变电站数字物理混合实时仿真培训系统初探

肖京园　刘文定

摘要：文章介绍了我国变电站培训仿真系统的发展及现状，比较了几种典型的培训仿真系统的基本结构及其优缺点，并介绍了最新出现的数字物理混合实时仿真培训系统基本框架。

关键词：变电站；数字物理混合；仿真培训系统；电网运行

中图分类号：TM933文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0015-04

变电站作为电力系统的一个重要部分，其运行状况好坏直接影响到整个电网运行的安全，变电站事故中有相当一部分是由人为操作不当造成的。这其中既有由于电网调度员误发调度令、对异常处理措施不当造成的事故，也有由于变电运行人员走错间隔导致的误操作事故、安全措施不到位误入带电间隔的人身伤亡事故、带电误合接地刀闸、带接地刀闸误合开关、带负荷拉合刀闸、设备缺陷和异常未能及时发现造成的事故。对事故判断不准和向调度汇报不清楚而延误故障处理时间、事故发生后处理不当使事故范围扩大化、对二次设备误操作而引发的事故等情况较多，造成了人身伤亡、设备损坏，甚至发生电网解列、电网崩溃等大面积停电事故。

因此，为保证电网安全、可靠、经济地运行，就必须提高电网调度员、变电站运行人员的技术素质和技能水平，加强变电站运行人员和电网调度员的培训。近年来，随着电力行业培训仿真技术的发展，各类培训仿真系统在电力行业应用越来越广，在提高生产运行人员的生产技能方面发挥了重要的作用。

一、变电站培训系统仿真的发展现状

近十几年来，我国变电站培训仿真系统获得了很大的发展。仿真范围逐步扩大、仿真的逼真度逐步提高。现存的变电站培训仿真系统，根据变电站一次部分控制操作以及保护屏柜实现方式，主要可分为三类：有硬件屏盘模式、软仿真模式、混合仿真模式。

（一）带盘台模式

带盘台模式是指用外观与实际变电站1：1的开关控制屏和保护屏硬件组成变电站仿真培训系统的主控室和保护室，主要由后台计算机支持这些硬件的操作和显示。该系统的硬件配置主要有模拟控制盘、模拟继电器保护盘、变电站配电装置、变电站主接线操作模拟盘、计算机控制仿真系统。其中计算机控制仿真系统是变电站培训仿真系统的核心，它担负模拟变电站的仿真，复现变电站主控室现象的任务。接收模拟盘的信息，控制模拟盘的动作和信号。这种带有硬件盘台的变电站仿真培训系统是最早应用的培训系统模式。带硬件盘台的仿真培训系统需要配备大量的硬件装置、设备，扩展性差，升级改造困难，同时硬件盘台并没有包括变电站中保护、测控柜等实际装置，与现场相比逼真度存在差距，培训效果不够理想。

（二）纯软件仿真培训模式

纯软件仿真培训模式是指变电站内的开关控制屏、保护屏、模拟屏、室外和室内的主设备及主接线等所有设备全都用软件仿真，除计算机外没有任何硬件，该系统采用多媒体仿真模式，仿真变电站的有关电气设备，包括一次设备、控制系统、中央信号系统以及继电保护和自动装置的面板均可在计算机屏幕上动态显示。软件模式的仿真培训系统很快便以其便捷、经济等优点受到电力部门的青睐，目前应用较广。在这种模式中传统控制室中的保护屏、控制屏、中央信号屏等物理设备均被计算机监控平台所代替，所有监控功能都通过人机交互界面实现与培训人员的互动。省去了大量硬件设备，大大提高了可靠性，并且有利于系统更新升级。但是软仿真模式的培训仿真系统由于所有的操作和显示都是在微机屏幕上进行，与实际现场环境差距大，真实感较差，培训效果也不太理想。

（三）混合仿真培训模式

混合仿真培训模式将数字化的电网仿真与变电站中全部真实的二次设备（包括监控系统、保护柜、测控柜、音响、灯光等）有机结合成为的混合仿真培训系统。目前，该类系统主要采用将数字化电网仿真与部分真实设备相结合的仿真模式，将数字化电网仿真结果通过数字模拟量转换卡转换为-3.53~3.53V的弱电交流量，再输出到经过改造的保护装置的内部采样插件上，并通过开关量输入卡采集模拟断路器的位置，从而实现断路器的动作的仿真，这种仿真方式只采用部分真实设备，并且需要对实际的保护柜进行改造才能以适应该仿真系统，并且可扩展性较差，新增加的保护设备无法直接接入（必须经过改造）培训仿真系统，该类系统的仿真效果与现场的一致性仍存在差距。

