1000kV特高压变电站仿真教学系统的实现

程兴民 毛海波 朱永昶 彭炜

摘 要：以1000kV特高压安吉站仿真教学系统开发为例，介绍如何根据特高压变电站一、二次电气设备机构，确定仿真系统开发的电气设备仿真范围、系统仿真模式、實际教学内容及实现方式，阐述特高压智能变电站站控层、间隔层和一次电气主设备的仿真设计需求。这些内容不但能作为特高压智能变电站仿真系统的开发目标和测试标准，而且也可用于设计特高压集控站的仿真教学系统。

关键词：特高压变电站；智能变电站；仿真教学系统

0 引言

1000kV特高压变电站采用智能变电站的设计模式，站控层、间隔层通信采用IEC61850标准通信协议。这对变电站运维人员的素质提出了更高的要求，因此必须开发1000kV特高压变电站仿真系统，更好地开展运维人员技能教学。

变电站仿真教学系统（Substation Training Simulation System，简称STS）主要分为盘台模式和纯软件模式[1]，还有部分设计采用硬件加软件的物理混合仿真模式。盘台模式采用按照与实际变电站1：1的比例，设置开关控制屏、机电保护装置、测控装置等硬件，组成实物教学系统，物理混合仿真模式是采用软件加硬件的仿真模式，上述两个模式真实度高，但成本较高、通用性也不强。纯软件模式则是通过软件开发，对站内一、二次电气设备进行虚拟三维建模，建立虚拟仿真教学系统，其成本较低且易于后期维护。相比较而言，采用纯软件模式开发仿真教学系统具有更强的优越性。

本文结合1000kV特高压安吉站的仿真教学系统，介绍如何根据特高压变电站的实际情况来确定仿真教学系统的仿真范围、开发模式、教学内容、建立方法及仿真设计需求。研究的仿真系统可提供先进、完善的特高压变电站运维人员教学手段，将在特高压变电站教学中发挥重要作用，对推动我国特高压电网人才培养产生深远影响。

1 1000kV特高压安吉站功能

1000kV特高压安吉站的综合自动化部分采用智能变电站架构，分层分布式布置，分为站控层、间隔层上下两部分。间隔层由5个继保小室组成，主要由保护装置、测控装置等间隔层设备组成，实现保护、控制、电气模拟量、设备状态量采集等功能。站控层采用计算机通信网络系统，为许继公司CJK-8506B能一体化监控系统，分布于主控楼计算机室，主要由操作员工作站、数据服务器、综合服务器、调动通信网管机等设备组成，其功能如下：

（1）操作员工作站实现传统的“四遥”功能，即遥控、遥信、遥测、遥调。

（2）数据服务器实现特高压智能变电站全站数据的集中存储，为各类自动化系统应用提供访问服务和数据查询。

（3）数据通信网关机实现智能变电站与调度、生产等主站系统之间的通信，为主站系统实现智能变电站监控、远程浏览和信息查询等功能提供模型、数据和图形的传输服务。

（4）综合服务器实现与在线监测、电源、计量、消防、安防和环境监测等设备的信息通信，通过统一展示和综合分析，实现一次电气设备和辅助设备的运行监视与控制。

站控层与间隔层之间采用MMS双网通信，实现间隔层设备、电气设备各类信号的上传以及站控层控制命令的下发。间隔层测控装置之间采用GOOSE网通信，实现防误逻辑闭锁信息的交换。

2 仿真范围、模式、教学内容及实现方法

2.1 仿真范围

首先要确定所要仿真的变电站和系统。作为1000kV特高压安吉站的仿真教学系统，对安吉站需要进行详细建模仿真，与本站相连的所有线路应详细建模仿真，线路对侧变电站可以采用等值模型进行仿真，对侧变电站开关连接到无穷大电源系统，相应负荷工况采用典型工况，同时可以实现人工设置。

1000kV特高压安吉站内需要详细仿真的部分包括一次电气主设备、间隔层设备继电保护装置、间隔层测控装置、站控层操作员工作站。数据服务器、综合服务器、数据通信网管机等设备与日常运维操作、监视关系不密切，因此相应功能不列入仿真教学系统。

2.2 仿真模式

1000kV特高压安吉站的仿真教学系统，不采用以硬件为主的物理混合仿真模式或盘台仿真模式，而采用纯软件仿真模式。一次电气主设备、站控层自动化设备和间隔层保护测控设备全部采用软件仿真，简练三维仿真模型，实现三维展示，除计算机和必要的通信网管机外没有其他硬件。特高压变电站的仿真系统可以单独安装在1台服务器上，也可以采用多台计算机组网的方式运行。对于采用网络模式的仿真教学系统，可在每台计算机上安装不同的软件资源，构成以下模式：

（1）分布式模式，即图形界面软件可按照操作员工作站、继电保护小室、变压器等一次配电装置等划分，安装在1台或多台计算机上，其他教员管理软件、仿真模型、工程维护也可安装在一台或多台计算机上。

