智能變電站培訓仿真系統的研究與開發

張　豐，郭碧媛，朱　菁，高秋峰，陳余航

（1.國網福建省電力公司福州供電公司，福州　350009；2.國網福建省電力公司管理培訓中心，福州　350009）

智能變電站培訓仿真系統的研究與開發

張豐1，郭碧媛1，朱菁2，高秋峰1，陳余航1

（1.國網福建省電力公司福州供電公司，福州350009；2.國網福建省電力公司管理培訓中心，福州350009）

為有效提升智能變電站運行人員的培訓質效，研究和開發了智能變電站培訓仿真系統。將真實監控系統引入變電站仿真培訓系統，開發基于SCD文件解析的網絡通信仿真模塊，采用定值與邏輯結合的方法仿真二次設備，利用三維虛擬場景模擬設備外觀、主設備內部結構和原理，可實現智能變電站設備巡檢、設備操作、異常及事故處理等培訓。

仿真；SCD；邏輯仿真；定值仿真；虛擬仿真

0　引言

智能變電站已在國內多個省投運，但目前對運維人員的技能培訓遠遠落后于智能變電站的發展應用，因此，開展智能變電站的運維培訓勢在必行。

變電站仿真技術在傳統變電站培訓系統上的應用已經成熟，但對智能變電站培訓仿真系統的研究還比較少。文獻［1］采用數字物理混合仿真，一次系統和間隔層設備采用軟件仿真，過程層設備利用硬件搭建模擬設備的方案。文獻［2－3］也采用數字物理混合仿真方法，不同的是二次系統采用的是真實的設備，一、二次系統通過高速實時總線連接。該培訓仿真系統適合繼電保護、自動化、變電運行人員的培訓，但是系統投資大，一次培訓的人數有限，無法開展大規模的運維人員培訓。文獻［4］采用純數字仿真，在傳統變電站數字仿真基礎上引入故障推理數據庫，以此模擬智能變電站的故障異常，這種方式培訓深度有限，取決于故障推理數據庫案例收集的廣度。開發一種智能變電站培訓仿真系統，采用全數字軟件仿真，引入真實監控系統，建立基于IEC61850標準的智能二次設備模型，深度解析智能變電站系統配置文件用以仿真智能變電站的二次網絡系統，適合對運維人員和監控人員開展培訓。

1　系統結構

仿真系統結構如圖1所示，包括5個部分：監控模塊、一次系統模型、二次設備模型、智能變電站場景三維仿真、教員系統和培訓評估考核系統。仿真平臺采用CYBERSIME圖模庫一體化仿真支撐系統，可以實現快速圖形建模。該系統提供幾百個基本二次模型算法和模塊封裝功能，可以實現無限級的模塊封裝，搭建各種復雜的二次設備模型。二次設備模型與一次設備之間建立了無縫連接，能方便準確地實現二次設備與一次系統之間的數據交換。

圖1　智能變電站仿真系統結構

1.1監控模塊

監控模塊采用真實的綜自監控系統，即把真實的監控系統直接作為仿真系統的人機交互子模塊。這種方式的優點在于監控系統完全與實際一致，瀏覽畫面、監控功能、操作方式以及信號查看等與實際一樣，有利于增強培訓效果。

真實的監控系統基于IEC61850標準建設，與仿真平臺的信息交互需通過網絡通信模塊實現。

1.2一次系統模型

一次系統模型包括一次電網模型和一次設備模型。一次電網模型通過網絡拓撲自動分析電網結構動態進行潮流計算和短路故障計算，獲得各節點電壓、電流值（包括幅值和相角）儲存入仿真平臺數據庫供其他模塊使用。一次電網模型能根據各種運行方式計算各節點電壓、電流值，也能根據用戶對負荷的調整計算調整后的電壓、電流值；能根據用戶設定的故障位置、類型和當前運行方式進行短路計算獲取故障后各節點電壓、電流值。

一次設備模型依據設備物理機理建立，仿真設備的全工況動、靜態特性，包括變壓器、斷路器、隔離開關、母線、電容器等設備的運行工況和操作。

1.3電網二次設備模型

二次設備模型在仿真平臺中已經實現了圖形化的模塊建模應用，其算法采用智能二次設備的真實算法。繼電保護裝置、自動裝置等二次設備根據節點電壓、電流展開定值分析，依據分析結果來觸發啟動動作和監控信號。其他二次設備，如網絡設備，根據設置的故障、異常情況按照事先設定的邏輯執行相關的動作行為，并觸發相應的信號，如模擬主變內部故障觸發非電量保護動作、模擬光纖斷鏈導致相關保護出現異常等。

