换流站调相机仿真培训系统的研究与设计

● 国网湖南省电力有限公司检修公司 张超峰 蒋久松 潘 劲

按照国家电网有限公司全球能源互联网的发展战略实施计划，“十三五”期间，该公司将建设一大批特高压直流输电工程。随着交直流特高压电网混联运行的出现，若直流系统出现故障，将从电网吸收大量的无功，给电网带来巨大的无功冲击甚至可能引起区域性电压凹陷，进而破坏交流系统的稳定，造成大面积交流电网事故。这就要求直流特高压输电工程，必须匹配大规模动态无功，以应对可能发生的区域性电压失调问题。国家电网有限公司计划在22个换流站（变电站）配置47台调相机。

近年来，仿真培训系统由于其在电网稳定运行、故障处理、人员培训等方面所具有的独特优势，在电力系统中得到广泛运用，并且技术也逐渐成熟，目前形成了一系列以三维可视化技术为基础的培训系统，在实际运用中也取得良好成效。但是关于换流站调相机这一部分，目前国内外还没有其仿真培训系统的研究，一是近些年来调相机在换流站中并未得到应用；二是以前所应用到的调相机构造并不复杂，靠着现场的教学与演练就能够熟练掌握，所以电网公司并未针对其做一套完整的仿真培训系统。而新一代调相机具有无功容量大、转速快、响应速度快、启动与并网复杂等特点，这就导致了操作人员从了解调相机到熟练掌握它的过程变得十分艰难，所以关于其仿真培训系统的研究与设计也由此展开。

1 培训系统开发需求分析

1.1 功能需求

通过对电网各类仿真培训系统的研究以及对湘潭特高压直流换流站调相机的实地了解和考察，总结出其主要的功能需求，它们分别为调相机设备认知、基础操作以及设备的故障处理。

在设备认知方面，整个调相机由直流电源系统、监控系统、油系统、励磁系统、SFC系统、启停装置、电动机装置和冷却系统等组成，每个部分的结构功能不同但之间互相联系，它们都作为三维仿真建模基础部分。学员可以通过三维模型全方位的查看设备外观和零部件构成，由部分到整体熟悉调相机系统。

基础操作方面包含与设备的启停相关的一些操作，继电保护和对设备的运检维护。其中设备的运检维护主要针对调相机的励磁系统、SFC系统、电动机部分、冷却系统及油系统。学员应当通过培训软件了解各部分的运行状态与运行过程中出现的问题，掌握解决方法。

故障处理主要分为2个方面，一是调相机本身的故障，比如定转子故障和各类系统的一些与电网无关的故障。二是换流站中与调相机相关的故障，其中重点在于交流侧这一部分与电压失稳有关的故障处理。这一块的培训需求需要依靠培训软件的三维动画模拟来实现，学员通过动画演示和三维仿真操纵机器了解并掌握调相机的故障处理方法。

1.2 开发工具简介

在充分考虑培训系统一系列需求的基础上，本文认为在系统开发的工具上，3Ds Max及Unity3D是最好的选择。3Ds Max在建模与动画制作方面有着强大的优势，在当前也是主流；Unity 3D是一款强大的游戏引擎，在培训系统场景编辑和人机交互等方面都能处理得非常完美。

2 仿真培训系统的设计

2.1 仿真培训系统功能结构设计

在对仿真需求进行分析之后，程序功能从业务角度来看，操作人员需要熟悉调相机的各个组成部分，掌握启动停止等类似的基础操作，具备应对各种故障的能力，同时还能熟练的对调相机进行相应的运检和维护；从培训的角度来看，培训系统需要包含学员的自身学习与考核测评2个部分，增加整个系统的灵活性和规范性。综合分析之后，培训软件的程序功能如图1所示。

图1 培训软件的程序功能图

2.2 仿真培训系统层次结构设计

图2 培训系统界面实现效果图

此仿真培训软件采取的培训方式是将实物通过三维建模构建其虚拟模型，再将操作规范以3D动画的形式展示出来的手段达到培训的目的，而要构建这个三维虚拟动态过程，就应充分考虑程序设计的3个思想，即模块化、层次化和结构化。由此可将系统的层次结构设计成3层：数据资源层、系统实现层和用户交互层。独立设计相应的层级及模块，相互之间用预留接口来耦合调用。

3 仿真界面搭建及预览

在对调相机仿真培训软件的需求进行充分分析之后，为了更直观地体现培训需求和内容，本文设计了一套仿真的界面。培训系统界面实现效果如图2所示。

3.1 界面设计

考虑到培训软件需求的多样性以及实际培训中所能遇到的问题等一些因素，若仅搭建一个界面并不能充分满足仿真需求。搭建的界面分别是主登录界面、模式选择界面、情景选择界面和情景加载界面。

（1）主登录界面。主登录界面是打开培训软件所看到的第一个界面，界面作用是登录人员根据自身身份有不同的登录选择，登录选择分为教师登录和学员登录。

（2）模式选择界面。学生或教师在主登录界面登录过后，在此界面进行模式选择。教师端主要针对学生，选择教学或者考核的模式，学生端针对自身情况和老师要求，选择自由学习和考试等各种模式。

（3）情景选择界面。进入模式选择界面之后，学员便可选择不同的情景进行学习，情景大致分为调相机的基础操作，设备的自由演练等。

（4）场景加载界面。对于不同三维场景，其加载过程需要一定的时间，所以在这段时间中可以设计一个加载界面来进行视觉的过渡。

3.2 界面实现

2D界面实现使用Swing框架，Swing提供了许多标准界面组件，可以完成简单的界面组件，但是并不能完全满足设计和需求，还需要进行一些改进。

（1）脚本逻辑。框架只是提供了按钮变化、滑动条改变等事件响应的接口，无法实现完整的控制逻辑。需要对2D界面与三维场景的相关的控制逻辑进行连接，在界面和组件响应时即可安装设定逻辑执行。

（2）数据库连接。由设计过程可以得知，界面中得内容需要实时更新，比如对于各种突发情况的介绍和应对、设备组件的介绍和实物图、培训任务的变化。程序实现不可能对每一种场景设计不同的界面，所以需要利用数据库读取本地内容进行加载。

（3）界面实现。将数据库内容读入相应的界面，按照设计合理规划，初步完成界面设计。然后为组件连接相应的触发脚本，实现逻辑控制，最终实现界面的全部功能如图2所示。

4 结束语

本文对新一代的大容量、大功率调相机进行了充分分析，列出了每一部分的仿真功能需求，同时对仿真培训软件的实现提出了搭建思路，最后设计了一套培训软件的培训界面并实现，让培训软件更加直观和具体，充分表现了此软件开发的可行性及具体效用。