智能变电站二次系统综合仿真培训平台设计和研制

纪陵，裘愉涛，仇群辉，江伟建，史建立

（1．国电南京自动化股份有限公司，南京210003；2．浙江电力调度控制中心，杭州310007；3．国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江嘉兴314000）

智能变电站二次系统综合仿真培训平台设计和研制

纪陵1，裘愉涛2，仇群辉3，江伟建3，史建立3

（1．国电南京自动化股份有限公司，南京210003；2．浙江电力调度控制中心，杭州310007；3．国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江嘉兴314000）

针对智能变电站二次系统各专业培训的新需求，设计并研制了面向变电站二次系统多专业的智能变电站二次系统综合仿真培训平台。采用数字仿真和物理仿真相结合的混合仿真模式，并通过将数字仿真平台上产生的录波文件在物理仿真平台中进行数字化回放，实现了2套不同形式的仿真培训模式的有机结合。提出一种基于通用平台的继电保护数字仿真技术，构建了智能变电站数字化实时仿真培训环境。基于多态技术，在实时态和培训态环境下同时实现了智能变电站变电运行操作和二次检修维护操作的仿真培训。基于SCD智能装置输出数据集的分层次的图形化二次虚回路设计和虚端子连接及比较技术，实现了智能变电站二次虚回路和虚端子连接的可视化的设计培训，满足智能变电站设计专业的培训需求。

仿真；培训；数字化回放；继电保护；虚端子；可视化连接

0 引言

变电站二次系统包括了设计、运行、检修、维护等多个专业岗位的职责和技术，目前大多数仿真培训系统主要针对的是变电站运行值班人员以及电网调度运行人员，还没有面向设计、运行、检修、维护等多个专业的变电站综合仿真培训平台[1]。与传统变电站相比，智能变电站的设计、运行、检修、维护也发生了很大的变化[2]。随着智能变电站二次系统的自动化、信息化水平和集成度越来越高，对智能变电站二次系统的运行、检修和维护人员的技术水平和要求也越来越高。由于变电站运行、检修和维护人员对智能变电站的新结构、新技术缺乏认识和了解，直接影响了智能变电站的运行、检修和维护工作。因此，需要建立一个面向智能变电站二次系统各专业的智能变电站二次系统综合仿真培训平台，通过该平台可以熟悉智能变电站新的设计、运行、管控模式和高级应用等新功能的使用，掌握智能变电站设计、配置、运行维护、检修的新技术手段，不断提高智能变电站运行维护水平。

本文介绍面向变电站二次系统多专业的智能变电站二次系统综合仿真培训平台的设计，实现了对智能变电站二次系统设计、运行、检修、维护等多专业仿真培训需求的一体化集成。该系统已在浙江省电力公司嘉兴供电公司大二次实训基地投入应用，取得了很好的培训效果。

1 面向多专业的智能变电站二次系统综合仿真培训平台功能

1.1 变电运行专业

随着智能变电站一体化五防操作票、顺序控制、智能告警及故障综合分析等高级应用功能的不断推广和应用，智能变电站变电运行监控模式也在悄然发生着变化。变电运行人员可以通过智能变电站二次系统综合仿真培训平台，掌握变电站运行一体化五防操作票、变电运行倒闸操作及顺序控制、故障快速恢复等变电运行操作模式。

1.2 二次保护专业

智能变电站用数字化的二次虚回路代替了传统二次电缆，其新型保护控制体系与传统变电站相比也有很大的改变。二次保护专业的运维人员可以通过智能变电站二次系统综合仿真培训平台，尽快熟悉智能变电站二次系统数字化虚回路的连接方式，了解保护动作逻辑，通过各类型新型保护设备的保护试验和保护动作行为回放，尽快了解和熟悉智能变电站新型保护控制系统。

1.3 检修专业

智能变电站中的硬压板很少，二次装置的检修及功能投退等操作越来越多地通过二次设备软压板进行设置，智能变电站的检修安措操作与传统变电站相比也发生了一些变化。变电站二次检修专业人员通过智能变电站二次系统综合仿真培训平台，可以尽快熟悉智能变电站二次设备检修及安措的相关操作方法和流程，掌握各种类型二次设备的异常处理和故障恢复。

1.4 设计专业

智能变电站二次设备之间通过数字化二次虚回路实现了采样信息和开关量信号的传输及控制命令的交互，二次系统虚端子连接的配置在SCD（变电站系统配置文件）中实现，智能变电站二次系统设计人员可以通过智能变电站二次系统综合仿真培训平台，尽快掌握基于SCD系统配置器的智能变电站二次虚回路设计和虚端子连接的新型设计和配置模式。