1.4智能變電站場景三維仿真

模擬智能變電站的實際場景，如開關室、保護控制室、主變室，具備變電站巡視功能；模擬變電站一、二次設備的操作，如開關（包括隔離開關）、繼電保護壓板、控制電源操作。

本系統三維仿真還具備設備內部結構瀏覽和工作原理的三維動畫展示，特別對SF6全封閉組合電器（GIS）內部結構進行三維展示，填補了國內仿真系統的空白。

1.5教員系統和評估考核系統

教員系統可靈活控制培訓的模式、內容和進程，對培訓過程進行控制、監視和管理?？稍诮叹殕T臺上根據培訓需要自動生成教案、試題，設置、激發各種單個或復合故障。

評估考核系統能記錄用戶在仿真機系統上的所有操作，根據設置的評分規則實現計算機自動評分功能。還具有集中培訓考核功能，即教練員可以對考核全過程進行集中監督管理，包括試題分發、學員狀態監視、操作結果收集等。

2　仿真內容

2.1基于SCD文件深度解析的網絡通信仿真

變電站配置描述文件SCD用來說明各個孤立的智能設備（IED）是怎樣整合成為功能完善的變電站自動化系統的，包括所有IED的描述、變電站描述以及通信系統描述［5-9］。

SCD文件是基于XML語言的文件［5-9］。對SCD文件的解析就是對XML文件的解析。目前對于XML文件的解析方法有多種方式［10］，考慮到SCD文件的層級結構特點以及方便數據的修改和交換，采用基于文檔對象模型 （Document Object Model，DOM）方法。DOM是一個獨立于平臺和語言的處理文檔信息的常用處理方法，其接口提供了一種通過分層對象模型來訪問XML文檔信息的方式，這些分層對象模型依據XML的文檔結構形成一棵DOM樹。開發人員可以在樹形層次結構中查詢、更改XML信息。

SCD文件本身節點非常多，逐個遍歷十分耗時，所以引入 XML路徑語言 （XML Path Language，Xpath）技術。Xpath是一門在XML文檔中查找信息的語言［11］，用于在XML文檔中通過元素和屬性進行導航。通過Xpath的遍歷快速定位目標節點。

首先利用DOM API將XML文檔中的數據以樹的形式展現出來。然后使用Xpath技術查詢DOM樹篩選需要的節點，將節點信息加載入關系數據庫中，用戶通過人機對話框實現對SCD文件的操作，如可以瀏覽、修改、添加、刪除SCD文件，從而實現模擬SCD文件配置。SCD文件解析程序流程如圖2所示。

圖2　SCD文件解析流程

2.2基于定值和邏輯混合的二次設備仿真

二次設備仿真通常有邏輯仿真和定值仿真兩種方法。邏輯仿真依靠事先設定的邏輯規則以及網絡接線搜尋確定動作邏輯，能滿足速動性和選擇性的要求，但對復雜故障，尤其是需要后備保護配合動作的故障，邏輯關系不易配合，會造成錯誤的動作邏輯；定值仿真建立詳細的數學模型，以短路電流計算結果為依據，判斷保護動作邏輯，仿真結果更真實，邏輯關系簡單，但系統的維護量大，對通過非電量元素啟動的動作邏輯無能為力，如主變非電量保護、通信故障等。

采用定值仿真和邏輯仿真相結合的方式，對電量啟動的繼電保護裝置，建立詳細準確的數學模型，采用真實的繼電保護裝置原理判斷動作邏輯，通過設置合適的啟動定值實現繼電保護動作行為；對非電量元素啟動的二次裝置，建立邏輯規則庫，根據事先設定的規則判斷動作邏輯，如GOOSE斷鏈、交換機故障、控制電源消失等。

2.3基于虛擬仿真技術的三維仿真

2.3.1三維模型建立

三維模型［12］數據來源主要有兩方面：圖像和CAD平面圖。模擬建立工具采用3D-MAX技術。由于設備內部結構圖紙涉及廠家的商業機密，不易獲取，無法通過圖像方式進行建模，因此，本系統在建立三維模型時采用圖像和幾何結合的方式，設備外觀采用圖像建模，如圖3所示；設備內部結構采用幾何建模，如圖4所示。

圖3　設備外觀模型

圖4　設備內部結構

3D-Max次時代烘焙模型和貼圖烘焙技術已基本成熟，通過它可以將高細節模型貼圖烘焙出來，最后在3D-Max里將高細節貼圖給低面數模型，將光照信息變成貼圖，既可以充分表現出模型的細節，也可以減少渲染負荷，同時減輕CPU的負擔，達到視覺和性能的平衡。本系統首次把該項技術引入變電站三維仿真，用于提高計算機系統運行速度，保證三維仿真模型的逼真度和用戶體驗。

