操作票執(zhí)行流程，并發(fā)布執(zhí)行命令。其對(duì)應(yīng)的操作票如圖10所示。

圖10 500 kV I母線(第一套)母差保護(hù)從發(fā)生跳閘故障到

(2) 操作票執(zhí)行過(guò)程。通過(guò)3D場(chǎng)景進(jìn)入500 kV保護(hù)室，依次檢查500 kV I母線第一套母差保護(hù)裝置運(yùn)行狀態(tài)以及繼電器箱面板上動(dòng)作指示燈，若上述條件滿足操作票要求，在相應(yīng)核對(duì)欄里打勾。然后在500 kV I母線保護(hù)柜內(nèi)停用操作票中所示壓板，操作完成后，在相應(yīng)核對(duì)欄里打勾。

通過(guò)操作票模擬仿真的訓(xùn)練，可以使學(xué)員快速的掌握變電站操作票的操作規(guī)范，與實(shí)際操作能夠更好的銜接[15]。

5 結(jié) 語(yǔ)

智能變電站已經(jīng)成為近年來(lái)我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)，相應(yīng)的高素質(zhì)電力人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為急需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的二維仿真系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新一代智能變電站模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的新需求，而新一代的變電站三維仿真系統(tǒng)具有較好的兼容性、真實(shí)性和可擴(kuò)展性，可以滿足當(dāng)前變電站人才專業(yè)性培養(yǎng)的需求。通過(guò)3個(gè)典型的變電站仿真應(yīng)用，介紹了三維變電站仿真系統(tǒng)的主要功能以及操作處理流程，具有較好的實(shí)踐效果，為電力人才的培養(yǎng)提供了一個(gè)較好的平臺(tái)。