智能变电站培训仿真系统的研究与开发

张　丰，郭碧媛，朱　菁，高秋峰，陈余航

（1.国网福建省电力公司福州供电公司，福州　350009；2.国网福建省电力公司管理培训中心，福州　350009）

智能变电站培训仿真系统的研究与开发

张丰1，郭碧媛1，朱菁2，高秋峰1，陈余航1

（1.国网福建省电力公司福州供电公司，福州350009；2.国网福建省电力公司管理培训中心，福州350009）

为有效提升智能变电站运行人员的培训质效，研究和开发了智能变电站培训仿真系统。将真实监控系统引入变电站仿真培训系统，开发基于SCD文件解析的网络通信仿真模块，采用定值与逻辑结合的方法仿真二次设备，利用三维虚拟场景模拟设备外观、主设备内部结构和原理，可实现智能变电站设备巡检、设备操作、异常及事故处理等培训。

仿真；SCD；逻辑仿真；定值仿真；虚拟仿真

0　引言

智能变电站已在国内多个省投运，但目前对运维人员的技能培训远远落后于智能变电站的发展应用，因此，开展智能变电站的运维培训势在必行。

变电站仿真技术在传统变电站培训系统上的应用已经成熟，但对智能变电站培训仿真系统的研究还比较少。文献［1］采用数字物理混合仿真，一次系统和间隔层设备采用软件仿真，过程层设备利用硬件搭建模拟设备的方案。文献［2－3］也采用数字物理混合仿真方法，不同的是二次系统采用的是真实的设备，一、二次系统通过高速实时总线连接。该培训仿真系统适合继电保护、自动化、变电运行人员的培训，但是系统投资大，一次培训的人数有限，无法开展大规模的运维人员培训。文献［4］采用纯数字仿真，在传统变电站数字仿真基础上引入故障推理数据库，以此模拟智能变电站的故障异常，这种方式培训深度有限，取决于故障推理数据库案例收集的广度。开发一种智能变电站培训仿真系统，采用全数字软件仿真，引入真实监控系统，建立基于IEC61850标准的智能二次设备模型，深度解析智能变电站系统配置文件用以仿真智能变电站的二次网络系统，适合对运维人员和监控人员开展培训。

1　系统结构

仿真系统结构如图1所示，包括5个部分：监控模块、一次系统模型、二次设备模型、智能变电站场景三维仿真、教员系统和培训评估考核系统。仿真平台采用CYBERSIME图模库一体化仿真支撑系统，可以实现快速图形建模。该系统提供几百个基本二次模型算法和模块封装功能，可以实现无限级的模块封装，搭建各种复杂的二次设备模型。二次设备模型与一次设备之间建立了无缝连接，能方便准确地实现二次设备与一次系统之间的数据交换。

图1　智能变电站仿真系统结构

1.1监控模块

监控模块采用真实的综自监控系统，即把真实的监控系统直接作为仿真系统的人机交互子模块。这种方式的优点在于监控系统完全与实际一致，浏览画面、监控功能、操作方式以及信号查看等与实际一样，有利于增强培训效果。

真实的监控系统基于IEC61850标准建设，与仿真平台的信息交互需通过网络通信模块实现。

1.2一次系统模型

一次系统模型包括一次电网模型和一次设备模型。一次电网模型通过网络拓扑自动分析电网结构动态进行潮流计算和短路故障计算，获得各节点电压、电流值（包括幅值和相角）储存入仿真平台数据库供其他模块使用。一次电网模型能根据各种运行方式计算各节点电压、电流值，也能根据用户对负荷的调整计算调整后的电压、电流值；能根据用户设定的故障位置、类型和当前运行方式进行短路计算获取故障后各节点电压、电流值。

一次设备模型依据设备物理机理建立，仿真设备的全工况动、静态特性，包括变压器、断路器、隔离开关、母线、电容器等设备的运行工况和操作。

1.3电网二次设备模型

二次设备模型在仿真平台中已经实现了图形化的模块建模应用，其算法采用智能二次设备的真实算法。继电保护装置、自动装置等二次设备根据节点电压、电流展开定值分析，依据分析结果来触发启动动作和监控信号。其他二次设备，如网络设备，根据设置的故障、异常情况按照事先设定的逻辑执行相关的动作行为，并触发相应的信号，如模拟主变内部故障触发非电量保护动作、模拟光纤断链导致相关保护出现异常等。