2 总体方案设计

为了满足智能变电站二次系统运行、保护、检修及设计等各专业人员的培训要求，智能变电站二次系统综合仿真培训平台采用了数字仿真培训和物理仿真培训相结合的模式，并考虑采用标准格式的数字录波文件实现数字仿真培训系统软件和物理仿真培训装置之间的数据交互，从而实现了数字仿真培训和物理仿真培训的有机结合，构建了面向变电站二次系统各专业的智能变电站二次系统综合仿真培训平台。

智能变电站二次系统综合仿真培训平台的数字仿真培训部分，主要由一次系统仿真子系统和二次设备仿真子系统组成，一次系统仿真子系统既可以实现各种典型的暂态故障仿真，还可以实现变电稳态运行的仿真。通过开发一次和二次仿真子系统之间的信息交互接口，实现了二次设备仿真子系统的采样通道和一次互感器采样仿真输出的连接。二次设备仿真子系统采用了继电保护虚拟仿真技术，基于通用服务器，实现对各种类型的二次保护功能的虚拟仿真，完成与现实物理装置同样的保护逻辑和通信功能。为了达到和真实二次设备一样的培训效果，二次设备仿真子系统还实现了和真实物理二次设备一样的装置面板和人机操作界面的仿真。

智能变电站二次系统综合仿真培训平台的物理仿真培训部分主要由过程层仿真设备和间隔层设备组成，过程层仿真装置实现了过程层多台合并单元和智能终端的仿真集成，通过与间隔层保护设备的连接，支持各种典型的保护试验。过程层仿真装置还支持接入标准的Comtrade文件（是电力系统暂态数据变换的通用格式），并能实现对故障录波中采样值和开关量的同步输出，联合间隔层保护装置，实现保护动作行为回放和故障回溯。

智能变电站二次系统综合仿真培训平台还设置了变电运行和二次检修运维仿真培训子系统，并基于IEC 61850的MMS（一种报文规范）实现变电运行和二次检修运维仿真培训子系统与二次设备仿真子系统的通信连接，构建了完整的变电站仿真培训环境。基于变电运行和二次检修运维仿真培训系统，可以进行智能变电站各类典型的变电运行操作、故障恢复以及检修安措等操作，并能实现培训操作的记录和考评。

培训平台还具有智能变电站二次虚回路设计和虚端子连接及配置培训模块，通过提供可视化的虚端子连接和比较，实现和传统二次系统相似的二次回路设计模式，使二次设计人员能够快速掌握智能变电站二次系统虚端子的连接和配置方法，提升二次设计人员基于SCD系统配置器进行智能变电站二次回路设计和虚端子连接配置的技能。

3 综合仿真培训平台的组成和结构

智能变电站二次系统综合仿真培训平台由一次仿真子系统、二次设备仿真子系统、过程层仿真装置、保护及测控装置、变电运行和二次检修运维仿真培训子系统、二次系统设计培训模块等设备组成，基本结构如图1所示。

图1 智能变电站综合仿真培训平台结构

3.1 智能变电站一次仿真子系统

一次仿真子系统具有丰富的电力系统一次元件模型，能够灵活搭建电网一次系统，根据电网一次系统的结构、元件参数以及实时状态和运行方式，对变电站一次系统的运行及潮流进行仿真计算，并能够模拟各类典型的金属性故障，实现一次系统稳态运行仿真和暂态故障仿真，同时将一次系统稳态运行和暂态故障信息通过采样通道传递给二次设备仿真子系统，并接收二次设备仿真子系统的倒闸操作命令或保护动作出口命令，实现了一次、二次仿真子系统的双向交互。一次仿真子系统的逻辑结构示意如图2所示。一次仿真子系统在接收到二次仿真子系统的倒闸操作命令或保护动作出口命令后，对应的开关会变换状态，并改变运行方式，此时，一次仿真子系统的电网潮流会重新计算，并再次通过采样通道将新的电网运行状态传递给二次设备仿真子系统，实现一次、二次系统运行仿真的实时闭环交互。

