一种新型电力系统二次设备模型构建方法

李红军 刘亚磊

（国网四川省电力公司技能培训中心，成都 611133）



一种新型电力系统二次设备模型构建方法

李红军 刘亚磊

（国网四川省电力公司技能培训中心，成都 611133）

随着电力培训技术的快速发展及培训仿真新需求的不断出现，对二次设备模型构建技术提出了更高的要求。传统的二次设备模型构建技术无法精确的描述二次设备模型的物理机理，且不满足快速配置部署实用化的要求。针对这些问题，提出了一种新型电力系统二次设备模型构建方法。基于该方法开发的电力培训仿真系统运行稳定可靠，二次设备仿真模型的扩展通用性强，具备自动识别功能。

二次设备；模型构建技术；电力培训

电力培训仿真系统是计算机技术与仿真技术相结合的产物，同时又是电力公司进行技术技能培训与教学的一种行之有效的手段。随着电力系统自动化技术的快速发展及智能化水平的不断提高，对电力系统二次设备培训仿真系统的要求也越来越高。

传统培训仿真系统的二次设备模型在实用性简化方面做了较大的尝试，然其简化模型与真实模型仍有一定的差距，且不满足当前运维一体化、调控一体化培训仿真统一建模的要求[1]。电力培训仿真技术的进一步发展以及当前电力培训仿真的新需求都迫切需要提供一种新型二次设备模型构建技术，且要求此二次设备模型构建技术不仅能够准确详细描述二次设备模型的物理特性，同时又能够满足快速配置部署实用化的要求。

目前电力系统培训仿真软件主要有面向信息、数据、过程、决策、对象等五种建模方法。

面向信息的建模方法依托于系统的逻辑数据模型，且所有基本数据实体及其相互关系是通过一个全局信息需求视图来说明的，并在此基础上逐步构造整个模型，信息模型记录系统运行所需的信息实体。

面向对象的建模方法是通过采用封装、继承、多态的技术来构造模拟的，同时它也是解决复杂问题较优的方法[2-4]。由于对象系统与解题系统既相互独立又相互联系，因此比较容易实现系统不断扩展和维修的功能。电力系统是一个复杂多阶的系统，建模所需的数据量非常庞大，结构复杂，且模型的结构、规模随电力系统变化而经常变化。

集测量、计量、保护、控制等多功能于一体的智能组件是一次设备智能化的发展方向，智能组件具有较强的抗电磁干扰能力，较高的监测灵敏度、自诊断报警等功能，技术先进且运行可靠。电力系统自动化技术的快速发展促使了型号多，功能复杂，集成度高的二次设备的大量出现[5-10]。大量智能变电站的出现推动了智能电子设备（IED）的广泛使用，为便于变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，迫切需要一种通用的通信方式。IEC 61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统的唯一国际标准。

本文提出了一种新型电力系统二次设备模型构建方法，结合IEC 61850标准，通过可视化手段建模，实现对IEC 61850标准的扩展，使二次设备仿真模型的扩展通用性强，能够自动识别。

1　模型构建的原理

基于通用网络通信平台建立的IEC 61850标准的通信体系主要包括站控层、间隔层、过程层三个部分。站控层将相关的数据信息按照既定的协议传输到调控中心，并实时进行数据库的刷新，且具有对过程层、间隔层设备进行在线组态、在线修改参数、在线维护等功能。间隔层主要起承上启下的通信功能，能够同时完成与站控层及过程层的网络通信。过程层是一、二次设备的结合面，即电气设备的智能化部分。将变电站内的测控单元、智能电子设备都采用统一的网络协议，并经网络进行信息的交换。IEC 61850具有配置语言、抽象通信服务接口、面向对象建模等特点，且通过IEC 61850可构建实际设备和设备组件。

依据IEC 61850标准相关的定义，二次设备模型由逻辑节点构成。如图1所示，逻辑节点是根据二次设备功能定义的基本单元模块，逻辑节点包含相应的属性和功能，可以体现二次设备的状态、参数、定值、接口和单元连接拓扑关系等。

图1　二次设备仿真模型结构

可视化、组件化的二次设备建模技术依据 IEC 61850标准，采用图模一体的维护工具将二次设备的内部元件抽象为逻辑节点，并按照实际电气回路进行图形化组合搭建，从而实现对二次设备及回路详细模型的构建。

这种二次设备仿真模型不仅可以描述设备的内部物理功能属性，同时又能准确地模拟所有外观属性和动作属性。这种可视化的建模技术将原先通过内部执行代码实现仿真功能抽象为图形化的元件组合搭建，直观明了，复用方便，其可以基于已有模型进行局部调整便可以形成新的设备模型，无需重新开发，节省了开发周期和成本，保证了系统的开放性。

通过收集和整理电网中的各种二次设备模型，二次设备模型库将逐步得以扩充和丰富，并最终形成完整的二次设备模型库。用户通过参数设置便可以快速实现仿真电网中的二次设备及回路的实例化。

