变电站仿真培训系统设计

刘世安 胡俊华 李显鹏

摘 要：变电仿真培训系统是变电运维人员对变电站内电力设备的运行维护、保护分析、事故判断、异常处理等方面非常有效的培训手段，不仅为变电运维人员培训、技能操作训练、考核等提供一个完善的平台，更可以为自动化专业、保护专业的变电检修人员提供仿真训练平台，仿真范围覆盖站内主控室、保护室、低压交流室以及户外配电装置所涉及的一次系统、保护及控制等系统。该文以110～1000 kV变电站及变电站所在区域内小电网为基本对象，设计模拟电气一次模型、变电站综合自动化系统仿真模拟、变电站综合自动化系统仿真模拟、变电站继电保护和自动装置仿真模拟等方面的构建，并展开论述与探讨，对软件系统进行详尽的构建，最终设计出仿真培训系统功能。

关键词：变电站 培训仿真系统 仿真范围 硬件 软件 设计

中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0211-02

变电站作为电力系统的重要组成部分，设备复杂，在整个电网中处于十分重要地位。这就对变电运维人员对变电站内电力设备的运行维护、保护分析、事故判断、异常处理等方面的能力提出了很高的要求。因为变电站带电运行故障判断及异常处理难以实际操练的特殊性，变电仿真培训系统便成为了非常有效的培训手段。

变电站仿真培训主要任务是满足对变电站运行日常监视、操作、维护、事故故障处理等方面的培训需求。物理设备模拟仿真用于学员培训，现象直观、操作感强，相比软件仿真更贴近现场，但由于整个变电站设备众多，且电压等级高，设备昂贵，若全部采用物理设备模拟成本极高，也没有必要。而软件数字仿真投资成本低，配置灵活，维护方便，而且升级改造方便。

随着在电力技术及虚拟现实技术的进步，以及智能变电站、特高压变电站等新型、新等级的变电站的出现，对变电站仿真培训系统提出了更高的要求：变电站仿真培训应能使用于各种电压等级变电站的拓展、小电网的模拟、三维可视化界面展示、GOOSE及SV网络模拟、事故及异常模拟、运维一体化培训。系统建成后，可以在培训中心实现对运维人员的技能培训和技能考核，完成变电站实习值班员的岗前培训，大大提高运维人员的技能水平，同时还可以满足保护及自动化专业人员检修技能培训与考核。

上述变电站仿真培训系统的应用模式和应用方式，为仿真培训系统的更新换代指引了方向，具有一定的推广意义。上述变电站仿真培训系统的实现可以大大改善变电运维人员的技能培训业务面，不仅为变电运维人员培训、技能操作训练、考核等提供一个完善的平台，更可以为自动化专业、保护专业变电检修人员提供仿真训练平台。

1 仿真范围

仿真范围覆盖站内主控室、保护室、低压交流室以及户外配电装置所涉及的一次系统、保护及控制等系统。

1.1 电气一次模型

以110～1000 kV变电站及变电站所在区域内小电网为基本对象，模拟电网操作故障等情况下潮流分布和故障电流、电压，为变电站仿真实时提供遥控测量。模拟各种运行方式下电网的潮流动态响应，包括线路、主变的功率，母线的电压以及设备状态；调整负荷有功、无功，仿真对象可以做出正确响应；允许设置线路、母线、主变故障，可以是对称和不对称故障；故障电流、电压正确显示于变电站监视画面，对应开关经保护跳闸；仿真对象范围之外的线路对侧配置简单保护，并于本侧通道配合等。

1.2 变电站一次设备仿真模拟

变电站一次设备仿真包括开关、刀闸本体、操作机构、主变本体、冷却系统、有载调压装置、CVT、CT、低压交流设备仿真。根据一次设备工作原理和工作过程，模拟它们的正常操作、异常及故障状态、参数指示等。

1.3 变电站综合自动化系统仿真模拟

模拟变电站的综合自动化系统包括正常时的显示和操作現象。模拟做到监控机和测控柜画面布置与现场一致；监控机和测控柜显示点与现场一致；监控机、测控柜操作点、操作步骤与现场一致；监控机上运行人员必需的告警信息与现场一致。

1.4 变电站继电保护和自动装置仿真模拟

模拟变电站微机保护装置和自动装置的操作、显示、动作逻辑，以及装置发生故障后对系统的影响。实现继电保护和自动装置的仿真与实际系统一致，由测量、逻辑和动作三个环节组成，能正确模拟保护的启动特性、复归特性和时间特性。继电保护和自动装置的显示点、操作点与实际设备一致，能够正确反映设备的可操作元件（例如：压板、盘后空开、重合闸把手）变位后对系统的影响；能够正确反映CT、PT断线对继电保护装置的影响。保护屏液晶事件报告与现场一致，故或异常状态下，继电保护动作现象应符合设计要求，与实际一致。

