500kV多站联合变电仿真系统设计与开发

李秋燕 张洪波 姚 峰

（1.河南省电力公司培训中心，郑州 450052；2.河南省电力公司，郑州 450052）

现代电网由大向强转变，500kV主网架中新建扩建变电站相继投入运行，国内外先进的变电设备及装置大量引进使用，变电运行人员的专业素质、操作水平和电网安全稳定有着直接联系，因此他们的实践技能培训就显得日益重要和紧迫。变电站仿真培训系统是目前公认的积极有效培训手段[1-5]，它在培训学员熟悉现场设备性能、控制和保护逻辑，提高正常操作水平和反事故能力，培养镇定应对突发事件素质等方面发挥了显著作用。但就目前已开发的变电仿真培训系统而言，仍存在一些不足：

1）仿真模型不完善。仿真对象仅考虑1座孤立变电站和站内设备。现代电网500kV变电站互联性日益紧密，忽略站与站之间，站与电网之间的影响[6-7]，将导致遥测量数据和保护配合不真实，影响培训效果。

2）功能单一，适应面窄。多数变电系统不具备电网仿真功能，无法实现电网与变电站联合反事故演习，不能有效培养运行人员的全局观念和大系统概念。

为适应当前培训形势，需开发一套模型完善、适应性强、技术先进的500kV多站联合变电仿真培训系统，既对变电站所在电网进行完整仿真，又对多个变电站进行详细仿真，实现两者有机结合，为500kV运行人员提供一个良好的培训平台。

1 系统设计

500kV多站联合变电仿真系统以河南500kV和220kV主干网、所有500kV变电站为仿真对象。电网仿真是准确模拟电网在各种运行方式及事故状态下的变化过程，为变电站内一、二次设备动作响应提供数据支撑，因此电网仿真要求精确性、稳定性，实时性；变电站仿真是详细模拟站内一次设备、综合自动化系统、继电保护和自动装置等，各部分功能相对独立和完整，因此变电站仿真具有分散性、详细性。基于以上原则，该仿真系统采用“集中管理、分散计算”设计模式，即建立一个仿真主站和若干个仿真子站，主站和子站之间呈交互式、分布式结构，如图1所示。

图1 系统结构图

主站“集中管理”：一方面负责整个系统的任务调度、数据交互、子站控制等资源管理协调功能；另一方面实现电网仿真功能，负责电网模型计算，为各个子站实时提供遥测量。子站“分散计算”：各子站实现变电站仿真功能，负责接收本站对应的遥测量，进行一次、二次设备模型的计算，并向主站传送设备动作信号等开关量。主站与子站之间设计统一标准的数据接口，通过TCP/IP协议进行数据交互。这一设计模式有以下特点：

1）主站和子站的数据交互保证电网和变电站之间数据的一致性，从而实现仿真一体化。

2）分布式结构实现系统信息分流、控制分层目的，减轻主站计算压力，保证电力网络计算的实时性。

3）仿真系统具备良好的升级扩充功能，支持后期仿真子站接入，及时跟踪电网实际运行状况。

4）子站可以灵活方便地在主站上进行配置或拆卸，使得系统既可以实现多站联合培训，也可以进行单站培训，满足培训需求的多样性。

2 系统实现关键技术

500kV多站联合变电仿真系统是现代电力系统分析计算技术、图形技术和仿真技术的集成。该系统采用纯软件仿真，包括仿真支撑软件和仿真应用软件，后者分为电网仿真软件和变电站仿真软件，结构如图2所示。

图2 系统软件结构图

2.1 分布式仿真支撑软件

仿真支撑软件是衡量仿真系统技术水平的重要标志，一个先进的仿真支撑软件除了提供模型开发手段外，还应对整个仿真系统的资源进行管理和协调。本系统开发了完全建立在Windows平台上SDSS2000（Simulation Development Supporting System 2000 version）仿真支撑软件，它是本仿真系统的控制、管理中枢，适应系统分层分布式结构，在主站和子站计算机上都有驻留程序，集仿真管理、仿真开发、仿真培训功能于一体。