图2 一次仿真子系统逻辑结构

3.2 智能变电站二次设备仿真子系统

智能变电站二次设备仿真子系统采用基于通用平台的继电保护数字化仿真技术，实现了各类型继电保护装置的功能仿真。二次设备仿真子系统对各类型继电保护装置进行功能抽象，分解出每个装置所具有的硬件配置、软件属性和保护逻辑，从而建立通用的二次设备仿真平台，并采用逻辑图的方法实现装置硬件输入/输出的定义和保护动作逻辑的图形化表达。图3所示为将1台保护装置分解为硬件配置、软件属性和保护逻辑3个部分，并通过可视化逻辑图实现保护动作和控制逻辑的可视化组态定义。基于二次设备通用仿真平台，可以实现二次仿真设备硬件配置、软件属性和保护逻辑的快速可视化配置，通过动态编译技术，将不同的硬件配置、软件属性配置、算法文件编译成DLL动态链接库，实现了基于通用服务器的不同类型保护装置的仿真[3，4]。为了满足继电保护的实时性要求，二次设备仿真子系统采用了基于多线程编程技术，直接对操作系统线程进行控制，既满足了继电保护实时仿真的要求，也实现了基于通用服务器的多设备仿真，同时通过对通用服务器网卡绑定多IP地址的方式，实现了虚拟二次设备多服务端通信的仿真[5]。为了实现对真实二次设备的仿真，二次设备仿真子系统还对实际装置的人机接口进行了仿真，构建人机接口仿真的动态链接库，在通用服务器上进行二次设备仿真时，可以完全模拟实际二次设备的面板显示和操作，从而大大提高了二次仿真系统的培训效果。

图3 二次仿真设备功能逻辑分解

3.3 智能变电站过程层仿真装置

过程层仿真装置实现了合并单元和智能终端多设备一体化集成仿真，同时还具有开关量信号和交流模拟量采集的功能。1台过程层仿真装置可以具备多个开关量和模拟量输出通道，通过选配不同通道类型的交流插件，既可采集传统TA/ TV输出的二次模拟信号，也可实现二次输出模拟量的数字采样及同步，并按照DL/T 860 9-2《变电站通信网络和系统第9-2部分：特定通信服务映射（SCSM）映射到ISO/IEC 8802-3的采样值》标准的规约格式，向站内保护、测控、录波等智能电子设备输出采样值，满足了智能变电站保护、试验和培训的要求。为了实现智能变电站的录波回放和保护动作行为验证，过程层仿真装置能够导入一次仿真子系统生成的故障录波文件，并基于Comtrade文件的录波通道数据、录波频率及SV（采样值）/GOOSE（面向通用对象的变电站事件）报文模板信息和变电站SCL信息（变电站的配置信息）相匹配，生成标准的GOOSE报文，同时通过过程层仿真装置的现场可编程工具和辅助工具对SV数据进行差值拟合，得到标准SV报文，通过设计延时模块，实现基于录波文件开关量生成的GOOSE报文和SV报文的同步输出，并将GOOSE和SV报文通过网络传输给保护装置，实现了保护动作行为验证和故障回溯的仿真培训要求。

3.4 智能变电站变电运行和二次检修运维仿真培训子系统

变电运行和二次检修运维仿真培训子系统既能基于IEC 61850标准实时接入间隔层实际物理装置和二次仿真设备，实现变电运行和二次检修维护的实时仿真培训，同时也能利用变电站监控系统的多态技术，以实时态为蓝本，通过复制与实时态环境下的数据库完全相同的镜像数据库，构建培训态环境下的数据对象库，可以在培训态环境下实现与实时态环境下相同的应用。在智能变电站培训态环境下，可以不依赖于间隔层的二次设备，独立实现变电运行和二次检修运维的仿真培训，提高了变电运行和二次检修运维仿真培训的灵活性、适应性和快速响应。培训教员通过变电运行和二次检修运维仿真培训子系统，可预先在培训态中设置多套变电运行和二次检修运维的培训环境，学员在培训态下选择相应的培训环境，可模拟进行变电站五防操作票、一次倒闸运行操作、顺序控制、二次检修运维操作和故障恢复等一次、二次设备仿真培训操作，变电运行和二次检修运维仿真培训子系统能够在培训态环境下实现各种一次、二次控制流程的闭环，可以模拟各类变电运行和二次设备检修运维操作的完整流程，并提供与实际设备和元件控制相一致的操作界面，使学员能够快速熟悉智能变电站各类型控制流程和设备的操作方法。此外，变电运行和二次检修运维仿真培训子系统还能够记录学员的所有培训操作步骤，并能够与教员预先设置的基准操作步骤进行比较，对学员的培训操作进行评判和指导，提升了变电运行和二次检修运维培训的效果。

3.5 智能变电站二次回路和虚端子连接设计培训子系统

智能变电站二次回路和虚端子连接设计培训子系统，基于智能变电站SCD系统配置器，实现智能变电站二次回路和虚端子连接的可视化设计，并通过网络将配置完成后的SCD及CID（智能电子设备的实例配置文件）配置文件导入二次设备仿真子系统和过程层及间隔层的物理装置中，完成智能变电站二次系统虚回路的设计和配置。此外，为了尽快让设计人员能直接使用SCD系统配置器进行智能变电站二次回路和虚端子连接配置的设计，并能够采用二次设计人员习惯的设计和二次回路图形化绘制模式，改变传统的基于类表格模式的虚端子连接配置方式[6]，在智能变电站二次回路和虚端子设计培训子系统中设计了虚端子连接设计的可视化配置和可视化比较功能，学员通过智能变电站二次回路和虚端子连接设计培训子系统，根据典型变电站一次接线和二次系统配置，完成保护、测控和过程层设备之间的虚端子连接设计和配置，生成SCD配置文件，并能和教员预先配置的包含典型变电站虚端子连接配置的基准SCD配置文件相比较，通过可视化的手段显示出多配、错配、漏配的二次虚回路，实现智能变电站二次回路和虚端子连接设计培训和可视化校核。学员通过可视化比较功能，可以看出多连、错连和漏连的二次虚回路，使智能变电站二次回路和虚端子连接设计培训的效果更好。

