变电站数字物理混合仿真实验室建设

章顺华 许惠君 许志浩

（南昌工程学院 江西省南昌市 330099）

1 引言

自2002年3月起，国家财政部针对原部属院校实验教学设施严重不足的状况，启动了中央与地方共建高校特色实验室项目。国内许多高校利用共建基金项目，快速有效的提升了本校相关实验室的整体水平[1]。

我校申报的中央与地方共建高校实验室项目，电气工程实验中心获国家财政部批准，分别于2008年和2011年列入财政部中央与地方共建高校专项资金拨款项目计划，中央财政投入400 万元和250 万，我校另自筹资金47.5 万元。在前期调研的基础上，经过反复论证，设备配置按照“教学上适用（重基础）、技术上先进（省内领先）、经济上合理”的原则[2][3]，确定了电气工程实验中心建设方案。经过4年建设，电气工程实验中心于2013年完成全部项目验收，目前已全部投入实践教学使用，并取得了良好的教学效果。220kV 变电站数字物理仿真实验室（新建）是电气工程实验中心三个实验室其中之一。

2 220kV变电站数字物理仿真实验室

目前，我国城市电网的发展趋势为220kV 以上电压等级，为了适应我省电力发展及我校应用型本科实践教学的需要，我校的变电站仿真实验室采用了220kV 电压等级，选用北京科东公司的TTS2000 仿真平台，包括30 台学员机和2 台教员机，以及与实际综自变电站完全一致的二次保护和监控真实设备。变电站数字物理混合仿真系统是将实时电网仿真、输入输出信号接口装置、真实变电站二次设备、真实直流系统、真实监控系统、真实二次回路、真实调度自动化厂站端设备、变电站一次设备交互式三维场景、开关与刀闸及操作机构智能模拟装置、二次故障模拟装置、教员系统有机结合的数字物理混合仿真系统，该系统可以对学生从理论知识到专业技能进行全范围、全过程、全场景的仿真培训。该系统最大特色在于，能够提供一次设备三维图像教学及真实的二次设备物理硬件仿真，克服了纯数字仿真平面化、无物理硬件的缺点，能使学生对变电站的实际运行环境，有一个真实现场的感性认识；同时能为本地区的电力行业提供一个良好的技术培训平台。该实验室是省内首个220kV 变电站综合自动化数字物理混合仿真实验平台（电气一次部分采用计算机三维仿真；电气二次部分采用真实设备物理仿真），具有与实际变电站综合自动化系统完全一致操作环境。如图1所示。

3 系统特点

（1）数字仿真系统可以进行一次系统的实时暂态仿真计算，输出信号通过高速通信系统送到外部进行信号转换，然后送入变电站二次设备。同时，实际设备输出的开关操作、重合闸、保护动作、变压器分接头的升、降等控制信号通过信号转换箱转换为数字信号反馈至数字仿真系统。数字仿真系统接收反馈信号，实时调整一次系统的拓扑结构和运行参数，从而形成完整的实时闭环仿真。与开环的继电保护仿真相比，系统闭环仿真的动态交互效果是开环仿真所达不到的；它可仿真继电保护装置及自动重合闸装置；可以很容易地模拟系统中的多点故障、多重故障和多个继电保护装置之间的相互影响。通过与实际综自设备的实时连接，交互作用，可以帮助学员更加深入直观地掌握变电站设备的工作特性和运行性能。如图2所示。

图1：一次设备三维巡视仿真图

（2）具有动态数据及图元的自定义功能，图形系统可运行在任意客户机上，同时可以显示服务器数据库中的数据。对任意图元可以自定义多个动态属性，动态属性包括图元线宽改变、线型改变、填充颜色改变、显示颜色改变以及图元旋转、闪烁、位置、隐藏、大小改变等。教员机可以采用标准时间的实时运行方式，也可以采用时间调整运行方式，使学员在培训期间监视到实际运行一天的电网变化，为了便于培训，采用加快时间标尺以便在学员培训期间可以仿真24 小时的电网运行过程。

