500kV多站聯合變電仿真系統設計與開發

李秋燕 張洪波 姚 峰

（1.河南省電力公司培訓中心，鄭州 450052；2.河南省電力公司，鄭州 450052）

現代電網由大向強轉變，500kV主網架中新建擴建變電站相繼投入運行，國內外先進的變電設備及裝置大量引進使用，變電運行人員的專業素質、操作水平和電網安全穩定有著直接聯系，因此他們的實踐技能培訓就顯得日益重要和緊迫。變電站仿真培訓系統是目前公認的積極有效培訓手段[1-5]，它在培訓學員熟悉現場設備性能、控制和保護邏輯，提高正常操作水平和反事故能力，培養鎮定應對突發事件素質等方面發揮了顯著作用。但就目前已開發的變電仿真培訓系統而言，仍存在一些不足：

1）仿真模型不完善。仿真對象僅考慮1座孤立變電站和站內設備。現代電網500kV變電站互聯性日益緊密，忽略站與站之間，站與電網之間的影響[6-7]，將導致遙測量數據和保護配合不真實，影響培訓效果。

2）功能單一，適應面窄。多數變電系統不具備電網仿真功能，無法實現電網與變電站聯合反事故演習，不能有效培養運行人員的全局觀念和大系統概念。

為適應當前培訓形勢，需開發一套模型完善、適應性強、技術先進的500kV多站聯合變電仿真培訓系統，既對變電站所在電網進行完整仿真，又對多個變電站進行詳細仿真，實現兩者有機結合，為500kV運行人員提供一個良好的培訓平臺。

1 系統設計

500kV多站聯合變電仿真系統以河南500kV和220kV主干網、所有500kV變電站為仿真對象。電網仿真是準確模擬電網在各種運行方式及事故狀態下的變化過程，為變電站內一、二次設備動作響應提供數據支撐，因此電網仿真要求精確性、穩定性，實時性；變電站仿真是詳細模擬站內一次設備、綜合自動化系統、繼電保護和自動裝置等，各部分功能相對獨立和完整，因此變電站仿真具有分散性、詳細性。基于以上原則，該仿真系統采用“集中管理、分散計算”設計模式，即建立一個仿真主站和若干個仿真子站，主站和子站之間呈交互式、分布式結構，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

主站“集中管理”：一方面負責整個系統的任務調度、數據交互、子站控制等資源管理協調功能；另一方面實現電網仿真功能，負責電網模型計算，為各個子站實時提供遙測量。子站“分散計算”：各子站實現變電站仿真功能，負責接收本站對應的遙測量，進行一次、二次設備模型的計算，并向主站傳送設備動作信號等開關量。主站與子站之間設計統一標準的數據接口，通過TCP/IP協議進行數據交互。這一設計模式有以下特點：

1）主站和子站的數據交互保證電網和變電站之間數據的一致性，從而實現仿真一體化。

2）分布式結構實現系統信息分流、控制分層目的，減輕主站計算壓力，保證電力網絡計算的實時性。

3）仿真系統具備良好的升級擴充功能，支持后期仿真子站接入，及時跟蹤電網實際運行狀況。

4）子站可以靈活方便地在主站上進行配置或拆卸，使得系統既可以實現多站聯合培訓，也可以進行單站培訓，滿足培訓需求的多樣性。

2 系統實現關鍵技術

500kV多站聯合變電仿真系統是現代電力系統分析計算技術、圖形技術和仿真技術的集成。該系統采用純軟件仿真，包括仿真支撐軟件和仿真應用軟件，后者分為電網仿真軟件和變電站仿真軟件，結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構圖

2.1 分布式仿真支撐軟件

仿真支撐軟件是衡量仿真系統技術水平的重要標志，一個先進的仿真支撐軟件除了提供模型開發手段外，還應對整個仿真系統的資源進行管理和協調。本系統開發了完全建立在Windows平臺上SDSS2000（Simulation Development Supporting System 2000 version）仿真支撐軟件，它是本仿真系統的控制、管理中樞，適應系統分層分布式結構，在主站和子站計算機上都有駐留程序，集仿真管理、仿真開發、仿真培訓功能于一體。