在仿真管理方面，SDSS2000是联系系统各部分的纽带，是分布式仿真系统的核心，负责通讯管理、系统配置管理、数据分布管理、权限管理、应用程序接口管理、仿真时间管理等。仿真应用间不直接通讯，所有网络通讯功能由支撑软件实现，它根据各个仿真应用的需求调度整个系统的数据分布，将信息发送到需要的地方。系统配置管理能够将分布在局域网上的多个计算机节点按照功能需求组成一个独立应用子系统，灵活配置成不同的运行模式，满足不同层次和不同数量人员培训要求。

在仿真开发方面，SDSS2000作为开发工具一方面为模型软件提供位置透明、高效的虚拟运行环境；另一方面支持模块化建模，实现模型软件的建立、修改、调试、运行、输出等功能。模型软件是描述仿真对象工作原理和运行过程的应用软件，在模块化建模环境中，通过输入、输出和系数的配置建立模块，并依据物质流向和控制信息流向将这些模块一一连接起来，构成仿真设备的抽象模型，反映其物理规律和工作原理。

在仿真培训方面，SDSS2000实现教员台所有功能，如初始运行方式整定存储或调用、仿真系统运行或冻结、故障设置、培训监管等。教员台既可以运行于服务器，对局域网计算机节点灵活配置实现不同培训形式，也可以运行于受控站任意一台计算机，实现单站仿真培训。

2.2 精确的电网仿真计算

电网仿真是整个仿真系统的基础和关键，为变电站仿真提供遥测量，这些数据直接影响受控站各种设备和装置动作正确性。电网仿真采用稳态、电磁暂态分析计算方法准确模拟电网在各种运行方式及事故状态下的变化过程，完整精确地对现场各种行为进行全范围仿真，其软件包括的模块有：外网等值、网络拓扑分析、潮流计算、频率计算、故障计算。电网仿真模型除河南500kV和220kV主干网之外，还需考虑华北、西北、华中外部互联电网，它们对分析计算结果有重要影响，该系统采用实用的静态等值法方法对外部电网进行合理等值。在网络拓扑分析时，采用变电站级和网络级二级搜索策略，确定计算用的节点和支路，并解决电网解列和电气孤岛问题。故障计算能够完成单一故障和复杂故障计算，支持仿真系统进行单重或多重、连续故障的培训。

2.3 先进完善的变电站仿真

变电站仿真是模拟变电站设备及其运行过程，包括一次设备、监控系统、五防系统、继电保护装置等，它们之间相互独立，通过仿真支撑软件SDSS2000通信交互，搭建组合成变电站仿真系统。

1）基于三维虚拟现实技术一次设备仿真

变电站一次设备仿真包括开关、刀闸本体及操作机构，主变本体及冷却系统、有载调压装置，防误系统，PT及CT，低压交流设备仿真，它由模型软件和图形平台共同支撑实现。模型软件反映一次设备的工作原理，支持图形平台图元的动态响应；图形平台支持一次设备的直观显示和动态操作。该系统开发三维虚拟仿真（3D virtual Simulation）图形平台[8]，采用三维虚拟现实技术动态加载大型三维场景，对变电站进行 1∶1全方位三维仿真，真实还原变电站户外设备区，形象模拟设备外观、可操作部分、表计指示、设备异常或故障现象，实现在虚拟场景中巡视、检查、操作设备，如图3所示。一次设备的三维仿真提高了系统的真实感、临场感。一次设备模型软件设置有完备的设备缺陷库，例如接触点过热、瓷瓶闪络、电弧放电等，这些异常故障发生后能够在三维虚拟场景中触发光电、声响等逼真现象。

图3 一次设备三维虚拟场景

2）先进完善的综合自动化系统仿真

变电站综合自动化系统仿真对象是各个真实变电站的综合自动化系统，包括监控系统和五防系统。仿真内容包括表现层和业务层，表现层即各个变电站的综合自动化系统可视化界面，需要给人以直观的视觉反馈；业务层即综合自动化系统功能体现，包括设备状态监视、告警浏览、设备操作、流程控制等。本仿真系统采用视窗表示基础技术 WPF（Windows Presentation Foundation）和视窗工作流基础WWF（Windows Workflow Foundation）开发综合自动化系统仿真。WPF可以在较小的开销下创建复杂的图形，在监控系统和五防系统中创建表示不同设备的图元组件，从而在此基础上构建复杂的监视管理图形，如图 4所示；WWF可以创建基于顺序以及基于状态的工作流，还可以在工作流中嵌入循环等逻辑处理分支，在监控系统中可以表现对告警浏览及不同的处理流程，两者实现了表现层和业务层的完美结合。

