變電站三維仿真系統(tǒng)的應用實踐

沈海軍， 梁克靖， 支 琴

(上海交通大學 a. 后勤保障中心; b. 電子信息與電氣工程學院; c. 招標辦, 上海 200240)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟、社會的發(fā)展，人們對于電能的需求不斷增長，國家電網(wǎng)公司早在2009年特高壓電技術國際會議上提出了名為“堅強智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，標志著我國新一輪的電網(wǎng)建設已經(jīng)開始。作為電網(wǎng)中重要組成部分，變電站的建設與改造成為國家戰(zhàn)略布局的重中之重。

近年來，隨著新能源的興起與電力設備的更新?lián)Q代，電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了結構性的變化，常規(guī)的變電站已經(jīng)無法滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，智能變電站的建設與普及迫在眉睫[1-2]。按照國家的整體戰(zhàn)略布局，在“十三五”期間，我國將新建7 700座智能變電站，并預計對現(xiàn)有變電站全部進行智能化改造。

伴隨著越來越多的新一代智能變電站的落地，人才的培養(yǎng)也自然而然的成為了下一個亟待解決的難題，其主要體現(xiàn)在以下3個方面：① 變電站建設與改造模塊化，“以功能需求為向導”的理念貫穿于我國智能變電站設計與建造之中，通過大范圍的規(guī)范多種電力設備的集成方式和接口規(guī)劃，使得從業(yè)人員需要掌握更多的新技術、新技能，以便開展工作。② 一次設備智能化與二次設備網(wǎng)絡化，電力設備的更新?lián)Q代對從業(yè)人員的綜合素質有了更高的要求，尤其在舊站改造過程中，如何能夠使得員工快速熟悉新設備、新規(guī)程更是一項新的課題。③ 設備檢修狀態(tài)化，以往的變電站設備檢修工作通常是定期檢修，人工投入較大，效率不高，現(xiàn)在的變電站則主要是以狀態(tài)檢修為主，對故障處理的反應速度要求更高[3]。智能電網(wǎng)與智能變電站的快速發(fā)展給電力行業(yè)的操作管理帶來了巨大的變化，但是變電站的特殊工作環(huán)境使得變電站的工作人員或者在校學生，都不可能在實際的變電站中把所有可能遇到的問題及故障處理全部進行演練[4-6]。因此，變電站仿真系統(tǒng)的應用實踐就顯得尤為必要。

1 變電站三維仿真系統(tǒng)概述

系統(tǒng)實現(xiàn)變電站一次、二次設備的全數(shù)字仿真，變電站整體場景及電力設備的仿真模型采用3D建模技術搭建，不同的電力設備3D模型再經(jīng)數(shù)據(jù)庫接口和系統(tǒng)引擎鏈接到相應的電力線路邏輯模型，整體操作方式基于Window系統(tǒng)，擴展性較強。

(1) 硬件架構。系統(tǒng)硬件主要包括服務器、教員機、學員機3部分，其組成結構如圖1所示。

圖1 變電站三維仿真系統(tǒng)的硬件組成

服務器主要承擔數(shù)據(jù)管理與通信的功能，數(shù)據(jù)庫包括電網(wǎng)模型、建模軟件、圖片資料、模擬操作過程記錄等。教員機主要用來布置仿真任務、設置系統(tǒng)故障、仿真過程把控等。學員機是面向學員的人機交互接口，學員可對模擬設備發(fā)送控制命令、查看系統(tǒng)狀態(tài)、事件信息等。

(2) 軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)分為二維與三維仿真兩部分，各部分主要功能如下：

二維仿真主要模擬變電站的監(jiān)控系統(tǒng)、潮流計算以及二次邏輯計算和信號處理。其中監(jiān)控系統(tǒng)包括：變電站的電氣主接線圖、站內輔助電源的接線圖、運行趨勢圖、監(jiān)控系統(tǒng)配置圖、告警信息表、操作信息等。潮流計算主要對變電站的一次系統(tǒng)進行潮流計算分析。二次邏輯圖采用圖形化建模，模擬 CT/PT 二次走線，保護屏柜的二次接線，現(xiàn)場屏柜的控制回路以及測控系統(tǒng)的信號傳送等。

三維仿真主要進行變電站全景的動態(tài)模擬，包括主界面、變電保護室等場景，并可模擬電力設備操作及變電站巡視過程，例如控制開關、掛接地線、填寫巡視記錄，設置圍欄等操作。變電站三維模擬如圖2所示。

圖2 變電站三維系統(tǒng)模擬圖

根據(jù)上述功能可以開展教學和培訓考試等工作。可通過教員機設置變電站一次、二次系統(tǒng)故障，及變電站異常工況，進行故障分析和復位倒閘操作來進行教學實踐。也可通過教員機添加動態(tài)題庫，對變電站員工或學員進行培訓考試，便于學員在此平臺上進行學習實踐。

2 變電站系統(tǒng)故障仿真應用

仿真系統(tǒng)的應用可以使得學員能夠在虛擬狀態(tài)下掌握變電站運行規(guī)則、了解變電站可能會出現(xiàn)的故障，學習故障分析的方法，掌握變電站故障的處理流程[7]。變電站電力系統(tǒng)運行故障種類較多，本文選取比較典型的母線接地短路故障，以變電站500 kV母線II B相接地短路故障來進行分析。

(1) 故障設置。通過教員機進行故障設置，從數(shù)據(jù)庫的故障詳單設置列表里選擇變電站500 kV母線II B相接地短路故障設置，設置界面如圖3所示。