在仿真管理方面，SDSS2000是聯系系統各部分的紐帶，是分布式仿真系統的核心，負責通訊管理、系統配置管理、數據分布管理、權限管理、應用程序接口管理、仿真時間管理等。仿真應用間不直接通訊，所有網絡通訊功能由支撐軟件實現，它根據各個仿真應用的需求調度整個系統的數據分布，將信息發送到需要的地方。系統配置管理能夠將分布在局域網上的多個計算機節點按照功能需求組成一個獨立應用子系統，靈活配置成不同的運行模式，滿足不同層次和不同數量人員培訓要求。

在仿真開發方面，SDSS2000作為開發工具一方面為模型軟件提供位置透明、高效的虛擬運行環境；另一方面支持模塊化建模，實現模型軟件的建立、修改、調試、運行、輸出等功能。模型軟件是描述仿真對象工作原理和運行過程的應用軟件，在模塊化建模環境中，通過輸入、輸出和系數的配置建立模塊，并依據物質流向和控制信息流向將這些模塊一一連接起來，構成仿真設備的抽象模型，反映其物理規律和工作原理。

在仿真培訓方面，SDSS2000實現教員臺所有功能，如初始運行方式整定存儲或調用、仿真系統運行或凍結、故障設置、培訓監管等。教員臺既可以運行于服務器，對局域網計算機節點靈活配置實現不同培訓形式，也可以運行于受控站任意一臺計算機，實現單站仿真培訓。

2.2 精確的電網仿真計算

電網仿真是整個仿真系統的基礎和關鍵，為變電站仿真提供遙測量，這些數據直接影響受控站各種設備和裝置動作正確性。電網仿真采用穩態、電磁暫態分析計算方法準確模擬電網在各種運行方式及事故狀態下的變化過程，完整精確地對現場各種行為進行全范圍仿真，其軟件包括的模塊有：外網等值、網絡拓撲分析、潮流計算、頻率計算、故障計算。電網仿真模型除河南500kV和220kV主干網之外，還需考慮華北、西北、華中外部互聯電網，它們對分析計算結果有重要影響，該系統采用實用的靜態等值法方法對外部電網進行合理等值。在網絡拓撲分析時，采用變電站級和網絡級二級搜索策略，確定計算用的節點和支路，并解決電網解列和電氣孤島問題。故障計算能夠完成單一故障和復雜故障計算，支持仿真系統進行單重或多重、連續故障的培訓。

2.3 先進完善的變電站仿真

變電站仿真是模擬變電站設備及其運行過程，包括一次設備、監控系統、五防系統、繼電保護裝置等，它們之間相互獨立，通過仿真支撐軟件SDSS2000通信交互，搭建組合成變電站仿真系統。

1）基于三維虛擬現實技術一次設備仿真

變電站一次設備仿真包括開關、刀閘本體及操作機構，主變本體及冷卻系統、有載調壓裝置，防誤系統，PT及CT，低壓交流設備仿真，它由模型軟件和圖形平臺共同支撐實現。模型軟件反映一次設備的工作原理，支持圖形平臺圖元的動態響應；圖形平臺支持一次設備的直觀顯示和動態操作。該系統開發三維虛擬仿真（3D virtual Simulation）圖形平臺[8]，采用三維虛擬現實技術動態加載大型三維場景，對變電站進行 1∶1全方位三維仿真，真實還原變電站戶外設備區，形象模擬設備外觀、可操作部分、表計指示、設備異常或故障現象，實現在虛擬場景中巡視、檢查、操作設備，如圖3所示。一次設備的三維仿真提高了系統的真實感、臨場感。一次設備模型軟件設置有完備的設備缺陷庫，例如接觸點過熱、瓷瓶閃絡、電弧放電等，這些異常故障發生后能夠在三維虛擬場景中觸發光電、聲響等逼真現象。

圖3 一次設備三維虛擬場景

2）先進完善的綜合自動化系統仿真

變電站綜合自動化系統仿真對象是各個真實變電站的綜合自動化系統，包括監控系統和五防系統。仿真內容包括表現層和業務層，表現層即各個變電站的綜合自動化系統可視化界面，需要給人以直觀的視覺反饋；業務層即綜合自動化系統功能體現，包括設備狀態監視、告警瀏覽、設備操作、流程控制等。本仿真系統采用視窗表示基礎技術 WPF（Windows Presentation Foundation）和視窗工作流基礎WWF（Windows Workflow Foundation）開發綜合自動化系統仿真。WPF可以在較小的開銷下創建復雜的圖形，在監控系統和五防系統中創建表示不同設備的圖元組件，從而在此基礎上構建復雜的監視管理圖形，如圖 4所示；WWF可以創建基于順序以及基于狀態的工作流，還可以在工作流中嵌入循環等邏輯處理分支，在監控系統中可以表現對告警瀏覽及不同的處理流程，兩者實現了表現層和業務層的完美結合。

