一種新型電力系統(tǒng)二次設(shè)備模型構(gòu)建方法

李紅軍 劉亞磊

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，成都 611133）

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一種新型電力系統(tǒng)二次設(shè)備模型構(gòu)建方法

李紅軍 劉亞磊

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，成都 611133）

隨著電力培訓(xùn)技術(shù)的快速發(fā)展及培訓(xùn)仿真新需求的不斷出現(xiàn)，對(duì)二次設(shè)備模型構(gòu)建技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的二次設(shè)備模型構(gòu)建技術(shù)無(wú)法精確的描述二次設(shè)備模型的物理機(jī)理，且不滿足快速配置部署實(shí)用化的要求。針對(duì)這些問(wèn)題，提出了一種新型電力系統(tǒng)二次設(shè)備模型構(gòu)建方法。基于該方法開發(fā)的電力培訓(xùn)仿真系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，二次設(shè)備仿真模型的擴(kuò)展通用性強(qiáng)，具備自動(dòng)識(shí)別功能。

二次設(shè)備；模型構(gòu)建技術(shù)；電力培訓(xùn)

電力培訓(xùn)仿真系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)又是電力公司進(jìn)行技術(shù)技能培訓(xùn)與教學(xué)的一種行之有效的手段。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展及智能化水平的不斷提高，對(duì)電力系統(tǒng)二次設(shè)備培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。

傳統(tǒng)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的二次設(shè)備模型在實(shí)用性簡(jiǎn)化方面做了較大的嘗試，然其簡(jiǎn)化模型與真實(shí)模型仍有一定的差距，且不滿足當(dāng)前運(yùn)維一體化、調(diào)控一體化培訓(xùn)仿真統(tǒng)一建模的要求[1]。電力培訓(xùn)仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及當(dāng)前電力培訓(xùn)仿真的新需求都迫切需要提供一種新型二次設(shè)備模型構(gòu)建技術(shù)，且要求此二次設(shè)備模型構(gòu)建技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確詳細(xì)描述二次設(shè)備模型的物理特性，同時(shí)又能夠滿足快速配置部署實(shí)用化的要求。

目前電力系統(tǒng)培訓(xùn)仿真軟件主要有面向信息、數(shù)據(jù)、過(guò)程、決策、對(duì)象等五種建模方法。

面向信息的建模方法依托于系統(tǒng)的邏輯數(shù)據(jù)模型，且所有基本數(shù)據(jù)實(shí)體及其相互關(guān)系是通過(guò)一個(gè)全局信息需求視圖來(lái)說(shuō)明的，并在此基礎(chǔ)上逐步構(gòu)造整個(gè)模型，信息模型記錄系統(tǒng)運(yùn)行所需的信息實(shí)體。

面向?qū)ο蟮慕７椒ㄊ峭ㄟ^(guò)采用封裝、繼承、多態(tài)的技術(shù)來(lái)構(gòu)造模擬的，同時(shí)它也是解決復(fù)雜問(wèn)題較優(yōu)的方法[2-4]。由于對(duì)象系統(tǒng)與解題系統(tǒng)既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，因此比較容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不斷擴(kuò)展和維修的功能。電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜多階的系統(tǒng)，建模所需的數(shù)據(jù)量非常龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且模型的結(jié)構(gòu)、規(guī)模隨電力系統(tǒng)變化而經(jīng)常變化。

集測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)、控制等多功能于一體的智能組件是一次設(shè)備智能化的發(fā)展方向，智能組件具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，較高的監(jiān)測(cè)靈敏度、自診斷報(bào)警等功能，技術(shù)先進(jìn)且運(yùn)行可靠。電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展促使了型號(hào)多，功能復(fù)雜，集成度高的二次設(shè)備的大量出現(xiàn)[5-10]。大量智能變電站的出現(xiàn)推動(dòng)了智能電子設(shè)備（IED）的廣泛使用，為便于變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)，迫切需要一種通用的通信方式。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

本文提出了一種新型電力系統(tǒng)二次設(shè)備模型構(gòu)建方法，結(jié)合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)可視化手段建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，使二次設(shè)備仿真模型的擴(kuò)展通用性強(qiáng)，能夠自動(dòng)識(shí)別。