二、变电站数字物理混合仿真培训系统概述

变电站数字物理混合仿真培训系统是将数字化的电网一次设备仿真与实际变电站二次设备相结合的数字物理混合仿真技术。即监控系统、保护及测控装置、五防系统、灯光、音响等采用现场真实物理设备，而该变电站一次设备、邻近电网及其一次设备、二次设备等采用数字仿真。其中数字仿真部分采用变电站实时仿真与全动态电网混合仿真技术，即详细仿真的变电站采用实时仿真技术，变电站所在电网采用暂态、中期、长过程一体化仿真计算技术，实现电网的全动态仿真，从而既能详细而真实再现变电站一次设备的行为，也能逼真地再现大电网的各类动态过程对变电站的影响。数字仿真电网再通过高速的通信系统，高速的开关量采集、输出系统，高速、高精度的数字模拟量转换系统和仿真功率放大器与真实的变电站二次设备有机结合，实现了变电站软仿真子系统、数字电网仿真的一次、真实的二次设备仿真放置于同一个仿真系统中，有机连接、灵活配置，营造了十分逼真的变电站运行环境。从而实现对现场各类运行人员的培训需求：如变电站运行人员、继电保护人员、检修人员及相关的管理人员等，同时能完成人员培训、技能鉴定、岗位考核等各项工作。

三、变电站数字物理混合仿真培训系统架构

图1给出了变电站数字物理混合仿真系统的总体架构。其中电网及变电站的数字仿真部分通过接口系统实现变电站电磁暂态仿真与电网全动态仿真的有机结合，其他变电站软仿真也是基于同一个的电网仿真，从而可以实现变电站软仿真、混合仿真的一体化。数字电网仿真结果的瞬时值通过高速通信系统传送到高速、高精度同步数字模拟转换器形成0～10V的模拟交流量，该模拟量通过电流或电压功率放大器得到放大的电流或电压电气量驱动变电站的实际二次设备。数字仿真系统通过高速开关量采集系统实时检测到变电站开关和刀闸的状态，从而将数字仿真和实际二次设备有机结合起来，实现了数字仿真与变电站实际二次设备的无缝闭环连接。仿真培训系统通过开关量输出系统驱动非电气量保护动作模拟硬接点、变压器有载调压模拟硬接点、风冷控制模拟硬接点等，实现变压器的非电气量保护动作的模拟。

四、变电站数字物理混合仿真培训系统功能

变电站数字物理混合仿真培训系统是将电网仿真、变电站实时仿真、变电站综合自动化系统仿真和教员与学员系统有机结合为一体化的系统，不但实现了地区电网生产运行过程的全仿真，也可以正确反映变电站、变电站综合自动化系统和电网的相互作用、相互影响，可以对运行人员进行全方位的仿真培训。系统的主要应用功能如下：

（一）培训运行人员和相关管理人员

培训基本的运行技能。对新员工进行上岗培训，对老员工的基本运行能力进行培训及考核，使其熟悉变电站一二次设备、变电站综合自动化系统、集控站监控系统、电网结构、运行方式、电网潮流，掌握基本运行操作及运行规程，熟练使用实时监控系统（变电站综合自动化系统和电网调度自动化系统）及其他应用软件。

事故分析及处理。可进行开关、刀闸、变压器、母线、线路、发电机组、电容器等各种设备及其相关的故障处理培训，训练变电站运行人员发现事故、异常，依据仿真的电网环境判断故障和处理故障，并在训练结束后对事故进行分析，重放事故发生和处理的全过程。通过仿真训练可以使运行人员了解各种事故发生的现象、原因及变化过程，总结积累处理经验，增强他们事故处理时的自信心。

变电站一次设备正常和特殊巡视训练。通过变电站一次设备三维交互式漫游巡视系统，实现变电站一次设备的三维重现和虚拟操作，受训人员感到富有直观性、形象性，有助于其熟悉了解现场情况，更好地将理论知识与实践经验相结合。

