变电站一二次联合仿真系统设计

江永旺，张春霞，李思岚

（1.国网湖北电力公司浠水县供电公司，湖北 黄冈 438200；2.武汉职业技术学院，湖北 武汉 430074；3.华中科技大学 自动化学院，湖北 武汉 430074）

随着电网的不断发展，电网规模日益扩大，一二次系统日益复杂，对电网、变电站运维、检修人员的技能水平也提出更高的要求。仿真培训系统在对专业人员的技能培训方面起到了重要作用，但大部分仿真培训系统都将一二次系统分割开来单独运行，这样的系统在我们对继电保护等专业人员有更高、更全面的要求时，深度和广度都显得有些不够了[1]。本文介绍的一二次联合仿真系统，将数字电网、变电站一二次设备三维仿真及二次回路原理图结合起来，可对从电网严重故障到二次回路触点粘连等各类电网运维工作中遇到的典型事件进行全方位仿真，使受训人员了解事件现象，学会处理事件，并能理解事件本质，从而将专业技术人员的知识和技能都提高到一个新的水平。系统依据设备、电路的真实逻辑，采用面向对象建模，对电网、变电站、二次回路进行一比一全景仿真，可不依赖预案，对各种扰动——系统故障、运维人员正确或错误的操作等都能作出正确、全面的响应。

1 系统结构及功能

本文系统设计结构示意图如图1所示，系统包括分布式仿真支撑平台、数字电网、一次设备仿真、二次设备仿真、自动化系统仿真、二次动态原理图和智能管理系统几个部分。

图1 仿真系统结构图

系统通过一个分布式仿真支撑平台，将各个功能模块有机结合成一体，实现功能模块即插即用，可以任意组合，适应各类人员、不同程度的培训需求。

1.1 仿真系统支撑平台

仿真系统支撑平台采用分布式设计，为各个仿真应用之间的交互提供通用服务，包括同步、信号、仿真应用管理、声明管理、所用权管理、时间管理、数据过滤分发管理和应用程序接口等，保证系统动作情况和数据一致性的同时，使各个功能模块之间相互独立，实现功能模块的即插即用，从而使得用户可以将各个功能模块形成各种不同的组合方案，以适应不同的培训需求，增强培训的灵活性。

1.2 智能管理系统

智能管理系统对支撑平台之上运行的所有仿真系统进行统一控制，可以给每一个仿真工位设置培训角色。若被设置成教员，则可以通过教员系统发送系统事件，数据分发管理服务自动将系统事件信息传送给各部分仿真系统。各部分仿真系统通过自身逻辑进行判断，将正确的动作信息通过自身可视化平台进行显示，通过仿真支撑平台将结果转发给平台上互相连接的仿真系统。若被设置成学员，则只能被动地接收系统事件，并可以对事件作出处理，学员工位本地进行计算，对学员的操作给出合理响应。智能管理系统还允许预先设计标准动作序列和评分规则，可以对学员的错误操作进行警告和修正，也可以对学员的操作步骤作出评价。

1.3 数字电网

数字电网提供电网计算数据，使系统可以真实再现电网事件。系统的一二次设备行为都以电网计算为依据，因此，各仿真模块对事件的响应完全符合真实逻辑，而不需要依赖预案。同时，数字电网还起到推进系统时间的作用。

1.4 一二次设备三维仿真

一二次设备三维仿真模块采用可视化、组件化三维仿真技术实现了变电站内一二次设备的三维场景再现，虚拟设备根据运行支撑系统传递的命令正确动作，用户可以在三维巡视系统中对一二次设备进行巡视和操作，观察各类事件在设备上产生的影响。该模块同时将用户的操作信息通过支撑平台传递给电网，进行实时计算，进而推进仿真系统。

1.5 自动化系统仿真

自动化系统仿真包括变电综合自动化监控系统、调控中心监控系统以及相关的通信、管理等自动化设备的仿真。该模块采用动态图元、面向对象设计、图库模一体化技术，可对不同厂家不同型号的综合自动化系统进行仿真，模拟人机界面，可为调控人员提供全面的虚拟工作环境。

