500kV鄭州變電站仿真培訓系統的設計與建立

摘 要：闡述了目前變電站對電網運行人員的培訓現狀及問題，結合鄭州500kV變電站的實際情況，提出了C/S與B/S混合模式的體系結構；分析變電站培訓仿真系統的功能需求劃分了功能模塊；介紹了系統的開發環境，對關鍵技術進行了研究。該系統已被成功運用，結果表明該系統對變電站工作人員的技能培訓、考核、提升電氣技術水平，確保變電站安全運行具有重要作用。

關鍵詞：B/S模式；C/S模式；培訓仿真系統；變電站

引言

變電站仿真培訓系統（Substation Training Simulation System，簡稱 STS）主要分為盤臺模式和純軟件模式[1]。盤臺模式是采用實際變電站1：1開關控制屏等硬件組成培訓系統主控室及保護室，真實度高但成本高、通用性不強。純軟件模式則是通過軟件設置對站內的設備如保護屏、開關控制屏、室內外設備等進行仿真的培訓系統，其成本低，易于維護。相比之下純軟件模式有更強的優越性。本文設計的純軟件模式STS不僅操作環境與變電站一致、設備的操作與顯示與站內實際情況接近，還模擬了各種可能的事故來考核學員的事故恢復能力。STS使運行人員進行培訓時候變得更加主動，有很強的指導性，是變電站培訓的有效工具[2]。

1 基于B/S與C/S結構體系的分析

變電站仿真培訓系統的模式又分為客戶端/服務器（Client/Server，即C/S）模式和基于Web技術的瀏覽器/服務器（Browser/Server，即B/S）模式。

（1）C/S模式，如圖1所示。C/S模式是采用兩層機構且基于局域網進行設計的，系統數據一般存放于服務器，所以處理的速度比較快，并且對數據操作的安全性比較高。但C/S模式的通用性不強，維護和升級都比較麻煩。考慮到變電站的培訓比較集中并站內且易于建立局域網，所以站內采用C/S模式來實現對設備的狀態、操作及儀表顯示的實時監控。

（2）B/S模式，如圖2所示。B/S模式是基于Web的一種三層結構模式，B/S模式的服務器承擔了系統功能的核心工作，簡化了系統的維護和開發。只要客戶機裝有瀏覽器（Browser）即可與數據庫進行數據交互，大大增加了客戶端的數量。B/S模式的重用性比較高，維護方便，但由于網速的原因，對于變電站這種需處理大量數據，保證實時性的要求卻無法達到。STS系統的考核操作數據信息不僅限于變電站內查看還需要提供給站外用于隨時查詢，這種基于Web服務器的B/S模式則能夠方便地實現變電站內外互聯互通和數據信息共享。

鑒于以上分析，確定采用B /S與C /S混合模式的方法交叉并用，以C/S為主B/S為輔的構架組建鄭州500kV變電站仿真培訓系統：需要對設備進行操作、儀表及時顯示最新的數據即頻繁對數據庫訪問部分采用C/S結構，使仿真更接近于變電站內的實際狀態；變電站外的高級用戶采用基于Internet的B/S模式開發，實現對信息的穩定查詢。

2 系統功能設計

2.1 系統功能需求分析

變電站仿真培訓系統主要目的在于使運行人員能夠快速的掌握操作技術及提高遇到故障時候的處理能力，不僅用于日常操作培訓，而且可以通過對不同設備如線路、母線、變壓器等設置故障實現對運行人員知識掌握的考核，在此過程中，系統能夠進行自動評價給出相應的分數。與此同時，對于培訓人員的每一步操作的時間、內容、結果都被更新到歷史記錄數據庫中，使查詢人員能夠及時的得到相應的信息。

2.2 系統功能模塊

根據系統需求的分析，將該變電站仿真培訓系統劃分為六大功能模塊，系統模塊設計圖如圖3所示，各模塊功能如下：

（1）支撐系統。不僅是整個STS的核心部分，而且是維護一次、二次數據及歷史記錄數據的重要平臺。作為服務器負責及時響應客戶端的請求，及時與數據庫進行交互并把數據發回至客戶端；對學員的考核進行單項或組合故障設置、打分。

（2）綜合自動化系統。針對鄭州500kV變電站的綜合自動化系統進行設計，通過一次圖形界面、電壓棒圖、電壓曲線圖、光字牌、軟報文及警鈴提示等反映變電站設備的運行狀態[3]。此系統設計有一套五防閉鎖條件，學員每次操作都必須符合五防邏輯，才能實現遙控、遙調等，否則操作不成功，判斷或引起故障。

（3）五防系統。用來預演練倒閘操作，并根據符合邏輯的操作內容開出票據，供運行人員對設備進行實際操作。操作結束后，使用對位功能使設備與現場設備狀態保持一致。

（4）就地系統。采用3DMAX三維技術將一次設備更加逼真的呈獻給學員，主要用來檢查設備的彈簧儲能，六氟化硫等。控制著設備能否遠方操作。

（5）繼電保護。模擬500kV鄭州變電站保護室中微機保護裝置和自動裝置的操作和動作邏輯，實現壓板的投退、復歸面板信號指示燈等；出現故障時，保護裝置迅速啟動對離故障點最近的開關發出跳閘命令從而進行故障隔離。

（6）查詢系統。查詢系統主要使遠程的高級用戶能夠快速準確的對學員的操作時間，操作步驟以及考核結果進行查詢。

3 系統開發及關鍵技術

3.1 系統開發環境

系統的具體開發環境如表1。

3.2 系統開發中的關鍵技術

（1）軟件架構的設計

根據上述分析，STS采用三層的C/ S 和 B/ S模式相結合的結構，分別包括數據層，應用層和視圖層。

1）視圖層：為用戶提供一個工作界面，主要用來顯示數據，用戶進行登錄、操作、查詢。C/S模式和B/S模式分別采用基于C#.NET技術的Windows窗體和基于Web技術的瀏覽器的方式為客戶端的可視界面。