1.5 其他仿真模拟

模拟变电站内设备的五防闭锁逻辑以及倒闸操作流程。能够自然反映学员正常操作或者误操作引起的响应，防误逻辑正确；模拟低压交流系统和直流系统正常操作、参数指示、故障；模拟户外配电装置设备操作、状态及参数指示、故障。

2 仿真系统硬件构成

仿真系统硬件主要是计算机、网络设备、音响。硬件构成如图1所示，其中：

（1）计算机2～3台（建议），部分计算机可由多个功能集成，采用画面切换方式。主要用来运行教练员台、监控系统、五防系统、保护小室和就地系统。

（2）网络设备1套，为保证仿真系统数据传输的实时性。

（3）音响系统1套，模拟主控室报警、事故等音响效果。

3 软件系统

软件构成如图2所示。

（1）计算机操作系统软件。

所有计算机操作系统都采用中文操作系统Window XP专业版，是计算机自带的操作系统，由计算机供应商提供。

（2）仿真开发支撑系统。

仿真支撑软件是衡量仿真系统技术水平的重要标志，一个先进的仿真支撑软件除了提供模型开发手段外，还应对整个仿真系统的资源进行管理和协调。该系统开发了完全建立在Windows平台上的仿真支撑软件，它是本仿真培训系统的控制、管理中枢，集仿真管理、仿真开发、仿真培训功能于一体。

（3）教练员台。

设置丰富的培训管理功能，实现培训过程的组织、管理、控制，人机界面友好，易于使用。

（4）电气模型软件。

模型软件是为了仿真电网和变电站的物理过程而开发的软件，具体分为：电力系统分析计算软件、继电保护和自动装置仿真软件、测控模型软件、所用电模型软件。

（5）保护屏软件。

保护屏软件以虚拟盘的形式再现变电站保护小室的微机保护装置、测控装置，模拟装置上操作元件、液晶事件报告。

（6）监控软件。

监控软件模拟变电站主控室内监控后台机上的所有显示和操作：开关、刀闸的操作及状态显示，电气参数的显示，母线电压棒图，简报信息，光字牌报警等。

（7）五防软件。

五防软件模拟主控室中的五防机，实现与現场实际一致的倒闸操作流程。

（8）就地系统软件。

模拟户外配电装置，实现户外设备的就地操作、检查。

4 系统功能

变电仿真系统通过一对一的全仿真，应具备以下功能。

（1）监视功能：具备现场监控系统的各种监视画面，可监视变电站设备运行状态、各电气量、事件告警信息、继电保护和自动装置的动作信息。

（2）设备操作：模拟变电站可操作设备的操作，包括分、合断路器，分、合隔离开关，设备停运、投入等各种实际情况，操作过程和结果在监控系统和微机保护装置上实时正确反映。对于违反现场规程的误操作，例如：带负荷拉合刀闸、带地刀合开关、带电合地刀等，仿真系统自然产生相应的后果。

（3）异常仿真：模拟电网异常、设备异常发生后，支持学员进行处理、隔离异常设备，恢复电网到正常运行状态。

（4）故障仿真：模拟电网事故、设备事故发生后，发生电网潮流变化和继电保护连锁动作，支持学员进行处理、切除或隔离故障点，恢复送电，将事故的影响降到最低。仿真系统具备完整的故障类型，可任意设置简单或一二次组合故障。故障发生后的动态响应应与实际基本一致。

（5）实现培训功能：模拟变电站运行或故障状况对电网的影响，使得运行人员掌握基本运行操作，规范流程，了解事故发生的现象、原因、变化过程，总结积累事故处理的经验，可作为日常培训和学习之用。

5 结语

在将来变电站仿真培训系统上进行仿真操作培训应用研究，可以弥补传统的理论教学方法、实践教学方法及课件教学方法的不足，充分利用仿真系统能将理论与实践相结合的强大优势，发挥具有较强的操作与培训灵活性的特点，研究与拓展该系统在培训方面的实际应用，充分发挥仿真机的优势，提高特高压变电站运维、运检技术培训效果，具有十分重要的现实意义。

参考文献

[1] 李宏波.变电站仿真系统模型的研究[D].保定：华北电力大学，2008.

[2] 周秧.蒋吉荪.陈向军，变电站仿真系统的应用研究[J].中国电力教育（下），2012（5）：25-26.

[3] 李梅兰.变电站仿真实训设计思路和运行效果[J].中国电力教育，2009（23）：140-141.

注释

该仿真系统为国网浙江省电力公司群众性创新项目，计划编号：5211MR14004Z-07。