（3）可建立电源、负荷、电网结构的动态数学模型，进行电网动态计算，包括自动拓扑分析、实时故障分析、动态潮流计算、暂态稳定计算等功能。软件具有良好的鲁棒性，同时可以准确描述电网及变电站的稳态、故障、暂态过程；系统还可以自定义动态文本，系统依据设备类型自动添加的附属于该设备的动态数据文本，该动态数据在图形运行状态将会依据显示数据类型的变化而相应显示频率、功率、ABC 三相电流电压值或正负零序量等；或者将实时数据库与文字对象关联，显示实时数据库中的任意数据。

（4）仿真系统通过100M 以太网和运行方式控制台的上位机相连；内插3 块基于DSP 的板卡，构成通信和信号转换及输入输出系统；安装电磁暂态仿真计算程序、仿真进程控制系统和实时回放系统。通过六条SCASI 总线与模拟量接口箱以及开关量接口板连接。每个模拟量接口箱通过一条SCASI 总线接收来自下位机的16 位D/A 输出量，并通过机箱后端的凤凰端子输出到机柜端子排。每块开关量接口板通过一条SCASI 总线接收来自下位机的开入和开出量，开入量直接与开入开出量端子排相连；每路开出量经继电器，形成4 路常开和4 路常闭信号，与开入开出量端子排连接。

图2：仿真系统硬件结构图

图3：TTS2000 仿真培训系统界面

4 系统功能

教员可灵活控制培训的方式、内容和进程，对培训过程进行控制、监视和管理。可在教员机上根据培训需要自动生成试题、教案，设置、执行各种故障，模拟调度员下达指令等。系统功能主要由三部分组成：培训前运行方式及教案准备、培训中的操作及进度控制、培训后分析及评估。

4.1 教员系统培训前的准备

设定开关、刀闸的初始状态，中性点运行方式，设定等值负荷的初始功率，设定等值电压源的初始幅值、相位；设定变压器运行档位，预设线路、母线、变压器、电容器等一次设备的故障特征序列；预设二次回路缺陷序列，利用控制区的功能，把二次部分需要处理的异常、不能在故障设置中设置的无规律事故等以命令的形式发送到仿真系统中。

4.2 培训过程中的操作及控制

根据培训目标或考核要求等综合情况，自动或手动生成培训试题或培训教案。通过初始状态选择和成组故障设置，实现培训教案的自动启动。教员可在任一时刻暂停仿真培训系统运行，在培训过程中也可自动或手动快速存储任一时刻的运行工况，时间间隔任意可调。教员也可将运行状态返回到以前某一状态，从该状态开始自动向下继续运行，仿真过去某一时段的事故过程，人工无法干预。强大的图形、模型、数据库一体化功能，用户只需绘制图形及修改参数，而且具有独特的拷贝功能，可以很便捷地构建一个较为庞大的电网模型。系统具有设备动态数据的自动标定功能，根据设备名称及设备类型，自动在系统中添加设备动态数据，无需另外定义，从而大大减少了工作量并避免了经常出现的动态数据与设备不对应问题。

4.3 培训后分析及评估

形成评估报表；浏览和编辑评估报表。仿真系统可自动记录教员、学员机上的所有操作、响应；系统越限报警；调度员发布的操作指令；负荷、发电机的投退及参数变化；开关刀闸、继电保护装置和安全自动装置等所有设备的变位情况等，以便对学员查找事故原因、事故分析的过程进行客观评价考核。如图3所示。

5 结语

220kV 变电站数字物理混合仿真实验室由仿真软件系统（TTS2000）及仿真模拟硬件系统构成，可实现包括变电站监控/监视系统、虚拟现实巡视系统、虚拟屏系统、操作票生成等所有培训功能。该实验室的建成极大地改善了本科实验教学的条件，通过对该变电站数字物理混合仿真实验室的建设，探索了如何充分利用好有限的中央与地方共建基金，优先满足高校紧缺实验室的建设要求，形成科学合理的实验室建设方案，做到有所为，有所不为[4]；以及如何充分利用好已建成的实验室开展相关专业实验，提高应用型人才培养的质量的有效途径。