2）應用層：主要進行邏輯處理和數據分析等工作。視圖層所有客戶端的數據請求及狀態變化均要通過服務器判斷才能訪問數據庫，必定會占用一定的時間。而在變電站的實際運行中，當對設備進行操作之后需要立即呈現操作之后的狀態，并且在發生故障時候有一定的時間限制，如單相瞬時故障的保護啟動和斷路器跳閘時間在100ms以內甚至更短，而且對數據庫的修改和查看都是大數據量的操作，這在STS中的B/S模式下是難以實現的。在基于.NET組件的基礎上，STS中設計的C/S結構實現了這些功能，使視圖層能快速準確的與數據庫進行交互從而對設備的各種狀態進行實時控制。當IE用戶向中間層發送HTTP服務請求時，Web服務器快速的分析并響應用戶的服務請求，在此過程中，Web服務器首先執行C#程序片段，再將執行結果以HTML格式返回給客戶。應用層在ASP.NET中使用 GridView控件，能快速有效的把數據呈現出來[4]。這種基于Web技術的B/S模式能夠方便地實現隨時遠程查看學員的歷史操作記錄及學員的考核結果，不必親臨現場進行審閱。

3）數據層：系統的基礎層，主要管理數據庫，處理上一層提交過來的查詢，更新和存儲數據，完成服務器的通信工作。

采用上述的結構體系提高了層與層之間的獨立性，實現了數據的集中管理。B/S與C/S模式共享同一個數據服務器，數據庫中的數據變化則會引起C/S和B/S客戶端的同時變化[5]。具體C/S與B/S混合模式如圖4所示。

3.2.2 設備與數據同步

STS系統中，一些設備如刀閘、斷路器的狀態不僅只是在一個子系統中體現，在五防系統，就地系統中都應該是一致的，系統要保證各子系統中同一設備編號的設備狀態一樣并且其與相應電氣參數變化一致，要做到以下兩點：

1）在系統開發中每一個設備在不同間隔中對應不同的Windows控件，為實現不同子系統中同一設備數據的一致性，同一設備的Windows控件命名相同，數據庫建立時，數據表采用ID這一列作為主鍵，ID列是每條數據在系統中的唯一標識即每個設備的編號。

2）對某一子系統進行操作同時會影響其它子系統設備狀態的改變，而如果每個子系統不停的對數據庫進行數據讀取操作來判斷設備狀態是否變化勢必造成資源浪費。設計中子系統只在服務器發送數據時候讀取刷新，如在綜合自動化系統上對某一斷路器進行分操作，服務器判斷此設備在STS中所處的位置，不僅要給請求端綜合自動化子系統發送需要的數據，還要給就地系統及五防系統發送相對應的數據，大大提高系統的響應速度。

3.2.3 數據庫接口技術

應用數據庫技術的關鍵是數據連接，數據連接是為用戶的操作和訪問數據庫而在數據庫和應用程序之間建立的橋梁。STS中采用ADO.NET方式作為數據庫接口技術。

在STS的C/S模式開發中，在System.Data命名空間下，通過ADO.NET中主要的類，運用C#語言編寫數據庫管理的驅動程序。這些驅動程序為客戶端提供了一個和底層數據庫間聯系的接口。經過服務器的查詢及判斷，將結果返回至客戶端。很好的實現了STS中的潮流信息和設備狀態數據的準確顯示。

在B/S模式開發中，STS應用了ASP.NET將HTML語言與ActiveX組件組合共同創建了Web應用程序。該程序一方面與網絡變量交換信息，另一方面客戶端通過瀏覽器執行服務器中的ASP.NET文件，ADO.NET使數據庫執行SQL語句，并將執行結果返回給客戶端。很好的實現遠程對學員的培訓記錄及考核狀態進行查詢目的。

4 結束語

本文針對鄭州500kV變電站的結構及功能，設計了C/S與 B/S混合模式體系結構的鄭州變電站仿真培訓系統。系統基于Visual Studio 2010平臺，運用C#.Net與ASP.NET技術，結合ADO.NET和SQL Server 2008，利用C#語言進行開發，不但適用于Windows窗體環境而且適用于Web環境。系統有效逼真的模擬了變電站的正常運行及故障狀態。實踐證明，STS大大提高了電網工作人員的工作效率，也為電網的安全運行提供了一定的保障，具有較高的使用價值。本系統中存在一定的不足，結果表示系統雖達到了培訓效果但在反應時間上還不能完全達到變電站現場的狀態，但對以后一體化地區電網的STS奠定了基礎。

參考文獻

[1]董朝霞，王乘，楊峰，等.新一代電網調度員培訓仿真系統[J].計算機仿真，2003，20（2）：123～125

[2]彭詞.天津500 kV變電仿真培訓系統的研制和應用[J].天津電力技術， 2008（2）：42～45

[3]楊恩慧.web開發技術基礎教程[M].北京：電子工業出版社，2003.

[4]厲建欣，陳媛媛，張作狀.基于B/S和C/S混合模式的煤礦設備管理信息系統的設計[J].礦山機械，2010（8）：37～39

[5]常麗霞.基于C/S結構的數據庫加密技術的研究與設計[D].沈陽：沈陽工業大學，2006.

作者簡介：陳建明（1962-），男，教授，研究方向為傳感器與檢查技術。

張星（1989-），女，碩士，研究方向為電力系統智能檢測與控制。

冶艷艷（1982-），女，工程師，從事電力系統設計。