1.4智能变电站场景三维仿真

模拟智能变电站的实际场景，如开关室、保护控制室、主变室，具备变电站巡视功能；模拟变电站一、二次设备的操作，如开关（包括隔离开关）、继电保护压板、控制电源操作。

本系统三维仿真还具备设备内部结构浏览和工作原理的三维动画展示，特别对SF6全封闭组合电器（GIS）内部结构进行三维展示，填补了国内仿真系统的空白。

1.5教员系统和评估考核系统

教员系统可灵活控制培训的模式、内容和进程，对培训过程进行控制、监视和管理。可在教练员台上根据培训需要自动生成教案、试题，设置、激发各种单个或复合故障。

评估考核系统能记录用户在仿真机系统上的所有操作，根据设置的评分规则实现计算机自动评分功能。还具有集中培训考核功能，即教练员可以对考核全过程进行集中监督管理，包括试题分发、学员状态监视、操作结果收集等。

2　仿真内容

2.1基于SCD文件深度解析的网络通信仿真

变电站配置描述文件SCD用来说明各个孤立的智能设备（IED）是怎样整合成为功能完善的变电站自动化系统的，包括所有IED的描述、变电站描述以及通信系统描述［5-9］。

SCD文件是基于XML语言的文件［5-9］。对SCD文件的解析就是对XML文件的解析。目前对于XML文件的解析方法有多种方式［10］，考虑到SCD文件的层级结构特点以及方便数据的修改和交换，采用基于文档对象模型 （Document Object Model，DOM）方法。DOM是一个独立于平台和语言的处理文档信息的常用处理方法，其接口提供了一种通过分层对象模型来访问XML文档信息的方式，这些分层对象模型依据XML的文档结构形成一棵DOM树。开发人员可以在树形层次结构中查询、更改XML信息。

SCD文件本身节点非常多，逐个遍历十分耗时，所以引入 XML路径语言 （XML Path Language，Xpath）技术。Xpath是一门在XML文档中查找信息的语言［11］，用于在XML文档中通过元素和属性进行导航。通过Xpath的遍历快速定位目标节点。

首先利用DOM API将XML文档中的数据以树的形式展现出来。然后使用Xpath技术查询DOM树筛选需要的节点，将节点信息加载入关系数据库中，用户通过人机对话框实现对SCD文件的操作，如可以浏览、修改、添加、删除SCD文件，从而实现模拟SCD文件配置。SCD文件解析程序流程如图2所示。

图2　SCD文件解析流程

2.2基于定值和逻辑混合的二次设备仿真

二次设备仿真通常有逻辑仿真和定值仿真两种方法。逻辑仿真依靠事先设定的逻辑规则以及网络接线搜寻确定动作逻辑，能满足速动性和选择性的要求，但对复杂故障，尤其是需要后备保护配合动作的故障，逻辑关系不易配合，会造成错误的动作逻辑；定值仿真建立详细的数学模型，以短路电流计算结果为依据，判断保护动作逻辑，仿真结果更真实，逻辑关系简单，但系统的维护量大，对通过非电量元素启动的动作逻辑无能为力，如主变非电量保护、通信故障等。

采用定值仿真和逻辑仿真相结合的方式，对电量启动的继电保护装置，建立详细准确的数学模型，采用真实的继电保护装置原理判断动作逻辑，通过设置合适的启动定值实现继电保护动作行为；对非电量元素启动的二次装置，建立逻辑规则库，根据事先设定的规则判断动作逻辑，如GOOSE断链、交换机故障、控制电源消失等。

2.3基于虚拟仿真技术的三维仿真

2.3.1三维模型建立

三维模型［12］数据来源主要有两方面：图像和CAD平面图。模拟建立工具采用3D-MAX技术。由于设备内部结构图纸涉及厂家的商业机密，不易获取，无法通过图像方式进行建模，因此，本系统在建立三维模型时采用图像和几何结合的方式，设备外观采用图像建模，如图3所示；设备内部结构采用几何建模，如图4所示。

图3　设备外观模型

图4　设备内部结构

3D-Max次时代烘焙模型和贴图烘焙技术已基本成熟，通过它可以将高细节模型贴图烘焙出来，最后在3D-Max里将高细节贴图给低面数模型，将光照信息变成贴图，既可以充分表现出模型的细节，也可以减少渲染负荷，同时减轻CPU的负担，达到视觉和性能的平衡。本系统首次把该项技术引入变电站三维仿真，用于提高计算机系统运行速度，保证三维仿真模型的逼真度和用户体验。

