基于一次设备模拟器的智能站培训系统

张艳杰 ，宋志明，谢宗喜 ，赵笑笑，牟 黎 ，孙艳萍

（1.国网技术学院，山东 济南 250002；2.国网湖北省咸宁供电公司，湖北 咸宁 437000）

0 引言

目前，面向变电站运维人员的事故处理培训系统主要有3种：硬仿真系统、软仿真系统、混合仿真培训系统［1-4］。硬件模拟的培训平台真实感强，但是需要配备大量的硬件装置和设备，整体投资过高；纯软件仿真平台有简易三维图形界面系统与虚拟现实平台两种，前者占地面积小，成本低但现场感差，后者开发成本高［5-8］；混合仿真培训系统通常采用真实二次设备与虚拟一次设备相结合的模式，一次设备仅以二次面板指示灯来模拟开关特性，缺乏现场感。在变电站事故处理培训教学中，有必要创设情景式教学环境以提高电力培训学员的真实感与沉浸感。由于智能变电站数量在电力系统中不断增加，其运维培训工作愈加繁重。本文基于智能变电站一次模拟器提出一种混合仿真培训系统，创设变电站运行维护工作的培训情境，可有效开展智能变电站事故处理培训。

1 智能站混合仿真培训架构

培训系统采用智能站典型三层两网架构，由于变电运维人员在智能站进行事故处理的难点在于二次设备信息调阅分析。按情境式教学需要，站控层、间隔层采用真实监控后台、二次保护、测控与故障录波装置。过程层各间隔配备合并单元、智能终端，电磁暂态计算单元将数据实时发送至模拟电子式互感器，互感器基于DSP+FPGA协同控制输出FT3信号至各间隔合并单元。变压器保护、线路保护配置专线直采、直接跳闸，母线保护通过交换机网络采集、网络通信跳闸，GOOSE/SV信号以VLAN方式共网传输。一次设备模拟器采用嵌入式微处理器及PLC控制器，模拟断路器、刀闸及操作机构状态信息和控制量，通过控制电缆与智能终端连接。如图1所示。

图1 智能站混合仿真培训系统框图

电磁暂态仿真服务器利用实时数字仿真器（RTDS）建立变压器、线路、电容器等元件动态模型，电网计算模型按照典型220 kV智能变电站设计。一次系统按照2台主变、220 kV／110 kV／10 kV三侧电压等级出线配置，其中：220 kV电压等级采用双母接线，2条出线间隔；110 kV电压等级采用双母接线，2条出线间隔；10 kV电压等级采用单母分段，2条出线间隔。依据实际参数设置，线路采用贝瑞隆模型，主变压器采用集中参数模型。暂态计算取10 s步长，进行内环电磁暂态仿真。每一个模拟步长中，仿真服务器通信接收各回路断路器、隔离开关、地刀状态，确定计算模型参数，进行各数据通道电压、电流计算。电磁暂态数据服务器与模拟互感器以PCI光口连接，数据经缓冲滤波后，外环以50 s步长向模拟互感器装置发送电压与电流数据。互感器模拟装置以DSP为处理内核，计算数据先经光电转换移送至FIFO缓冲区，解析数据后FPGA按照FT3格式对各相电压电流编码，与各间隔合并单元接口，以分路光数字信号发送，如图2所示。

