變電站仿真培訓系統設計

劉世安 胡俊華 李顯鵬

摘 要：變電仿真培訓系統是變電運維人員對變電站內電力設備的運行維護、保護分析、事故判斷、異常處理等方面非常有效的培訓手段，不僅為變電運維人員培訓、技能操作訓練、考核等提供一個完善的平臺，更可以為自動化專業、保護專業的變電檢修人員提供仿真訓練平臺，仿真范圍覆蓋站內主控室、保護室、低壓交流室以及戶外配電裝置所涉及的一次系統、保護及控制等系統。該文以110～1000 kV變電站及變電站所在區域內小電網為基本對象，設計模擬電氣一次模型、變電站綜合自動化系統仿真模擬、變電站綜合自動化系統仿真模擬、變電站繼電保護和自動裝置仿真模擬等方面的構建，并展開論述與探討，對軟件系統進行詳盡的構建，最終設計出仿真培訓系統功能。

關鍵詞：變電站 培訓仿真系統 仿真范圍 硬件 軟件 設計

中圖分類號：TM734 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0211-02

變電站作為電力系統的重要組成部分，設備復雜，在整個電網中處于十分重要地位。這就對變電運維人員對變電站內電力設備的運行維護、保護分析、事故判斷、異常處理等方面的能力提出了很高的要求。因為變電站帶電運行故障判斷及異常處理難以實際操練的特殊性，變電仿真培訓系統便成為了非常有效的培訓手段。

變電站仿真培訓主要任務是滿足對變電站運行日常監視、操作、維護、事故故障處理等方面的培訓需求。物理設備模擬仿真用于學員培訓，現象直觀、操作感強，相比軟件仿真更貼近現場，但由于整個變電站設備眾多，且電壓等級高，設備昂貴，若全部采用物理設備模擬成本極高，也沒有必要。而軟件數字仿真投資成本低，配置靈活，維護方便，而且升級改造方便。

隨著在電力技術及虛擬現實技術的進步，以及智能變電站、特高壓變電站等新型、新等級的變電站的出現，對變電站仿真培訓系統提出了更高的要求：變電站仿真培訓應能使用于各種電壓等級變電站的拓展、小電網的模擬、三維可視化界面展示、GOOSE及SV網絡模擬、事故及異常模擬、運維一體化培訓。系統建成后，可以在培訓中心實現對運維人員的技能培訓和技能考核，完成變電站實習值班員的崗前培訓，大大提高運維人員的技能水平，同時還可以滿足保護及自動化專業人員檢修技能培訓與考核。

上述變電站仿真培訓系統的應用模式和應用方式，為仿真培訓系統的更新換代指引了方向，具有一定的推廣意義。上述變電站仿真培訓系統的實現可以大大改善變電運維人員的技能培訓業務面，不僅為變電運維人員培訓、技能操作訓練、考核等提供一個完善的平臺，更可以為自動化專業、保護專業變電檢修人員提供仿真訓練平臺。

1 仿真范圍

仿真范圍覆蓋站內主控室、保護室、低壓交流室以及戶外配電裝置所涉及的一次系統、保護及控制等系統。

1.1 電氣一次模型

以110～1000 kV變電站及變電站所在區域內小電網為基本對象，模擬電網操作故障等情況下潮流分布和故障電流、電壓，為變電站仿真實時提供遙控測量。模擬各種運行方式下電網的潮流動態響應，包括線路、主變的功率，母線的電壓以及設備狀態；調整負荷有功、無功，仿真對象可以做出正確響應；允許設置線路、母線、主變故障，可以是對稱和不對稱故障；故障電流、電壓正確顯示于變電站監視畫面，對應開關經保護跳閘；仿真對象范圍之外的線路對側配置簡單保護，并于本側通道配合等。

1.2 變電站一次設備仿真模擬

變電站一次設備仿真包括開關、刀閘本體、操作機構、主變本體、冷卻系統、有載調壓裝置、CVT、CT、低壓交流設備仿真。根據一次設備工作原理和工作過程，模擬它們的正常操作、異常及故障狀態、參數指示等。

1.3 變電站綜合自動化系統仿真模擬

模擬變電站的綜合自動化系統包括正常時的顯示和操作現象。模擬做到監控機和測控柜畫面布置與現場一致；監控機和測控柜顯示點與現場一致；監控機、測控柜操作點、操作步驟與現場一致；監控機上運行人員必需的告警信息與現場一致。