圖3 教員機故障設置界面圖

(2) 故障現(xiàn)象與分析。學員機接收到教員設置的故障之后，繼電保護隨即做出反應，從主接線圖可以看到與母線II相連的斷路器均動作跳閘，呈現(xiàn)紫色綠色交替閃爍，主接線圖如圖4所示。

圖4 500 kV主接線圖

在繼保動作之后，同時查看仿真系統(tǒng)中的光字牌和告警窗，如圖5～6所示。光字牌作為故障提示窗口，方便進行故障定位；而告警窗則記錄了所有的動作信息與觸發(fā)時序，有利于故障分析，二者一一對應、相輔相成。

圖5 仿真系統(tǒng)光字牌示意圖

圖6 仿真系統(tǒng)告警窗示意圖

由圖5可以看出， II母線的第1套、第2套母差保護與其出口保持繼電器均發(fā)生動作。在仿真系統(tǒng)里進行確認之后，見母差保護光字牌回歸初始狀態(tài)，表示母差保護動作后已經(jīng)自動復位，而出口保持繼電器光字牌則保持紅色常亮，表示該繼電器不可自動復位，需要操作員手動復位。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，II母線設置有兩套平行的保護裝置，每套保護都包括差動保護和距離保護。主變側(一線)差動保護，當II母線B相短路接地時，流進保護裝置的電流和流出的電流不相等,差動電流大于差動保護裝置的整定值,上位機報警保護出口動作,差動繼電器動作,作用于斷路器跳閘。

(3) 故障處理。由于母線故障為永久性故障，系統(tǒng)不會自動清除，需要通過仿真軟件操控排除故障，再進入3D場景中完成復位操作。以II母線第一套母差保護和如圖7所示的繼電器箱為例進行說明。

圖7 500 kV II母線第一套母差保護和繼電器箱3D模型圖

進入變電站保護室，找到母線保護柜，在此3D場景中按下右下角復位按鈕即為手動對II母線第一套保護出口保持繼電器復位，等待數(shù)秒后，左側四盞紅燈熄滅，如圖8所示。按下右上角II母線保護差動保護復位按鈕，使其回到初始狀態(tài)。之后，回到主接線圖界面，進行合閘操作，系統(tǒng)恢復至運行狀態(tài)。

圖8 500 kV II母線第一套母差保護和繼電器箱

通過上述故障現(xiàn)象的判斷、分析以及處理的仿真實踐，可以鍛煉學員邏輯思維以及理論聯(lián)系實際的能力[8-10]。

3 變電站故障巡視仿真應用

在變電站的實際運行中，站內的電力設備也會出現(xiàn)多種故障，比如瓷瓶破裂、避雷器均壓環(huán)損壞、油枕泄漏等[11]。變電站三維仿真系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場真實情況進行3D建模，構建變電站三維場景，結合動態(tài)運動程序，可以以第一視角模擬變電站的巡視任務。系統(tǒng)內置了大量的電力設備工況異常狀態(tài)，可以通過教員機設置異常工況的類型與數(shù)量。

故障巡視仿真的具體操作過程如下：

(1) 設置異常工況。教員機選擇巡視任務，設置異常工況，發(fā)布到學員機。

(2) 故障記錄。學員在變電站場景下，完成教員機設定的巡視任務，模擬變電站實際巡視路線、記錄巡視日志，并將發(fā)現(xiàn)的設備異常記錄上報。比如：可以通過設置參數(shù)模擬變電站主變發(fā)生異常情況導致冒煙現(xiàn)象出現(xiàn)，其3D仿真模擬效果如圖9所示。

圖9 變電站巡視仿真示意圖

通過上述故障巡視仿真，可以對學員的觀察能力進行考核，起到了很好的教學培訓效果。

4 變電站操作票仿真應用

操作票是指在電力系統(tǒng)中進行電氣操作的書面依據(jù)，包括調度指令票和變電操作票，是防止誤操作(誤拉、誤合、帶負荷拉、合隔離開關、帶地線合閘等)的主要措施[12]。變電站從業(yè)人員對于操作票的練習是日常工作的一大要點[13-14]。該系統(tǒng)提供了操作票仿真的功能，下面以500kV I母線(第一套)母差保護從發(fā)生故障到恢復正常運行狀態(tài)為例介紹其過程。

(1) 操作票執(zhí)行。教員機通過該仿真系統(tǒng)指導學員學習變電站操作票執(zhí)行流程，并發(fā)布執(zhí)行命令。其對應的操作票如圖10所示。

圖10 500 kV I母線(第一套)母差保護從發(fā)生跳閘故障到

(2) 操作票執(zhí)行過程。通過3D場景進入500 kV保護室，依次檢查500 kV I母線第一套母差保護裝置運行狀態(tài)以及繼電器箱面板上動作指示燈，若上述條件滿足操作票要求，在相應核對欄里打勾。然后在500 kV I母線保護柜內停用操作票中所示壓板，操作完成后，在相應核對欄里打勾。

通過操作票模擬仿真的訓練，可以使學員快速的掌握變電站操作票的操作規(guī)范，與實際操作能夠更好的銜接[15]。

5 結 語

智能變電站已經(jīng)成為近年來我國電網(wǎng)建設的重點，相應的高素質電力人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為急需解決的問題。傳統(tǒng)的二維仿真系統(tǒng)已經(jīng)無法適應新一代智能變電站模塊化、智能化、網(wǎng)絡化的新需求，而新一代的變電站三維仿真系統(tǒng)具有較好的兼容性、真實性和可擴展性，可以滿足當前變電站人才專業(yè)性培養(yǎng)的需求。通過3個典型的變電站仿真應用，介紹了三維變電站仿真系統(tǒng)的主要功能以及操作處理流程，具有較好的實踐效果，為電力人才的培養(yǎng)提供了一個較好的平臺。