2 模拟电子式互感器至合并单元数据同步

图2 电子式互感器模拟装置

数字化变电站中，合并单元（MU）、继电保护装置都接入全站的统一时钟源，设备对时钟跟踪误差在1μs以内，采用“常规互感器＋合并单元”模式时，TA与TV二次回路以二次电缆接至合并单元中，其实质是将采集器从常规保护装置中分离出来，模拟信号以光速传导至合并单元中，信号经低通滤波后进行集中A／D采集，可认为同步过程与常规保护相同。当采用“电子式互感器＋合并单元”模式时，各相采集器独立，从合并单元架设额外的触发采集脉冲光纤通道，可以将各相数据在同一时间断面采集［9-10］，这种方式增加了系统硬件通道成本且依赖同步时钟源。本方案中，合并单元对于模拟电子式互感器的数据同步依据各通道的“额定延时”来处理：将模拟ECT／EVT各通道信号A／D采集时刻至合并单元同步时刻的延时计算或测量出来，再将所有通道数据置于同一时间坐标系下进行数据延时反推补偿和插值重采样。各电子式互感器通路至合并单元间采用FT3规约，以Manchester编码形式发送串行数据，数据传输不受以太网CSMA／CD协议数据冲撞影响而延时固定。如图3所示，各通道至合并单元的固定延时为 Tdi（i＝1，2，…12），在合并单元中将采样数据解码校验后存入FIFO缓冲器进行时间标定，以第i个通道为例，依据采样点tm时刻获取数据可推算出采样时间为tm－Tdi，如图4所示。合并单元在进行数据采样同步时，需等待FIFO中所有通道数据到达后，在下一个分频脉冲到来时进行插值重采样。

设合并单元采样周期为Ts（通常取250 μs），合并单元插值计算及编码发送时间为Tj（一般 Tj＜50 μs），按照最严峻情况，获取并发送第一个采样点的数据延时为：

图3 电子式互感器至合并单元延时示意图

图4 合并单元重采样示意图

式（1）中第一项为整组数据中所有通道中最大通道延时。在220 kV及以下电压等级，母线电压合并单元通常级联到间隔合并单元，由于电压合并单元中须进行抗混叠数字滤波、重采样、数据编码、数据发送、数据传输等环节，而间隔MU需等待电压数据解码校验并到达缓冲区后再进行整体同步，在间隔合并单元中引起更大延时。在模拟电子式互感器的集成系统方案中，电压数据延时省去了抗混叠数字滤波、重采样的环节，减少了合并单元延时。取合并单元主板DSP分频脉冲作为重采样及发送驱动信号，重采样均采用二次Lagrange插值算法。

3 实训系统场景布置

变电站事故处理关键场所情景模拟分为4部分：真实设备二次设备屏柜区、一次设备虚拟现实模拟区、教学区与讲台区。

1）真实二次设备屏柜区。变电站二次屏柜区单独划区，以10 m×20 m区域，用透明玻璃屏风隔离在教室后半区，模拟继电保护室或者主控室保护装置区。

2）一次设备虚拟现实模拟区。与教学区隔离，设置于二次屏柜区相邻区段，配合3D模型服务器实现变电站一次设备模拟。设置三相跳闸回路，每相跳闸回路可单独跳闸，并可单独设定跳闸时间；设置三相合闸回路，每相合闸回路可单独合闸，并可单独设定合闸时间；支持三跳（三相同时跳闸）、三合（三相同时合闸）；单相支持双跳闸回路；三跳支持双跳闸回路、双合闸回路；每相跳闸回路包括8对辅助空接点；每相合闸回路包括4对辅助空接点；支持开关机构故障模拟，包括16对辅助空接点（8对常开，8对常闭）；支持通讯功能、监控系统的控制功能、状态指示功能；支持遥控操作机手动操作功能；支持声音告警功能；支持3D模型显示器功能。

3）教学区。教学区设置56培训工位，每工位学员机与二次设备区网络报文故障录波器、一次设备模拟区3D模型服务器联络通信，实现二次波形实时召唤与故障一次场景实时调阅功能。

4）讲台区。讲台区配置变电站真实主控台（双机冗余配置）、电网实时仿真计算平台与教员机。教员机可设置启动全混仿系统实时仿真，配发线路、变压器、断路器等元件故障，启动告警系统动作，一次场景联动，实现变电站事故的情境设置。

4 变电站事故处理情境式培训

变电站事故处理是变电站运维人员培训的关键技能项目之一。建立变电站事故处理培训基本流程如下：

1）培训师通过教员机设置故障。教员机配置变电站模型，对线路、母线、主变压器等电力元件设置短路接地故障，系统通过RS485电缆通信将运算指令下发至电磁暂态计算服务器，以故障模型实时替代系统模型并启动运算。运算得到的电流值发送至电子式互感器模拟装置，装置生产实时数据发送到各间隔合并单元。对应故障间隔的短路电流数据会驱动相应保护装置动作，动作报文与数据由保护装置经站控层交换机上传至监控后台。