1.4 變電站繼電保護和自動裝置仿真模擬

模擬變電站微機保護裝置和自動裝置的操作、顯示、動作邏輯，以及裝置發生故障后對系統的影響。實現繼電保護和自動裝置的仿真與實際系統一致，由測量、邏輯和動作三個環節組成，能正確模擬保護的啟動特性、復歸特性和時間特性。繼電保護和自動裝置的顯示點、操作點與實際設備一致，能夠正確反映設備的可操作元件（例如：壓板、盤后空開、重合閘把手）變位后對系統的影響；能夠正確反映CT、PT斷線對繼電保護裝置的影響。保護屏液晶事件報告與現場一致，故或異常狀態下，繼電保護動作現象應符合設計要求，與實際一致。

1.5 其他仿真模擬

模擬變電站內設備的五防閉鎖邏輯以及倒閘操作流程。能夠自然反映學員正常操作或者誤操作引起的響應，防誤邏輯正確；模擬低壓交流系統和直流系統正常操作、參數指示、故障；模擬戶外配電裝置設備操作、狀態及參數指示、故障。

2 仿真系統硬件構成

仿真系統硬件主要是計算機、網絡設備、音響。硬件構成如圖1所示，其中：

（1）計算機2～3臺（建議），部分計算機可由多個功能集成，采用畫面切換方式。主要用來運行教練員臺、監控系統、五防系統、保護小室和就地系統。

（2）網絡設備1套，為保證仿真系統數據傳輸的實時性。

（3）音響系統1套，模擬主控室報警、事故等音響效果。

3 軟件系統

軟件構成如圖2所示。

（1）計算機操作系統軟件。

所有計算機操作系統都采用中文操作系統Window XP專業版，是計算機自帶的操作系統，由計算機供應商提供。

（2）仿真開發支撐系統。

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。該系統開發了完全建立在Windows平臺上的仿真支撐軟件，它是本仿真培訓系統的控制、管理中樞，集仿真管理、仿真開發、仿真培訓功能于一體。

（3）教練員臺。

設置豐富的培訓管理功能，實現培訓過程的組織、管理、控制，人機界面友好，易于使用。

（4）電氣模型軟件。

模型軟件是為了仿真電網和變電站的物理過程而開發的軟件，具體分為：電力系統分析計算軟件、繼電保護和自動裝置仿真軟件、測控模型軟件、所用電模型軟件。

（5）保護屏軟件。

保護屏軟件以虛擬盤的形式再現變電站保護小室的微機保護裝置、測控裝置，模擬裝置上操作元件、液晶事件報告。

（6）監控軟件。

監控軟件模擬變電站主控室內監控后臺機上的所有顯示和操作：開關、刀閘的操作及狀態顯示，電氣參數的顯示，母線電壓棒圖，簡報信息，光字牌報警等。

（7）五防軟件。

五防軟件模擬主控室中的五防機，實現與現場實際一致的倒閘操作流程。

（8）就地系統軟件。

模擬戶外配電裝置，實現戶外設備的就地操作、檢查。

4 系統功能

變電仿真系統通過一對一的全仿真，應具備以下功能。

（1）監視功能：具備現場監控系統的各種監視畫面，可監視變電站設備運行狀態、各電氣量、事件告警信息、繼電保護和自動裝置的動作信息。

（2）設備操作：模擬變電站可操作設備的操作，包括分、合斷路器，分、合隔離開關，設備停運、投入等各種實際情況，操作過程和結果在監控系統和微機保護裝置上實時正確反映。對于違反現場規程的誤操作，例如：帶負荷拉合刀閘、帶地刀合開關、帶電合地刀等，仿真系統自然產生相應的后果。

（3）異常仿真：模擬電網異常、設備異常發生后，支持學員進行處理、隔離異常設備，恢復電網到正常運行狀態。

（4）故障仿真：模擬電網事故、設備事故發生后，發生電網潮流變化和繼電保護連鎖動作，支持學員進行處理、切除或隔離故障點，恢復送電，將事故的影響降到最低。仿真系統具備完整的故障類型，可任意設置簡單或一二次組合故障。故障發生后的動態響應應與實際基本一致。

（5）實現培訓功能：模擬變電站運行或故障狀況對電網的影響，使得運行人員掌握基本運行操作，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。

5 結語

在將來變電站仿真培訓系統上進行仿真操作培訓應用研究，可以彌補傳統的理論教學方法、實踐教學方法及課件教學方法的不足，充分利用仿真系統能將理論與實踐相結合的強大優勢，發揮具有較強的操作與培訓靈活性的特點，研究與拓展該系統在培訓方面的實際應用，充分發揮仿真機的優勢，提高特高壓變電站運維、運檢技術培訓效果，具有十分重要的現實意義。

參考文獻

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注釋

該仿真系統為國網浙江省電力公司群眾性創新項目，計劃編號：5211MR14004Z-07。