4 结语

智能变电站是未来电网的发展趋势，也是建设统一坚强智能电网的重要基础和支撑。与传统变电站相比，智能变电站二次系统的设计、运行、检修和维护等各专业都发生了很大的变化，亟需建立适应智能变电站新技术和新的运行、维护及管控模式的综合仿真培训平台，以满足智能变电站二次系统各专业新的培训需求。本文介绍的面向多专业的智能变电站二次系统综合仿真培训平台，较好地体现了智能变电站新的技术特点，满足了智能变电站新的培训需求，并实现了智能变电站二次系统设计、运行、检修、维护等多专业仿真培训的一体化集成。该仿真培训平台以实际工程应用为模型，设计了若干个典型的培训场景，使参训人员能快速掌握智能变电站二次系统各种典型设计、功能应用和运行维护的技能，并在国网嘉兴供电公司大二次实训基地投入应用，取得了很好的培训效果。

[1]韩念杭，王苏，张惠刚，等．面向维护人员的变电站自动化技术培训系统[J]．电力系统自动化，2007，31（2）∶88-90．

[2]韩小涛，尹项根．数字化变电站二次回路通信模式研究[J]．中国电力，2009，42（2）∶70-74．

[3]冯正伟，毕天姝，徐贵光．变电站运行仿真分析系统[J]．电力自动化设备，2009，29（11）∶105-108．

[4]李志兴，蔡泽祥，许志华．继电保护装置动作逻辑的数字仿真系统[J]．电力系统自动化，2006，30（14）∶97-101．

[5]刘焕志，胡剑锋，李枫，等．变电站自动化仿真测试系统的设计和实现[J]．电力系统自动化，2012，36（9）∶109-112．

[6]高亚栋，朱炳铨，李慧，等．数字化变电站的“虚端子”设计方法应用研究[J]．电力系统保护与控制，2011，39（5）∶124-127．

（本文编辑：龚皓）

下期要目

●1 000 kV安吉变电站接地网接地电阻试验研究

●500 kV常规变电站智能化改造方案的探讨

●基于粒子群算法的VSC-HVDC控制参数优化

●采用同步变化量的超高压线路保护启动判据的研究

●300 MW机组锅炉燃烧系统低NOX改造与效果分析

●海岸换流站设计潮位和波浪的重现期标准分析

●高压直流输电CSD控制功能分析

●电力行业呼叫中心话务预测方法的探讨

●基于多信息融合的电动汽车保有量预测模型研究

●直流定相方法在输电线路相位检查中的应用

Multiple Professional Oriented Intelligent Substation Secondary System Comprehensive Simulation Training Platform

JI Ling1，QIU Yutao2，QIU Qunhui3，JIANG Weijian3，SHI Jianli3
（1.Guodian Nanjing Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210003，China；2.Zhejiang Electric Power Dispatch and Telecommunication Center，Hangzhou 310007，China；3.State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314000，China）

To meet various professional training requirements on secondary system of intelligent substation，comprehensive simulation training platform for secondary system of intelligent substation oriented to multi-professions is developed and designed.The comprehensive simulation platform adopts hybrid simulation mode combing digital simulation with physical simulation.Through replaying record file generated from digital simulation platform on physical simulation platform，the two simulation training modes are organically combined. The paper proposes a digital simulation of the relay protection technology based on the common platform to build the intelligent substation digital real-time simulation training environment.Based on polymorphic technology，the intelligent substation operation and the secondary overhaul maintenance operation simulation training under the real tenses and training environment are achieved.The hierarchical and graphical secondary virtual circuit design and virtual terminal connections and comparison technology based on the SCD intelligent device output data set actualize intelligent substation visualization design training of secondary virtual circuit configuration and virtual terminal connections，which meets the demand of professional training of intelligent substation design.

simulation；training；digital replay；relay protection；virtual terminal；visualization connection

TM769

：B

：1007-1881（2014）12-0030-05

国网浙江省电力公司科技项目“智能变电站二次仿真培训系统”

2014-09-12

纪陵（1982-），男，江苏泰州人，工程师，主要从事智能变电站自动化监控系统的开发设计工作。