2）动作报文及SOE事件阅读分析。监控后台机实现变电站智能报警功能，对间隔层保护装置、故障录波装置报文在后台人机界面分类显示。按照事故等级对告警信息进行分类，SOE信号作为单独页面展示。按照告警重要程度，将二次保护动作信号、一次设备变位信号等事故信息进行分颜色着重展示。培训过程中，学员以变电站运维人员、调度值班员岗位要求为依据进行群体角色扮演，在事故处理作业指导书上逐条依序记录关键SOE告警信息。

3）一次设备模拟器。一次设备模拟器包括3D模型服务器、彩色LCD显示器、交换机网络和一次设备模拟终端。一次设备终端内部面板配置LED灯，内部以PLC模拟特定间隔开关、刀闸、地刀信号，与实际智能终端二次回路以控制电缆连接。

一次设备模拟终端与培训变电站间隔真实智能终端进行连接。智能终端与一次模拟器通过电缆连接，与线路、母线保护装置通过光纤专线点对点直连，另通过光接至GOOSE网交换机，对测控装置、故障录波装置实现GOOSE信息共享。断路器、刀闸及操作机构模拟装置基于嵌入式DSP技术开发，不但可模拟断路器、刀闸及操作机构的正常操作和动作情况，而且具备模拟断路器拒动、慢分、非全相、装置辅助接点不对应等异常或故障情况功能，还可模拟刀闸拒动、非全相、辅助接点不对应等各种异常或故障情况。变电站培训系统的一次设备模拟器如图4所示。

图4 变电站培训系统的一次设备模拟器

事故模拟信号下发培训系统后，继电保护装置动作，智能终端收到保护动作信号后驱动一次设备模拟终端动作，通过面板电气指示灯指示一次设备变位。在培训场景中，指示灯仅指示状态变位，难以展现实际电网一次事故场景。在一次设备模拟器中，将3D画面场景模型预先配置在培训服务器数据库中，教员机通过网络通信与3D模型服务器相连，通过HMI界面配置选择一次模拟器事故场景，可实时调用服务器中各间隔3D动画模型。设备正常时，一次设备模拟终端封锁事故场景数据的展示，显示器显示设备间隔正常一次场景，当事故模拟导致一次设备模拟终端动作时，模拟终端通过网络交换机通信触发3D模型服务器，封锁正常设备场景，输出事故场景数据，展示设备损毁、爆裂、起火、冒烟等事故场景。变电站运维学员面对高压设备3D场景，学习事故处理过程中一次设备处理方法，达到沉浸式培训体验。

4）保护装置动作报文调阅分析。220 kV以上电压等级配置双套保护装置，双套保护来自不同的常用厂家型号。变电站运维人员在培训事故处理过程中学习保护装置的处置方法，重点培训保护装置动作报文调用操作及阅读方法，记录不同类型保护启动、动作的精准时间（ms级）以及基本故障象征。

5 培训实验

教员在人机操作界面上设置V-W两相相间短路故障并下发智能变电站混合仿真培训系统，保护装置动作，一次模拟终端三相断路器电气指示灯灭并驱动一次设备场景展示。变电运维按照“一看监控后台机，二看保护设备，三看故障录波”的顺序进行事故巡视处理。监控后台界面的一次设备变位、二次保护动作信号均以红色报警显示。故障线路继电保护装置报文显示 “相间保护动作，保护动作出口”“故障相：V、W”。故障线路智能终端三相指示灯灭，无重合闸信号。故障录波波形如下图5所示。

图5 V－W相间故障时电流电压波形

6 结论

1）基于一次模拟器与真实二次设备结合的智能变电站混合仿真培训系统可以有效创设变电站事故处理情境式培训教学环境。

2）智能变电站事故处理仿真培训系统可以利用交换机设备与变电站3D模型数据进行通信交互控制，实现一次设备的情境模拟，提高 电网事故处理的培训效果。