1.6 二次回路动态原理图

二次回路动态原理图以变电站二次回路设计图为原型，包括原理图、展开图、端子图等，将二次回路元件作动态化处理，使二次回路图纸活起来，与电网、一二次设备仿真一一对应。用户可在图纸上观察各个元件的状态及各节点电位等相关测量量，并且可以针对用户在二次图纸上对元件的状态修改作出实时计算，并将计算结果反映在相关回路上，同时传递给电网和一二次设备仿真模块，使之作出相应的改变。

2 系统关键技术

2.1 可视化、分布式、交互式仿真支撑平台

系统采用可视化、分布式、交互式的仿真支撑平台作为基础支撑软件。该平台采用总线式对称体系结构，是一种基于高层体系结构（High Level Architecture，HLA）的分布式、交互式电力仿真软件支撑平台，具有良好的伸缩性和扩充性。同时还实现了可视化、组件化和图库模一体化建模技术，方便将培训系统各部分集成到一个培训环境中，满足建立多种规模联合仿真培训系统的需要。该平台包括运行时间框架系统，标准接口函数库，联邦建模工具和可视化、组件化三维仿真建模系统。仿真支撑平台为各个仿真应用之间的交互提供通用服务，包括同步、信号、仿真应用管理、声明管理、所用权管理、时间管理、数据过滤分发管理和应用程序接口，使得进程间通信和网络通信变得更加简单和有效[2-3]。

2.2 电网仿真技术

电网仿真采用暂态、中期、长过程一体化计算方法进行计算，对于详细仿真变电站，采用电磁暂态建模，采用电磁暂态计算方法计算，并输出计算瞬时值，供详细仿真变电站录波器模块使用，机电暂态模型同时提供外网动态等值数据给电磁暂态计算模块。另外，机电暂态计算还提供整个仿真系统的时间推进。电网仿真模型的设计不仅考虑到电网的动态模型，还考虑了变电站一二次设备模型、二次回路模型对电网模型的影响。电网仿真软件还为变电站一二次设备仿真、二次回路动态原理图和综合自动化监控系统仿真提供服务。

2.3 一二次设备三维仿真技术

三维仿真建模系统采用可视化、组件化和图库模一体化建模技术，开发了三维仿真建模系统，系统包括：①组件生成器。采用 3dsmax SDK提供的二次开发环境，可以对三维设备模型进行编辑。②组件装配器。利用组件生成器导出的三维组件可以装配出在一二次仿真三维程序之间运行的设备实体，操作简便。系统对变电站一二次设备进行全范围建模仿真，包括变电站控制系统、量测系统、交流系统、直流系统、继电保护与自动装置、综合自动化系统的详细模型，同时考虑变电站仿真详细模型对电网仿真抽象模型的影响，通过变电站仿真通信和任务管理服务，将仿真变电站的各部分程序进行有机结合，确定各部分模块间的正确逻辑关系。采用三维仿真建模系统搭建站内一二次设备的场景，将现场设备通过计算机仿真重现，实现对现场运行人员的正常操作培训、异常及事故处理培训、设备正常和特殊巡视训练。

2.4 二次回路图纸动态化

系统对二次回路相关各类元件和测量仪表依据其物理特性和动作逻辑进行数学建模，并根据培训需要增加颜色、边框等附加属性，对二次回路原理图进行动态化处理。系统根据电网和变电站一次设备、二次设备、交直流电源等系统的状态实时计算二次回路中各个元件的状态和回路电气参数，使得变电站一二次设备从内到外得到全面的仿真再现[4]。

系统结合二次回路的特点，对回路计算作出合理简化：根据二次回路大多并联关系的特点，将二次回路解耦成一个个单独的回路，在系统发生状态改变时，只对扰动相关的回路进行计算修正，大大减少了计算量，节省了系统资源，提高了响应速度。

3 结束语

本文系统将电网、变电站一二次设备及其内部回路作为一个有机整体进行仿真，为受训人员提供了不同层次了解、学习、实践的虚拟环境。对于电网、变电站运维检修人员可能面临的各种事件，系统从内部逻辑到外部表现，给出了完整的仿真再现，对于提高专业技术人员的能力具有重要意义。