1　模型構(gòu)建的原理

基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)建立的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的通信體系主要包括站控層、間隔層、過(guò)程層三個(gè)部分。站控層將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息按照既定的協(xié)議傳輸?shù)秸{(diào)控中心，并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的刷新，且具有對(duì)過(guò)程層、間隔層設(shè)備進(jìn)行在線組態(tài)、在線修改參數(shù)、在線維護(hù)等功能。間隔層主要起承上啟下的通信功能，能夠同時(shí)完成與站控層及過(guò)程層的網(wǎng)絡(luò)通信。過(guò)程層是一、二次設(shè)備的結(jié)合面，即電氣設(shè)備的智能化部分。將變電站內(nèi)的測(cè)控單元、智能電子設(shè)備都采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交換。IEC 61850具有配置語(yǔ)言、抽象通信服務(wù)接口、面向?qū)ο蠼５忍攸c(diǎn)，且通過(guò)IEC 61850可構(gòu)建實(shí)際設(shè)備和設(shè)備組件。

依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的定義，二次設(shè)備模型由邏輯節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。如圖1所示，邏輯節(jié)點(diǎn)是根據(jù)二次設(shè)備功能定義的基本單元模塊，邏輯節(jié)點(diǎn)包含相應(yīng)的屬性和功能，可以體現(xiàn)二次設(shè)備的狀態(tài)、參數(shù)、定值、接口和單元連接拓?fù)潢P(guān)系等。

圖1　二次設(shè)備仿真模型結(jié)構(gòu)

可視化、組件化的二次設(shè)備建模技術(shù)依據(jù) IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，采用圖模一體的維護(hù)工具將二次設(shè)備的內(nèi)部元件抽象為邏輯節(jié)點(diǎn)，并按照實(shí)際電氣回路進(jìn)行圖形化組合搭建，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二次設(shè)備及回路詳細(xì)模型的構(gòu)建。

這種二次設(shè)備仿真模型不僅可以描述設(shè)備的內(nèi)部物理功能屬性，同時(shí)又能準(zhǔn)確地模擬所有外觀屬性和動(dòng)作屬性。這種可視化的建模技術(shù)將原先通過(guò)內(nèi)部執(zhí)行代碼實(shí)現(xiàn)仿真功能抽象為圖形化的元件組合搭建，直觀明了，復(fù)用方便，其可以基于已有模型進(jìn)行局部調(diào)整便可以形成新的設(shè)備模型，無(wú)需重新開發(fā)，節(jié)省了開發(fā)周期和成本，保證了系統(tǒng)的開放性。

通過(guò)收集和整理電網(wǎng)中的各種二次設(shè)備模型，二次設(shè)備模型庫(kù)將逐步得以擴(kuò)充和豐富，并最終形成完整的二次設(shè)備模型庫(kù)。用戶通過(guò)參數(shù)設(shè)置便可以快速實(shí)現(xiàn)仿真電網(wǎng)中的二次設(shè)備及回路的實(shí)例化。

2　模型構(gòu)建的步驟及模型特征

1）使用可視化建模工具，繪制電力系統(tǒng)主接線圖和廠站交、直流圖，根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)生成仿真系統(tǒng)軟總線。

2）使用可視化建模工具，繪制二次設(shè)備外觀。

3）分析二次設(shè)備屬性和功能。

4）分析二次設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，并從軟總線中訂購(gòu)二次設(shè)備的輸入，分析輸出數(shù)據(jù)，如有必要，定義擴(kuò)展系統(tǒng)軟總線。

5）使用建模工具，定義二次設(shè)備的外觀邏輯節(jié)點(diǎn)。

6）按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)格式，擴(kuò)展模型內(nèi)部屬性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表述模型行為的內(nèi)部機(jī)理，實(shí)現(xiàn)功能屬性的定義。

7）按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)格式，存儲(chǔ)二次設(shè)備的模型。

本文提出了一種新型電力系統(tǒng)二次設(shè)備建模方法，主要用于電網(wǎng)及廠站仿真中的二次設(shè)備建模，其特征在于：

1）所述方法使用可視化建模工具，繪制電力系統(tǒng)主接線圖和廠站交、直流圖，并根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)生成仿真系統(tǒng)軟總線。

2）所述方法使用可視化建模工具，繪制二次設(shè)備外觀。

3）所述方法從軟總線中訂購(gòu)二次設(shè)備的輸入，并可定義輸出數(shù)據(jù)，擴(kuò)展系統(tǒng)軟總線。

4）所述方法使用建模工具，定義二次設(shè)備的外觀邏輯節(jié)點(diǎn)。

5）所述方法按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)格式，擴(kuò)展模型內(nèi)部屬性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，表述模型行為的內(nèi)部機(jī)理，實(shí)現(xiàn)功能屬性的定義。

6）所述方法按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)格式，存儲(chǔ)二次設(shè)備的模型。

