变电站数字物理混合仿真培训系统

武卫平,孔玉娟

（东北电网有限公司丰满培训中心,吉林 吉林 132000）

目前国内电力系统变电站值班员岗位培训大多采用单纯的软件仿真培训,只能在虚拟软件或三维界面上巡视、操作、处理故障,有一定的局限性,培训功能单一。变电站数字物理混合仿真培训系统可连接实际变电站一次设备和二次设备,结合数字仿真和实时测试、暂态仿真技术、数字信号处理技术、通信技术及计算机技术等,使培训更真实。系统可对继电保护、自动化及远动系统、变电检修等专业技术人员进行运行操作、调试维护、检修试验等内容的培训。

1 系统组成

一次系统采用计算机软件实时仿真（采用真实的不带电设备）。仿真一次系统和实际一次系统均为2座独立的典型66 kV变电站,二次系统采用与电力生产现场相同的、真实的变电站二次设备。在软件仿真的一次系统和真实的二次系统之间用起互感器作用和一次设备辅助接点作用的变电站二次信号转换装置（信号转接箱）连接。信号转换箱通过功率放大器与二次设备连接,在真实的一次设备和二次设备之间经电缆接通二次回路。真实的一次设备状态与计算机实时仿真软件中一次设备的状态相对应。变电站数字物理混合仿真系统的结构如图1所示。

2 功能

2.1 数字仿真系统

图1 变电站数字物理混合仿真系统结构

数字仿真系统负责变电站一次系统实时动态仿真计算。在数字仿真系统中包括电力系统元件模型,可以通过图形界面对电网结构和元件参数进行修改。根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次系统运行情况进行准确计算,实时输出与变电站相同的电压、电流波形。可以改变变电站一次主接线,从而对变电站运行情况进行完整的仿真模拟。

任意设置并模拟电力系统的各种故障和电力负荷的变化等。事故仿真一种是设置的事故（线路故障、母线故障、变压器故障等）;一种是误操作事故,该故障在模型中自然引发。还可设置开关拒动、保护拒动、误动,扩大事故范围。设置事故可进行各种事故演练,提高学员对事故处理能力。

仿真系统可人为设置单个或复合故障,制造事故现场,让学员判断事故性质、类型、地点等,并进行处理,由系统记录处理过程并打印输出,找出事故处理中的差错、疏漏,提高技术水平。

2.2 真实的变电站一次设备

真实的变电站一次开关可以实现就地、远方分合闸。刀闸可以实现就地操作,通过二次回路把分合闸状态反应到监控和数字仿真系统,保护装置可以对真实的一次设备实现保护跳闸。

变电站值班人员可对真实设备进行巡视,实际操作开关。变电检修人员可以进行拆装检修。

2.3 真实的变电站二次设备

二次系统为真实的变电站综合自动化设备,学员可以进行调试维护,可任意改变保护类型、设置保护定值、阅读报文、信号复归、故障录波等,变电站二次设备的所有功能均可实现。电压、电流指示、电能表均可以正常运转。

除运行人员外,继电保护人员可以进行保护测试、调试维护等培训。

2.4 信号转接箱

信号转接箱将一次系统的数字仿真与二次系统的实际变电站综合自动化设备实时连接起来,形成一个完整的闭环数字物理混合仿真系统。

仿真系统计算出的交流电压、电流模拟量信号可通过信号转接箱输出（模拟TV、TA二次侧输出）,一次系统中的断路器和刀闸的位置、有载调压变压器分接头的位置等开关量信号通过继电器接点输出。二次系统实际设备输出的开关操作、保护跳闸、重合闸、有载调压变压器分接头位置的升、降等控制信号一方面转换为数字信号反馈至仿真系统,以便实时改变一次系统结构和运行参数;另一方面使一次设备动作。

2.5 交流放大器

交流放大器可以方便地同信号转接箱相连,把放大后的电压、电流输入到保护装置。在仿真系统设置故障,电压、电流参数可反应到保护装置,使现场一次设备动作。交流放大器有较完善的自检和自保护功能,并可方便恢复到正常工作状态。