对于管理人员进行电网及变电站运行的概念性培训。管理人员通过仿真培训可以了解电网及变电站的现状、运行方式、操作规程及电网和变电站运行的特性。

（二）联合反事故演习

本系统可用于研究电网、变电站特点，对薄弱环节做好事故预想工作，完善各种事故应对方案，从而提高事故情况下的应对能力，克服以往反事故演习纸上谈兵的局限性。仿真电网设置的常见事故及复杂事故发生后，将引起继电保护的连锁动作和电网潮流的变化，并显示越限设备的报警提示，对此研究后可以总结事故处理经验，制订出合理的事故处理预案。做到事前有分析，事后有反馈，切实提高电网安全运行能力。

五、硬件系统

变电站数字物理混合仿真培训系统的硬件系统由以下几部分组成：教员台，学员台，仿真主机，变电站实际二次设备，电流、电压功率放大器，高速、高精度同步输出数字模拟转换器，高速通信及开关量输入输出系统，混合仿真集成支撑平台。

（一）教员台

可以用仿真主机，运行教员子系统为教员管理和控制培训过程提供支撑平台。

（二）学员台

使用与现场完全一致的监控系统工程画面，保留所有现场监控系统功能，并与仿真模型建立通信连接。使学员在监控系统仿真界面上获得在现场监控系统上相同的操作。

（三）仿真主机

运行全动态电网仿真子系统，是仿真系统的核心和中枢。仿真系统模型包括：邻近电网的全动态电网计算模型、包括一次、二次设备模型、故障模型和异常模型。

（四）变电站实际二次设备

保护、测控、音响、灯光等装置采用与现场完全相同的硬件设备，可以为受训者提供真实的操作、监视手段，使得仿真机不仅可以培训变电站运行人员的常规操作和监视，同时还能使他们熟悉和了解变电站重要二次保护装置和屏面设备。

（五）电压、电流功率放大器

功率放大器接收DA输出的弱电模拟信号，进行功率放大使电流信号放大至0～20A、使电压信号放大至0～100V，以驱动实际二次设备。放大器在与仿真信号连接是采用高阻差分方式，无公共连接点，这样可保证仿真系统的安全工作，又可长线连接抗干扰，提高系统的小信号精度。仿真培训专用的功率放大器多路的电流或电压输出，从而能保证更好的同步输出精度，同时降低电流功率放大器的最大输出电流。

（六）高速、高精度同步输出数字模拟转换器

将变电站实时仿真计算出的电压和电流的数字量转化为模拟量，是决定仿真精度的重要环节，其关键技术是实现各路数字模拟转化（DA）的同步输出，同时为了保证输出波形的质量，每工频周波的输出点数大于60点，DA向功率放大器输入模拟弱电信号。为了保证混合仿真系统的可扩展性，更好地适应变电站规模的变化，采用分布式同步实时仿真技术，即根据变电站电气量需要严格同步的程度对各电气量进行分组，每组电气量在同一块DA转换器进行输出保持严格的同步，多组DA转换器通过高速PCI总线分布式工作，因此降低了以前依赖专用的DA转换器的程度，这样既可以保证仿真培训的效果，又可以保证系统的高可扩展性和系统造价。

（七）高速通信及开关量输入输出系统

通过开关量输入系统采集开关、刀闸动作情况、有载调压接点，实现开关、刀闸状态及变压器抽头位置的高速采集，将实际设备的状态实时发送给变电站实时仿真计算。通过开关量输出和继电器模拟非电量保护动作、变压器风冷控制硬接点等。

（八）混合仿真集成支撑平台

混合仿真集成支撑平台采用PCI总线技术将高速、高精度同步输出数字模拟转换器、高速通信系统和开关量输入输出系统紧密集成。变电站实时仿真子系统和实时操作系统均运行在混合仿真集成支撑平台，实时操作系统通过硬件系统驱动软件驱动数字模拟转换器、高速通信系统和开关量输入输出系统（即用于对DA转换器、开关量输出和开关量输入板卡的控制）是实现数字一次设备与二次物理设备有机联系的接口系统，将变电站实时仿真计算结果实时刷新DA卡、将接口系统的自身状态定时刷新DA转换器的某个通道、通过开关量输入系统采集开关、刀闸

的状态、通过开关量输出系统向实际设备发送指令。

六、软件系统

混合仿真培训系统的软件系统主要由以下几部分组成：交互式、分布式仿真软件支撑平台，全动态电网仿真子系统，教员与学员子系统，变电站实时仿真子系统，实时操作系统，硬件系统驱动子系统。