2　模型构建的步骤及模型特征

1）使用可视化建模工具，绘制电力系统主接线图和厂站交、直流图，根据电力系统的特点生成仿真系统软总线。

2）使用可视化建模工具，绘制二次设备外观。

3）分析二次设备属性和功能。

4）分析二次设备的输入数据和输出数据，并从软总线中订购二次设备的输入，分析输出数据，如有必要，定义扩展系统软总线。

5）使用建模工具，定义二次设备的外观逻辑节点。

6）按照IEC 61850标准格式，扩展模型内部属性之间的关联关系，表述模型行为的内部机理，实现功能属性的定义。

7）按照IEC 61850标准格式，存储二次设备的模型。

本文提出了一种新型电力系统二次设备建模方法，主要用于电网及厂站仿真中的二次设备建模，其特征在于：

1）所述方法使用可视化建模工具，绘制电力系统主接线图和厂站交、直流图，并根据电力系统的特点生成仿真系统软总线。

2）所述方法使用可视化建模工具，绘制二次设备外观。

3）所述方法从软总线中订购二次设备的输入，并可定义输出数据，扩展系统软总线。

4）所述方法使用建模工具，定义二次设备的外观逻辑节点。

5）所述方法按照IEC 61850标准格式，扩展模型内部属性之间的关联关系，表述模型行为的内部机理，实现功能属性的定义。

6）所述方法按照IEC 61850标准格式，存储二次设备的模型。

基于此二次设备建模技术建立的培训仿真平台，能够建立跟实际相符的运维一体化 3D仿真场景，实现受训人员在场景中进行维护、运行巡视、检修、任意漫游、可视化操作体验等功能。基于此二次设备建模技术建立的培训仿真系统具备变电站一次设备和二次设备C、D类检修等工作仿真培训功能。在管理模式上，基于此二次设备建模技术建立的培训仿真系统可实现 “运维操作班”模式，使得变电运维人员及其他各专业人员得到从理论到实际操作全面详细仿真培训。

3　应用实例

该方法已成功应用于成都某一培训中心，基于该方法开发的电力系统仿真软件全范围、全过程、全场景、全数字化实现了 1000kV变电站仿真、± 500kV换流站仿真、500kV变电站集控/运维一体化仿真，220kV及以下电压等级变电站集控/运维一体化仿真。此仿真系统可开展变电站/换流站集中监控培训、设备巡视培训、倒闸操作培训、异常及事故处理培训、电网/变电站联合反事故演习、一二次设备结构及原理培训、相关专业管理和技术人员工作情境认知培训等项目。

图2、图3、图4和图5为采用上述建模方法所生成的图，其中，图2为模型数据浏览图，图3为设备建模工具产生IEC 61850标准的扩展模型图，图 4为电网建模工具自动产生的一次系统软总线图，图5为直流供电系统软总线图。与现有技术相比，此建模方法的优点如下。

图2　模型数据浏览

图3　IEC 61850标准的扩展模型

图4　一次系统软总线

图5　直流供电系统软总线

1）不仅能够准确详细描述二次设备模型的物理特性机理，而且准确地模拟所有外观属性和动作属性。

2）采用IEC 61850标准，能够快速配置部署。

3）可以直接使用基于IEC 61850标准的实际二次设备导出模型，在此基础上建立仿真模型。

4）依据此建模方法，可以实现不同厂家仿真模型的互操作性，形成不同的二次设备仿真模型加工厂。

5）该建模方法简单，且易实现。

4　结论

本文提出了一种新型电力系统二次设备模型构建方法，基于该建模方法的二次设备仿真模型既描述了设备的内部物理功能属性，也准确地模拟所有外观属性和动作属性。

1）该建模方法采用可视化的建模技术，直观明了，复用方便，其可以基于已有模型进行局部调整便可以形成新的设备模型，无需重新开发，节省了开发周期和成本，保证了系统的开放性。

2）此建模方法采用IEC 61850标准，实现了快速配置部署的功能，可以直接使用基于 IEC 61850标准的实际二次设备导出模型，并在此基础上建立仿真模型。

3）该建模方法实现了不同厂家仿真模型的互操作性，并可以形成不同的二次设备仿真模型加工厂。应用实例验证了该方法的正确性和优越性，是二次设备模型构建技术的新突破。

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李红军，男，汉，四川眉山人，高级工程师，从事电网运行类人才培养与开发、电网新技术应用与推广工作。

The New Construction Method of Secondary Power System Equipment Model

Li Hongjun Liu Yalei
(State Grid Sichuan Technical Training Center, Chengdu 611133)

With the rapid development of power train technology and the new emerging demand of training simulation, higher requirements are putting forward to the construction technology of secondary equipment Model. The physical mechanism of secondary device model is not accurately described by conventional secondary equipment Model construction technology. Model construction technology, which can’t meet the rapid deployment of practical configuration requirements. To solve these problems, a method is proposed to build a secondary power system equipment models which is based on object-oriented and information-oriented combination. Training Simulation System based on the method is running stable and reliable, and the expansion of secondary equipment simulation model is versatility.

secondary equipment; model technology; power training