監控系統具有動態操作、動態顯示、參數監視、故障告警、遙信顯示、報警信息分類等功能。五防系統包括五防機、虛擬電腦鑰匙、虛擬程序鎖，具備與現場實際相同的閉鎖邏輯，可實現五防投退、模擬操作、傳送操作票、操作閉鎖等功能。五防系統在退出狀態時可以隨意操作設備，模擬誤操作自然引發故障，讓學員在沒有防誤閉鎖的環境中，切實提高變電運行的技能和水平，同時對變電站容易發生事故的環節和運行規程加深理解，增強處理復雜和緊急事故的能力。

圖4 監控系統界面

3）基于定值驅動的繼電保護仿真

變電站繼電保護裝置是仿真真實變電站各個保護小室的設備以及電網中需要配合的保護設備，包括：線路保護、主變保護、母線保護、電容器保護、電抗器保護、斷路器保護及斷路器輔助操作箱等。繼電保護仿真同樣是由模型軟件和保護屏圖形軟件共同支撐實現。

繼電保護模型與實際一致，由測量、邏輯、動作環節組成，能夠正確模擬保護的啟動特性、復歸特性和時間特性。模型軟件按照微機保護工作原理搭建標準化模塊，同類設備采用同類模塊，即有著相同的輸入輸出參數。該系統繼電保護仿真采用定值法驅動裝置的動作邏輯，模擬保護之間的相互配合，在異常或事故狀態下，繼電保護裝置的信號、表計、液晶事件報告與現場實際一致，并且能夠反映保護通道異常、裝置異常、CT及PT回路斷線對保護動作行為的影響。

保護屏圖形軟件實現微機保護裝置的信號指示、信號復歸、元件操作的仿真。通過實景菜單的方式，可以選擇任一個保護屏，屏面布置與實際裝置完全一致，屏面上的動態點，如切換把手、按鈕、小開關、壓板等元件均可操作，它們的狀態改變均會影響保護動作行為。

3 系統功能

500kV多站聯合變電仿真系統實現電網仿真與變電站仿真有機結合，從仿真效果來看，不僅體現了電網結構的完整性和運行狀態的實時性，還體現了變電站設備模擬的詳細性和設備動作的真實性。該系統集監視、操作、異常和故障仿真等功能于一體，具備豐富的培訓形式和完善的培訓功能。

3.1 聯合反事故演習功能

主站和各子站聯合運行，構造一個虛擬的電力系統和操作環境，實現電網運行人員和變電站運行人員閉環模擬培訓，加強反事故演習的互動性，真實性和系統性，克服了傳統的仿真培訓系統在聯合反事故演習中實時信息只能為本地演習方提供，無法被其它參演方所共享的不足。該仿真系統可以設置對稱、不對稱、多重、連續故障，支持學員觀察事態發展和不同事故引發的各種現象，允許學員進行故障后的恢復操作，培養運行人員對事故處理的決策能力和相互協調能力。

3.2 單個變電站仿真培訓功能

單個變電站獨立運行，模擬單站正常運行或故障狀況對電網的影響，使得運行人員熟練掌握基本運行操作，規范流程，了解事故發生的現象、原因、變化過程，總結積累事故處理的經驗，可作為日常培訓和學習之用。

3.3 電網運行方式的模擬計算分析功能

利用仿真系統構建的虛擬電力系統模型，模擬計算發電機出力、區域交換功率等，研究電網運行計劃，分析電網運行方式安排的合理性；利用仿真系統中全網繼電保護和自動裝置的動作行為，校驗保護方案制定的有效性。這些應用進一步擴大了仿真培訓系統的功能。

4 結論

500kV多站聯合變電仿真系統提出電網仿真和變電站仿真相結合的一體化思想，利用分布式支撐仿真系統、電力網絡分析計算、三維虛擬現實、WPF及WWF等技術實現多個500kV變電站聯網仿真。整個系統功能完善、適應性強、技術先進，并推進了電力仿真技術發展，最大限度地提升自身應用價值。該系統已于2009年10月份投入現場使用，為提高電網運行的安全性發揮了顯著作用。

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