全动态电网仿真子系统、变电站软仿真子系统、变电站实时仿真子系统、教员与学员系统软件通过交互式、分布式仿真软件支撑平台的运行管理系统有机结合在一起组成整个数字仿真培训系统，变电站实时仿真子系统通过实时操作系统的内核级调用与硬件系统驱动软件集成，与物理设备完成无缝连接。

交互式、分布式仿真软件支撑平台是混合仿真培训系统基础，包括数据库管理系统、仿真运行管理系统、人机界面系统、变电站一二次设备人机界面系统和仿真建模系统。数据库管理系统采用商用数据库与实时数据库相结合的方式，实时数据库是常驻内存数据库，用来支持数据的快速访问、处理。实时数据库与商用数据库有机结合的方式保证了数据库的实时性和高效性，商用数据库作为实时数据库的持久存储，较好地解决了分布式系统中数据库系统的开放性、实时性和一致性问题，从而充分发挥了实时数据库和商用数据库各自的优势。仿真运行管理系统，作为分布式仿真的运行支撑系统，实现了各个仿真应用之间的交互操作，是联系各仿真子系统（软仿真、电网仿真、混合仿真）各部分的纽带，是分布式仿真系统的核心，为各个仿真应用软件提供了位置透明、高效的虚拟运行环境，向子系统提供交互对象管理服务、时间管理服务、数据分发管理服务和应用程序接口。人机界面系统是全图形人机接口，为教员和学员提供交互式操作媒介。变电站一二次设备人机界面系统采用了虚拟仪器技术、组件技术、3D建模技术和虚拟现实技术，可以构建各种电压等级的虚拟变电站，包括变电站主控制室、控制屏、保护屏、中央信号屏、交直流屏等二次设备和现场一次设备，分为变电站一二次设备人机界面编辑系统、在线系统及变电站一次设备三维交互式虚拟场景系统。仿真建模系统通过图形、模型和数据库一体化建模技术，在画面编辑时能够提供特定电气元件的计算模型，在生成画面同时，能够自动地生成或人为输入电气元件计算模型的参数，并插入到数据库相关表格中，为电网仿真、变电站实时仿真等子系统提供拓扑数据和运行数据。

全动态电网仿真子系统采用暂态、中期、长过程一体化计算再现真实的电力系统的动态响应过程，采用了固定结构的稀疏矩阵、微分方程隐式梯形差分方程与网络代数方程的联立求解、强鲁棒性牛顿—拉夫逊法非线性方程求解、自动变步长等技术保证电网仿真计算的快速性和稳定性。

教员与学员子系统为教员管理和控制培训过程提供支撑平台，功能由四部分组成，即：系统管理功能、培训前运行方式和教案准备、培训中的操作和进度控制、培训后分析和评估。系统管理功能包括时间管理、用户管理、运行方式管理等；培训前运行方式和教案准备包括选择运行方式数据、整定初始方式、预设故障和事件；培训中的操作和进度控制是指教员对培训进程的控制、对电力系统模型的操作、设置故障和事件、管理和监视学员的操作；培训后分析和评估包括使用事件记录、曲线、报表等工具分析学员操作的效果，利用事故追忆再现学员的处理过程和系统的变化过程，利用评价工具对学员的操作进行评价。

变电站实时仿真子系统在变电站中一次设备的三相暂态模型及外网动态等值模型基础上，采用电磁暂态计算理论实现变电站的详细仿真计算。通过接口算法实现变电站实时仿真与全动态仿真的在线交互，保证变电站的动态响应的准确性。变电站实时仿真子系统运行在实时操作系统基础上，实时操作系统可配置成单任务模型，保证实时仿真子系统的最高优先级的运行级别，实时操作系统运行于混合仿真集成支撑平台，并通过硬件系统驱动软件驱动硬件系统。

七、结论

本文研究开发的变电站数字物理混合仿真培训系统是在软仿真模式的变电站仿真技术基础上，结合电力系统的实时仿真技术，将数字化的电网仿真与变电站中全部真实的二次设备有机结合成为的物理与数字混合仿真培训系统，使受训的变电站运行人员、继电保护人员、检修人员及相关的管理人员在完全真实的变电站环境内接受训练，同时能够完成人员培训、技能鉴定、岗位考核等各项工作，能有效地提高现场运行人员素质水平。该系统已在石家庄电力培训学校220kV教学变电站培训仿真系统中，取得了很好的培训效果。

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作者简介：肖京园（1983－），男，陕西人，北京林业大学硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程；刘文定（1960－），女，山西人，北京林业大学教授，研究方向：自动化。