1000kV特高壓變電站仿真教學系統的實現

程興民 毛海波 朱永昶 彭煒

摘 要：以1000kV特高壓安吉站仿真教學系統開發為例，介紹如何根據特高壓變電站一、二次電氣設備機構，確定仿真系統開發的電氣設備仿真范圍、系統仿真模式、實際教學內容及實現方式，闡述特高壓智能變電站站控層、間隔層和一次電氣主設備的仿真設計需求。這些內容不但能作為特高壓智能變電站仿真系統的開發目標和測試標準，而且也可用于設計特高壓集控站的仿真教學系統。

關鍵詞：特高壓變電站；智能變電站；仿真教學系統

0 引言

1000kV特高壓變電站采用智能變電站的設計模式，站控層、間隔層通信采用IEC61850標準通信協議。這對變電站運維人員的素質提出了更高的要求，因此必須開發1000kV特高壓變電站仿真系統，更好地開展運維人員技能教學。

變電站仿真教學系統（Substation Training Simulation System，簡稱STS）主要分為盤臺模式和純軟件模式[1]，還有部分設計采用硬件加軟件的物理混合仿真模式。盤臺模式采用按照與實際變電站1：1的比例，設置開關控制屏、機電保護裝置、測控裝置等硬件，組成實物教學系統，物理混合仿真模式是采用軟件加硬件的仿真模式，上述兩個模式真實度高，但成本較高、通用性也不強。純軟件模式則是通過軟件開發，對站內一、二次電氣設備進行虛擬三維建模，建立虛擬仿真教學系統，其成本較低且易于后期維護。相比較而言，采用純軟件模式開發仿真教學系統具有更強的優越性。

本文結合1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統，介紹如何根據特高壓變電站的實際情況來確定仿真教學系統的仿真范圍、開發模式、教學內容、建立方法及仿真設計需求。研究的仿真系統可提供先進、完善的特高壓變電站運維人員教學手段，將在特高壓變電站教學中發揮重要作用，對推動我國特高壓電網人才培養產生深遠影響。

1 1000kV特高壓安吉站功能

1000kV特高壓安吉站的綜合自動化部分采用智能變電站架構，分層分布式布置，分為站控層、間隔層上下兩部分。間隔層由5個繼保小室組成，主要由保護裝置、測控裝置等間隔層設備組成，實現保護、控制、電氣模擬量、設備狀態量采集等功能。站控層采用計算機通信網絡系統，為許繼公司CJK-8506B能一體化監控系統，分布于主控樓計算機室，主要由操作員工作站、數據服務器、綜合服務器、調動通信網管機等設備組成，其功能如下：

（1）操作員工作站實現傳統的“四遙”功能，即遙控、遙信、遙測、遙調。

（2）數據服務器實現特高壓智能變電站全站數據的集中存儲，為各類自動化系統應用提供訪問服務和數據查詢。

（3）數據通信網關機實現智能變電站與調度、生產等主站系統之間的通信，為主站系統實現智能變電站監控、遠程瀏覽和信息查詢等功能提供模型、數據和圖形的傳輸服務。

（4）綜合服務器實現與在線監測、電源、計量、消防、安防和環境監測等設備的信息通信，通過統一展示和綜合分析，實現一次電氣設備和輔助設備的運行監視與控制。

站控層與間隔層之間采用MMS雙網通信，實現間隔層設備、電氣設備各類信號的上傳以及站控層控制命令的下發。間隔層測控裝置之間采用GOOSE網通信，實現防誤邏輯閉鎖信息的交換。

2 仿真范圍、模式、教學內容及實現方法

2.1 仿真范圍

首先要確定所要仿真的變電站和系統。作為1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統，對安吉站需要進行詳細建模仿真，與本站相連的所有線路應詳細建模仿真，線路對側變電站可以采用等值模型進行仿真，對側變電站開關連接到無窮大電源系統，相應負荷工況采用典型工況，同時可以實現人工設置。

1000kV特高壓安吉站內需要詳細仿真的部分包括一次電氣主設備、間隔層設備繼電保護裝置、間隔層測控裝置、站控層操作員工作站。數據服務器、綜合服務器、數據通信網管機等設備與日常運維操作、監視關系不密切，因此相應功能不列入仿真教學系統。

2.2 仿真模式

1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統，不采用以硬件為主的物理混合仿真模式或盤臺仿真模式，而采用純軟件仿真模式。一次電氣主設備、站控層自動化設備和間隔層保護測控設備全部采用軟件仿真，簡練三維仿真模型，實現三維展示，除計算機和必要的通信網管機外沒有其他硬件。特高壓變電站的仿真系統可以單獨安裝在1臺服務器上，也可以采用多臺計算機組網的方式運行。對于采用網絡模式的仿真教學系統，可在每臺計算機上安裝不同的軟件資源，構成以下模式：

（1）分布式模式，即圖形界面軟件可按照操作員工作站、繼電保護小室、變壓器等一次配電裝置等劃分，安裝在1臺或多臺計算機上，其他教員管理軟件、仿真模型、工程維護也可安裝在一臺或多臺計算機上。