监控系统具有动态操作、动态显示、参数监视、故障告警、遥信显示、报警信息分类等功能。五防系统包括五防机、虚拟电脑钥匙、虚拟程序锁，具备与现场实际相同的闭锁逻辑，可实现五防投退、模拟操作、传送操作票、操作闭锁等功能。五防系统在退出状态时可以随意操作设备，模拟误操作自然引发故障，让学员在没有防误闭锁的环境中，切实提高变电运行的技能和水平，同时对变电站容易发生事故的环节和运行规程加深理解，增强处理复杂和紧急事故的能力。

图4 监控系统界面

3）基于定值驱动的继电保护仿真

变电站继电保护装置是仿真真实变电站各个保护小室的设备以及电网中需要配合的保护设备，包括：线路保护、主变保护、母线保护、电容器保护、电抗器保护、断路器保护及断路器辅助操作箱等。继电保护仿真同样是由模型软件和保护屏图形软件共同支撑实现。

继电保护模型与实际一致，由测量、逻辑、动作环节组成，能够正确模拟保护的启动特性、复归特性和时间特性。模型软件按照微机保护工作原理搭建标准化模块，同类设备采用同类模块，即有着相同的输入输出参数。该系统继电保护仿真采用定值法驱动装置的动作逻辑，模拟保护之间的相互配合，在异常或事故状态下，继电保护装置的信号、表计、液晶事件报告与现场实际一致，并且能够反映保护通道异常、装置异常、CT及PT回路断线对保护动作行为的影响。

保护屏图形软件实现微机保护装置的信号指示、信号复归、元件操作的仿真。通过实景菜单的方式，可以选择任一个保护屏，屏面布置与实际装置完全一致，屏面上的动态点，如切换把手、按钮、小开关、压板等元件均可操作，它们的状态改变均会影响保护动作行为。

3 系统功能

500kV多站联合变电仿真系统实现电网仿真与变电站仿真有机结合，从仿真效果来看，不仅体现了电网结构的完整性和运行状态的实时性，还体现了变电站设备模拟的详细性和设备动作的真实性。该系统集监视、操作、异常和故障仿真等功能于一体，具备丰富的培训形式和完善的培训功能。

3.1 联合反事故演习功能

主站和各子站联合运行，构造一个虚拟的电力系统和操作环境，实现电网运行人员和变电站运行人员闭环模拟培训，加强反事故演习的互动性，真实性和系统性，克服了传统的仿真培训系统在联合反事故演习中实时信息只能为本地演习方提供，无法被其它参演方所共享的不足。该仿真系统可以设置对称、不对称、多重、连续故障，支持学员观察事态发展和不同事故引发的各种现象，允许学员进行故障后的恢复操作，培养运行人员对事故处理的决策能力和相互协调能力。

3.2 单个变电站仿真培训功能

单个变电站独立运行，模拟单站正常运行或故障状况对电网的影响，使得运行人员熟练掌握基本运行操作，规范流程，了解事故发生的现象、原因、变化过程，总结积累事故处理的经验，可作为日常培训和学习之用。

3.3 电网运行方式的模拟计算分析功能

利用仿真系统构建的虚拟电力系统模型，模拟计算发电机出力、区域交换功率等，研究电网运行计划，分析电网运行方式安排的合理性；利用仿真系统中全网继电保护和自动装置的动作行为，校验保护方案制定的有效性。这些应用进一步扩大了仿真培训系统的功能。

4 结论

500kV多站联合变电仿真系统提出电网仿真和变电站仿真相结合的一体化思想，利用分布式支撑仿真系统、电力网络分析计算、三维虚拟现实、WPF及WWF等技术实现多个500kV变电站联网仿真。整个系统功能完善、适应性强、技术先进，并推进了电力仿真技术发展，最大限度地提升自身应用价值。该系统已于2009年10月份投入现场使用，为提高电网运行的安全性发挥了显著作用。

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