2.3.2三維虛擬場景的集成和驅動

三維虛擬場景集成驅動就是利用三維仿真平臺將三維模型進行渲染、交互，讓用戶身臨其境并互動。本系統的三維仿真集成平臺采用Virtools。Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環境虛擬實境編輯軟件，功能強大，在網游開發、多媒體、建筑設計、教育培訓等方面得到廣泛應用。

將三維模型導入到三維仿真集成平臺中進行集成，對模型進行相關編輯，如設置紋理、增加模型場景特效；多媒體信息（包括音頻、視頻、圖片、圖片備注信息等）集成；利用界面設計模塊開發出系統界面，最后打包發布三維虛擬仿真模塊。

2.4應用

系統已在福建省培訓中心開展過多期針對智能變電站運維人員的培訓，培訓內容涵蓋智能變電站一二次設備巡檢、倒閘操作、智能變電站異常及事故處理等內容，收效良好。其中，重點培訓智能變電站區別于常規變電站的內容，如智能變電站的檢修機制、合并單元與智能終端的功能作用、GOOSE與SV網絡信息傳輸以及智能設備運維危險點分析與預控措施。

3　結語

開發的智能變電站培訓仿真系統采用純軟件仿真，首次將真實的監控系統引入變電站仿真培訓系統，達到仿真信號和實際信號一致；開發了真實監控系統與仿真培訓系統的通信模塊，該通信模塊能獲取IED設備的輸入輸出關系以及各IED設備之間的虛端子連接關系；采用定值與邏輯仿真結合的方式仿真二次設備；采用三維虛擬技術建立設備三維場景仿真，不僅展示智能變電站設備外部場景仿真，而且能展示一次主設備的內部結構和動作原理。下階段，將針對智能變電站的網絡部分開展數字仿真研究。

［1］張炳達，吳鵬.智能變電站培訓仿真系統過程層設備研究［J］.電源技術，2013，37（6）：1 025-1 027.

［2］張豐，郭碧媛.數字化變電站培訓仿真系統的建設研究［J］.供用電，2012，29（4）：57-60.

［3］劉豐蓮，劉艷，徐偉，等.智能變電站混合仿真培訓系統的架構研究［J］.企業技術開發，2014，33（15）：4-6.

［4］張洪波，李秋燕.220kV智能變電站仿真培訓系統的研究與開發［J］.電氣應用，2012，31（23）：30-33.

［5］高翔.智能變電站技術［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［6］周曉龍.智能變電站保護測控裝置［J］.電力自動化設備，2010，30 （8）：128-133.

［7］宋杰，高亮，鮑偉，等.基于協同測試系統的智能變電站GOOSE虛端子關聯檢測研究［J］.電力系統保護與控制，2012，40（24）：138－142.

［8］樊陳，陳小川，馬彥宇，等.基于IEC61850的變電站配置研究［J］.繼電器，2007，35（8）：41-44.

［9］吳永超，王增平，呂燕石，等.變電站配置語言的應用及解析［J］.電力系統保護與控制，2009，37（15）：38-41.

［10］馮進，丁博，史殿習，等.XML解析技術研究［J］.計算機工程與科學，2009，31（2）：120-124.

［11］左偉民.完全掌握XML：基礎概念、核心技術與典型案例［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［12］徐健.三維虛擬仿真關鍵技術和示范應用［D］.南昌：江西師范大學，2013.

Research and Development of Intelligent Substation Training Simulation System

ZHANG Feng1，GUO Biyuan1，ZHU Jing2，GAO Qiufeng1，CHEN Yuhang1
（1.State Grid Fuzhou Power Supply Company，Fuzhou 350009，China；2.State Grid Fujian Electric Power Company Management Training Center，Fuzhou 350009，China）

In order to improve the training quality of intelligent substation operation personnel，an intelligent substation training simulation system is developed，in which the real monitoring system is introduced for the first time.A network communication module is developed based on SCD file parsing.A half-logic and semi-value method is used to simulate secondary equipment，the technology of 3D virtual reality is used to simulate the visual scene of equipment and to show the internal structure and action principle of the main equipment.The inspection，operation，treatment of abnormal and fault training of substation equipment are achieved by the system.

simulation；SCD；logic simulation；value simulation；virtual simulation

TM743

A

1007－9904（2016）07－0038－04

2016-03-20

張豐（1971），工程師，高級技師，從事變電運行管理與培訓工作；

郭碧媛（1979），高級工程師，高級技師，從事調控運行管理與培訓工作。