（2）網絡教學模式，即仿真教學系統由多臺學員機和1臺教員機服務器組成。教員機服務器安裝教員機仿真計算軟件，實現各類工況、故障、異常的設置，并可發送到學員機進行仿真教學。每臺學員機單獨安裝學員機仿真計算軟件，接受教員機服務器發送的各類仿真工況，展示學員機仿真界面；為使教學方式更靈活，可將教員機的設置功能安裝在學員機上，教學學員可以自學，也可以在教員指導下學習，實現同步教學不同技能水平學員的目的。

1000kV特高壓安吉站的仿真教學系統，采用網絡教室模式，由1臺教員機服務器和多臺學員機組成。

2.3 仿真內容

分析1000kV特高壓變電站日常運維工作，同常規500kV綜合自動化變電站或智能變電站類型基本一致，因此1000kV特高壓安吉站仿真教學系統實現的教學功能與常規500kV變電站仿真教學系統相同，主要有5方面的教學內容：

（1）變電站運行工況調整及監視控制模擬教學；

（2）倒閘操作模擬教學；

（3）事故處理模擬教學；

（4）異常告警及處理模擬教學；

（5）正常及事故巡檢模擬教學。

2.4 實現方法

本仿真教學軟件可在Windows XP以上版本的操作系統運行，整個仿真系統從軟件結構上可分為人機界面、數據庫以及應用程序3個部分。用戶界面的一次電氣主設備巡檢界面采用AuthorWare多媒體平臺開發，其他二次設備界面采用Wizcon軟件進行工控組態，使之與許繼CJK-8506B監控界面完全相同。數據庫利用Microsoft的SQL Server，應用程序采用Visual C++進行開發，網絡通信協議采用TCP/IP，應用程序和Wizcon、Author Ware之間采用動態鏈接庫進行數據通信。

3 1000kV特高壓變電站的仿真設計要求

根據1000kV特高壓安吉站的一、二次電氣設備的實際情況，仿真的具體要求如下：

（1）仿真總體要求

特高壓變電站仿真應采用三維模型，將一、二次設備制作成可復用的三維組建，形成一、二次設備虛擬組件庫，根據仿真系統需要從三維模型庫中抽取相應的設備模型，構成三維變電站仿真場景。變電站一、二次電氣設備三維仿真軟件實現虛擬保護屏、測控裝置及一次設備仿真功能，能實現變電站測控屏、保護屏、綜合自動化系統和交直流系統的全面仿真，能夠完整再現變電站一、二次設備三維場景，實現斷路器及其操作機構、隔離開關及操作機構、一次設備端子箱以及電流互感器、電壓互感器端子箱等設備的行為仿真，全面、真實地模擬一次設備場景，實現變電站一次、二次設備的監控、巡檢、倒閘操作、事故處理等功能。

（2）間隔層仿真要求，對5個繼保小室內所有屏柜要進行仿真。繼電保護裝置依據原理建模，實現靈活設置各類一次設備故障、二次繼電保護可正確動作的功能，仿真界面三維展示。每個屏柜要仿真的內容包括：

①繼電保護裝置、測控裝置液晶面板、信號燈要正確顯示相應裝置實際運行工況。例如，保護啟動、保護故障、保護動作等狀態。

②屏柜按鈕可操作，并且與相應保護、測控裝置聯動，按鈕操作后，裝置顯示其應有的狀態。

③控制和切換開關可操作，實現控制和切換開關操作后位置展示，同時將開關位置與一、二次設備聯動，仿真其對繼電保護裝置、測控裝置、一次設備動作行為的影響。

④二次壓板可操作，壓板與相應二次設備動作邏輯關聯，可模擬壓板誤操作對保護裝置的影響。

（3）站控層仿真要求，主要由監控人機界面組成。

監控機主要仿真監控系統“四遙”功能，實現監控系統主接線、事件告警窗口和光字窗口等信息與站內一、二次設備狀態完全一致。

①實現監控在監控界面操作開關/刀閘，經過相應五防邏輯判斷，滿足五防邏輯可操作命令可正常下發，相應一次設備聯動，告警報文與站內一致，不滿足五防邏輯，則操作失敗，并提示操作失敗的原因。

②故障狀態發布后，或倒閘操作過程中誤操作引起故障時，監控后臺事件報警窗信息、主接線圖設備狀態、光字牌信息、潮流信息均能正確變化。

③設備潮流、母線電壓、變壓器溫度等越限時，事件報警窗中顯示相應報警信息。

（4）變電站設備巡檢仿真要求。

本系統采用三維模型展示整個變電站的虛擬場景，可設置各類一次設備異常，如瓷瓶裂紋、設備滲漏油、設備發熱等；可以設置各類二次設備異常，如保護裝置死機、交換機死機、保護裝置TA斷線、TV斷線等，并經相應處理后設備可恢復正常運行，從而提升學員處理異常的能力。

4 結論

本文針對1000kV特高壓安吉站的結構及功能，設計了特高壓變電站仿真系統，是一個創新、開放、可分布運行于各變電站的仿真系統，使用方式靈活。采用純軟件模式成本低、后期維護方便，在教學效果上采用全三維方式，建立虛擬變電站，效果良好。

參考文獻

[1]張東英，周慶捷，柳焯.基于微機局域網的變電站仿真培訓系統[J].華北電力技術，1998，206，（2）：66-68.

[2]張東英，楊以涵.變電站仿真培訓綜述[J].電力系統自動化，1999，23，（23）：11-14.

（作者單位：1.國網浙江省電力公司檢修分公司；2.國網浙江省電力公司培訓中心；3.江蘇省啟動市第二中專）