3 数字仿真系统的建立

数字仿真系统包括图形化仿真建模系统、教练员台、电力系统暂态仿真计算系统和实时进程控制系统。图形化仿真建模系统及教练员台采用最新的基于图模库一体化技术图形建模软件,采用面向对象技术进行系统分析及设计,保证系统的稳定性和可靠性,增强了系统的可扩充性和可维护性。图形分层次管理,可以添加任意多的图层,在激活的图层上绘制图形,并分层显示图形。用计算机语言建立电源、负荷、网络结构数学模型,进行电网动态计算,具有良好的鲁棒性。

电力系统暂态仿真基于电磁暂态计算,具有固定频率电源模型,不仅能计算系统的工频电量,而且考虑了非周期、高频分量及快速的动态过程。

当仿真软件同物理设备对接时,实时进程控制系统负责整个仿真测试过程的时序和同步控制,保证计算的实时性和多路信号的同步性。

4 硬件系统的配置及性能指标

4.1 仿真主机

仿真主机采用高速双CPU计算机,负责一次系统的建模和实时计算。

4.2 信号转接箱

信号转接箱内置基于DSP的高速通信卡。仿真主机通过PCI并行总线（针对电磁暂态仿真）将信号输送至信号转接箱,信号转接箱和功率放大器分别放置到屏柜里,输出的模拟量和I/O信号直接引到装置屏柜的端子排上,各信号转接箱的输入、输出由仿真主机同步控制。

信号转接箱的模拟信号采用16位数/模输出,峰值为±10 V,开关量输入信号采用光电耦合输入,开关量输出信号采用继电器输出,接点容量不低于直流220 V/0.3 A。具有数/模转换和电压、电流输出功能,可将仿真结果转换成交流模拟量输出;具有开关量输入/输出功能,用于系统同二次设备开关量的交换;根据需要和自动化设备情况设置电压通道数、电流通道数、I/O端口数、电压、电流放大倍数及电压电流转换系数等。

4.3 交流放大器

交流放大器满足DL/T 624—1997《继电保护微机型试验装置技术条件》中5.4及5.5规定的条款,可以方便地与信号转接箱相连。硬件系统配置如图2所示。

5 应用效果

系统投入使用后已进行了变电运行、继电保护、变电检修3个工种的培训。变电运行人员能在实际设备上进行操作,拉合开关、投退压板、挂接地线、装设遮栏等操作与现场完全相同。教师可以在仿真系统任意设置故障,运行人员根据报警、二次设备的报文和现场现象进行事故处理,培训效果较好。特别是对新毕业大学生的上岗前培训,较单纯的软件仿真模拟操作更有效。

图2 硬件系统配置

在继电保护测试功能上,由于闭环测试系统比开环测试系统的动态交互效果好,可以方便地模拟系统中的多重故障和多个继电保护装置之间的相互影响。通过与实际综合自动化设备的实时连接,在培训过程中帮助学员更加深入地了解变电站设备的运行性能和工作特性。同时,学员可通过培训系统进行继电保护装置及自动重合闸装置的测试。

6 结束语

变电站数字物理混合仿真培训系统可进行数字仿真和实时测试,连接了实际的变电站二次设备及真实的一次设备,使培训更接近实际,方式更加灵活,增强了培训效果,增加了变电检修、继电保护、自动化远动等培训功能,在实际培训中反响较好。其缺点是投资大、建设周期长,仿真系统有时不太稳定,一些事故模拟需要和纯软件仿真相配合。

[1] 柏吉宽.一种新型变电站培训装置——变电站全仿真机[C].电工理论学术讨论会文集,1996.

[2] 中国电力科学研究院.变电站仿真机技术规范（DL/ T1023—2006）[M].北京：中国电力出版社,2007.

[3] 白 玮,高 平,逢建鹏,等.DTS-SOTS实时通讯接口的设计和实现[J].电力自动化设备,2002,22（6）：33 -35.

[4] 杨新民.电力系统综合自动化[M].北京.中国电力出版社,2001.