（2）网络教学模式，即仿真教学系统由多台学员机和1台教员机服务器组成。教员机服务器安装教员机仿真计算软件，实现各类工况、故障、异常的设置，并可发送到学员机进行仿真教学。每台学员机单独安装学员机仿真计算软件，接受教员机服务器发送的各类仿真工况，展示学员机仿真界面；为使教学方式更灵活，可将教员机的设置功能安装在学员机上，教学学员可以自学，也可以在教员指导下学习，实现同步教学不同技能水平学员的目的。

1000kV特高压安吉站的仿真教学系统，采用网络教室模式，由1台教员机服务器和多台学员机组成。

2.3 仿真内容

分析1000kV特高压变电站日常运维工作，同常规500kV综合自动化变电站或智能变电站类型基本一致，因此1000kV特高压安吉站仿真教学系统实现的教学功能与常规500kV变电站仿真教学系统相同，主要有5方面的教学内容：

（1）变电站运行工况调整及监视控制模拟教学；

（2）倒闸操作模拟教学；

（3）事故处理模拟教学；

（4）异常告警及处理模拟教学；

（5）正常及事故巡检模拟教学。

2.4 实现方法

本仿真教学软件可在Windows XP以上版本的操作系统运行，整个仿真系统从软件结构上可分为人机界面、数据库以及应用程序3个部分。用户界面的一次电气主设备巡检界面采用AuthorWare多媒体平台开发，其他二次设备界面采用Wizcon软件进行工控组态，使之与许继CJK-8506B监控界面完全相同。数据库利用Microsoft的SQL Server，应用程序采用Visual C++进行开发，网络通信协议采用TCP/IP，应用程序和Wizcon、Author Ware之间采用动态链接库进行数据通信。

3 1000kV特高压变电站的仿真设计要求

根据1000kV特高压安吉站的一、二次电气设备的实际情况，仿真的具体要求如下：

（1）仿真总体要求

特高压变电站仿真应采用三维模型，将一、二次设备制作成可复用的三维组建，形成一、二次设备虚拟组件库，根据仿真系统需要从三维模型库中抽取相应的设备模型，构成三维变电站仿真场景。变电站一、二次电气设备三维仿真软件实现虚拟保护屏、测控装置及一次设备仿真功能，能实现变电站测控屏、保护屏、综合自动化系统和交直流系统的全面仿真，能够完整再现变电站一、二次设备三维场景，实现断路器及其操作机构、隔离开关及操作机构、一次设备端子箱以及电流互感器、电压互感器端子箱等设备的行为仿真，全面、真实地模拟一次设备场景，实现变电站一次、二次设备的监控、巡检、倒闸操作、事故处理等功能。

（2）间隔層仿真要求，对5个继保小室内所有屏柜要进行仿真。继电保护装置依据原理建模，实现灵活设置各类一次设备故障、二次继电保护可正确动作的功能，仿真界面三维展示。每个屏柜要仿真的内容包括：

①继电保护装置、测控装置液晶面板、信号灯要正确显示相应装置实际运行工况。例如，保护启动、保护故障、保护动作等状态。

②屏柜按钮可操作，并且与相应保护、测控装置联动，按钮操作后，装置显示其应有的状态。

③控制和切换开关可操作，实现控制和切换开关操作后位置展示，同时将开关位置与一、二次设备联动，仿真其对继电保护装置、测控装置、一次设备动作行为的影响。

④二次压板可操作，压板与相应二次设备动作逻辑关联，可模拟压板误操作对保护装置的影响。

（3）站控层仿真要求，主要由监控人机界面组成。

监控机主要仿真监控系统“四遥”功能，实现监控系统主接线、事件告警窗口和光字窗口等信息与站内一、二次设备状态完全一致。

①实现监控在监控界面操作开关/刀闸，经过相应五防逻辑判断，满足五防逻辑可操作命令可正常下发，相应一次设备联动，告警报文与站内一致，不满足五防逻辑，则操作失败，并提示操作失败的原因。

②故障状态发布后，或倒闸操作过程中误操作引起故障时，监控后台事件报警窗信息、主接线图设备状态、光字牌信息、潮流信息均能正确变化。

③设备潮流、母线电压、变压器温度等越限时，事件报警窗中显示相应报警信息。

（4）变电站设备巡检仿真要求。

本系统采用三维模型展示整个变电站的虚拟场景，可设置各类一次设备异常，如瓷瓶裂纹、设备渗漏油、设备发热等；可以设置各类二次设备异常，如保护装置死机、交换机死机、保护装置TA断线、TV断线等，并经相应处理后设备可恢复正常运行，从而提升学员处理异常的能力。

4 结论

本文针对1000kV特高压安吉站的结构及功能，设计了特高压变电站仿真系统，是一个创新、开放、可分布运行于各变电站的仿真系统，使用方式灵活。采用纯软件模式成本低、后期维护方便，在教学效果上采用全三维方式，建立虚拟变电站，效果良好。

参考文献

[1]张东英，周庆捷，柳焯.基于微机局域网的变电站仿真培训系统[J].华北电力技术，1998，206，（2）：66-68.

[2]张东英，杨以涵.变电站仿真培训综述[J].电力系统自动化，1999，23，（23）：11-14.

（作者单位：1.国网浙江省电力公司检修分公司；2.国网浙江省电力公司培训中心；3.江苏省启动市第二中专）