2.3.2三维虚拟场景的集成和驱动

三维虚拟场景集成驱动就是利用三维仿真平台将三维模型进行渲染、交互，让用户身临其境并互动。本系统的三维仿真集成平台采用Virtools。Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，功能强大，在网游开发、多媒体、建筑设计、教育培训等方面得到广泛应用。

将三维模型导入到三维仿真集成平台中进行集成，对模型进行相关编辑，如设置纹理、增加模型场景特效；多媒体信息（包括音频、视频、图片、图片备注信息等）集成；利用界面设计模块开发出系统界面，最后打包发布三维虚拟仿真模块。

2.4应用

系统已在福建省培训中心开展过多期针对智能变电站运维人员的培训，培训内容涵盖智能变电站一二次设备巡检、倒闸操作、智能变电站异常及事故处理等内容，收效良好。其中，重点培训智能变电站区别于常规变电站的内容，如智能变电站的检修机制、合并单元与智能终端的功能作用、GOOSE与SV网络信息传输以及智能设备运维危险点分析与预控措施。

3　结语

开发的智能变电站培训仿真系统采用纯软件仿真，首次将真实的监控系统引入变电站仿真培训系统，达到仿真信号和实际信号一致；开发了真实监控系统与仿真培训系统的通信模块，该通信模块能获取IED设备的输入输出关系以及各IED设备之间的虚端子连接关系；采用定值与逻辑仿真结合的方式仿真二次设备；采用三维虚拟技术建立设备三维场景仿真，不仅展示智能变电站设备外部场景仿真，而且能展示一次主设备的内部结构和动作原理。下阶段，将针对智能变电站的网络部分开展数字仿真研究。

［1］张炳达，吴鹏.智能变电站培训仿真系统过程层设备研究［J］.电源技术，2013，37（6）：1 025-1 027.

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［3］刘丰莲，刘艳，徐伟，等.智能变电站混合仿真培训系统的架构研究［J］.企业技术开发，2014，33（15）：4-6.

［4］张洪波，李秋燕.220kV智能变电站仿真培训系统的研究与开发［J］.电气应用，2012，31（23）：30-33.

［5］高翔.智能变电站技术［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［6］周晓龙.智能变电站保护测控装置［J］.电力自动化设备，2010，30 （8）：128-133.

［7］宋杰，高亮，鲍伟，等.基于协同测试系统的智能变电站GOOSE虚端子关联检测研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（24）：138－142.

［8］樊陈，陈小川，马彦宇，等.基于IEC61850的变电站配置研究［J］.继电器，2007，35（8）：41-44.

［9］吴永超，王增平，吕燕石，等.变电站配置语言的应用及解析［J］.电力系统保护与控制，2009，37（15）：38-41.

［10］冯进，丁博，史殿习，等.XML解析技术研究［J］.计算机工程与科学，2009，31（2）：120-124.

［11］左伟民.完全掌握XML：基础概念、核心技术与典型案例［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

［12］徐健.三维虚拟仿真关键技术和示范应用［D］.南昌：江西师范大学，2013.

Research and Development of Intelligent Substation Training Simulation System

ZHANG Feng1，GUO Biyuan1，ZHU Jing2，GAO Qiufeng1，CHEN Yuhang1
（1.State Grid Fuzhou Power Supply Company，Fuzhou 350009，China；2.State Grid Fujian Electric Power Company Management Training Center，Fuzhou 350009，China）

In order to improve the training quality of intelligent substation operation personnel，an intelligent substation training simulation system is developed，in which the real monitoring system is introduced for the first time.A network communication module is developed based on SCD file parsing.A half-logic and semi-value method is used to simulate secondary equipment，the technology of 3D virtual reality is used to simulate the visual scene of equipment and to show the internal structure and action principle of the main equipment.The inspection，operation，treatment of abnormal and fault training of substation equipment are achieved by the system.

simulation；SCD；logic simulation；value simulation；virtual simulation

TM743

A

1007－9904（2016）07－0038－04

2016-03-20

张丰（1971），工程师，高级技师，从事变电运行管理与培训工作；

郭碧媛（1979），高级工程师，高级技师，从事调控运行管理与培训工作。