基于此二次設(shè)備建模技術(shù)建立的培訓(xùn)仿真平臺(tái)，能夠建立跟實(shí)際相符的運(yùn)維一體化 3D仿真場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員在場(chǎng)景中進(jìn)行維護(hù)、運(yùn)行巡視、檢修、任意漫游、可視化操作體驗(yàn)等功能。基于此二次設(shè)備建模技術(shù)建立的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)具備變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備C、D類檢修等工作仿真培訓(xùn)功能。在管理模式上，基于此二次設(shè)備建模技術(shù)建立的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) “運(yùn)維操作班”模式，使得變電運(yùn)維人員及其他各專業(yè)人員得到從理論到實(shí)際操作全面詳細(xì)仿真培訓(xùn)。

3　應(yīng)用實(shí)例

該方法已成功應(yīng)用于成都某一培訓(xùn)中心，基于該方法開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件全范圍、全過(guò)程、全場(chǎng)景、全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)了 1000kV變電站仿真、± 500kV換流站仿真、500kV變電站集控/運(yùn)維一體化仿真，220kV及以下電壓等級(jí)變電站集控/運(yùn)維一體化仿真。此仿真系統(tǒng)可開展變電站/換流站集中監(jiān)控培訓(xùn)、設(shè)備巡視培訓(xùn)、倒閘操作培訓(xùn)、異常及事故處理培訓(xùn)、電網(wǎng)/變電站聯(lián)合反事故演習(xí)、一二次設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理培訓(xùn)、相關(guān)專業(yè)管理和技術(shù)人員工作情境認(rèn)知培訓(xùn)等項(xiàng)目。

圖2、圖3、圖4和圖5為采用上述建模方法所生成的圖，其中，圖2為模型數(shù)據(jù)瀏覽圖，圖3為設(shè)備建模工具產(chǎn)生IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展模型圖，圖 4為電網(wǎng)建模工具自動(dòng)產(chǎn)生的一次系統(tǒng)軟總線圖，圖5為直流供電系統(tǒng)軟總線圖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，此建模方法的優(yōu)點(diǎn)如下。

圖2　模型數(shù)據(jù)瀏覽

圖3　IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展模型

圖4　一次系統(tǒng)軟總線

圖5　直流供電系統(tǒng)軟總線

1）不僅能夠準(zhǔn)確詳細(xì)描述二次設(shè)備模型的物理特性機(jī)理，而且準(zhǔn)確地模擬所有外觀屬性和動(dòng)作屬性。

2）采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，能夠快速配置部署。

3）可以直接使用基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際二次設(shè)備導(dǎo)出模型，在此基礎(chǔ)上建立仿真模型。

4）依據(jù)此建模方法，可以實(shí)現(xiàn)不同廠家仿真模型的互操作性，形成不同的二次設(shè)備仿真模型加工廠。

5）該建模方法簡(jiǎn)單，且易實(shí)現(xiàn)。

4　結(jié)論

本文提出了一種新型電力系統(tǒng)二次設(shè)備模型構(gòu)建方法，基于該建模方法的二次設(shè)備仿真模型既描述了設(shè)備的內(nèi)部物理功能屬性，也準(zhǔn)確地模擬所有外觀屬性和動(dòng)作屬性。

1）該建模方法采用可視化的建模技術(shù)，直觀明了，復(fù)用方便，其可以基于已有模型進(jìn)行局部調(diào)整便可以形成新的設(shè)備模型，無(wú)需重新開發(fā)，節(jié)省了開發(fā)周期和成本，保證了系統(tǒng)的開放性。

2）此建模方法采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了快速配置部署的功能，可以直接使用基于 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際二次設(shè)備導(dǎo)出模型，并在此基礎(chǔ)上建立仿真模型。

3）該建模方法實(shí)現(xiàn)了不同廠家仿真模型的互操作性，并可以形成不同的二次設(shè)備仿真模型加工廠。應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了該方法的正確性和優(yōu)越性，是二次設(shè)備模型構(gòu)建技術(shù)的新突破。

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李紅軍，男，漢，四川眉山人，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)運(yùn)行類人才培養(yǎng)與開發(fā)、電網(wǎng)新技術(shù)應(yīng)用與推廣工作。

The New Construction Method of Secondary Power System Equipment Model

Li Hongjun Liu Yalei
(State Grid Sichuan Technical Training Center, Chengdu 611133)

With the rapid development of power train technology and the new emerging demand of training simulation, higher requirements are putting forward to the construction technology of secondary equipment Model. The physical mechanism of secondary device model is not accurately described by conventional secondary equipment Model construction technology. Model construction technology, which can’t meet the rapid deployment of practical configuration requirements. To solve these problems, a method is proposed to build a secondary power system equipment models which is based on object-oriented and information-oriented combination. Training Simulation System based on the method is running stable and reliable, and the expansion of secondary equipment simulation model is versatility.

secondary equipment; model technology; power training