变电站三维仿真系统的应用实践

沈海军， 梁克靖， 支 琴

(上海交通大学 a. 后勤保障中心; b. 电子信息与电气工程学院; c. 招标办, 上海 200240)

0 引 言

随着我国经济、社会的发展，人们对于电能的需求不断增长，国家电网公司早在2009年特高压电技术国际会议上提出了名为“坚强智能电网”的发展规划，标志着我国新一轮的电网建设已经开始。作为电网中重要组成部分，变电站的建设与改造成为国家战略布局的重中之重。

近年来，随着新能源的兴起与电力设备的更新换代，电力系统已经发生了结构性的变化，常规的变电站已经无法满足智能电网发展的需要，智能变电站的建设与普及迫在眉睫[1-2]。按照国家的整体战略布局，在“十三五”期间，我国将新建7 700座智能变电站，并预计对现有变电站全部进行智能化改造。

伴随着越来越多的新一代智能变电站的落地，人才的培养也自然而然的成为了下一个亟待解决的难题，其主要体现在以下3个方面：① 变电站建设与改造模块化，“以功能需求为向导”的理念贯穿于我国智能变电站设计与建造之中，通过大范围的规范多种电力设备的集成方式和接口规划，使得从业人员需要掌握更多的新技术、新技能，以便开展工作。② 一次设备智能化与二次设备网络化，电力设备的更新换代对从业人员的综合素质有了更高的要求，尤其在旧站改造过程中，如何能够使得员工快速熟悉新设备、新规程更是一项新的课题。③ 设备检修状态化，以往的变电站设备检修工作通常是定期检修，人工投入较大，效率不高，现在的变电站则主要是以状态检修为主，对故障处理的反应速度要求更高[3]。智能电网与智能变电站的快速发展给电力行业的操作管理带来了巨大的变化，但是变电站的特殊工作环境使得变电站的工作人员或者在校学生，都不可能在实际的变电站中把所有可能遇到的问题及故障处理全部进行演练[4-6]。因此，变电站仿真系统的应用实践就显得尤为必要。

1 变电站三维仿真系统概述

系统实现变电站一次、二次设备的全数字仿真，变电站整体场景及电力设备的仿真模型采用3D建模技术搭建，不同的电力设备3D模型再经数据库接口和系统引擎链接到相应的电力线路逻辑模型，整体操作方式基于Window系统，扩展性较强。

(1) 硬件架构。系统硬件主要包括服务器、教员机、学员机3部分，其组成结构如图1所示。

图1 变电站三维仿真系统的硬件组成

服务器主要承担数据管理与通信的功能，数据库包括电网模型、建模软件、图片资料、模拟操作过程记录等。教员机主要用来布置仿真任务、设置系统故障、仿真过程把控等。学员机是面向学员的人机交互接口，学员可对模拟设备发送控制命令、查看系统状态、事件信息等。

(2) 软件系统。软件系统分为二维与三维仿真两部分，各部分主要功能如下：

二维仿真主要模拟变电站的监控系统、潮流计算以及二次逻辑计算和信号处理。其中监控系统包括：变电站的电气主接线图、站内辅助电源的接线图、运行趋势图、监控系统配置图、告警信息表、操作信息等。潮流计算主要对变电站的一次系统进行潮流计算分析。二次逻辑图采用图形化建模，模拟 CT/PT 二次走线，保护屏柜的二次接线，现场屏柜的控制回路以及测控系统的信号传送等。

三维仿真主要进行变电站全景的动态模拟，包括主界面、变电保护室等场景，并可模拟电力设备操作及变电站巡视过程，例如控制开关、挂接地线、填写巡视记录，设置围栏等操作。变电站三维模拟如图2所示。

图2 变电站三维系统模拟图

根据上述功能可以开展教学和培训考试等工作。可通过教员机设置变电站一次、二次系统故障，及变电站异常工况，进行故障分析和复位倒闸操作来进行教学实践。也可通过教员机添加动态题库，对变电站员工或学员进行培训考试，便于学员在此平台上进行学习实践。

2 变电站系统故障仿真应用

仿真系统的应用可以使得学员能够在虚拟状态下掌握变电站运行规则、了解变电站可能会出现的故障，学习故障分析的方法，掌握变电站故障的处理流程[7]。变电站电力系统运行故障种类较多，本文选取比较典型的母线接地短路故障，以变电站500 kV母线II B相接地短路故障来进行分析。

(1) 故障设置。通过教员机进行故障设置，从数据库的故障详单设置列表里选择变电站500 kV母线II B相接地短路故障设置，设置界面如图3所示。

图3 教员机故障设置界面图

(2) 故障现象与分析。学员机接收到教员设置的故障之后，继电保护随即做出反应，从主接线图可以看到与母线II相连的断路器均动作跳闸，呈现紫色绿色交替闪烁，主接线图如图4所示。

图4 500 kV主接线图

在继保动作之后，同时查看仿真系统中的光字牌和告警窗，如图5～6所示。光字牌作为故障提示窗口，方便进行故障定位；而告警窗则记录了所有的动作信息与触发时序，有利于故障分析，二者一一对应、相辅相成。

图5 仿真系统光字牌示意图

图6 仿真系统告警窗示意图

由图5可以看出， II母线的第1套、第2套母差保护与其出口保持继电器均发生动作。在仿真系统里进行确认之后，见母差保护光字牌回归初始状态，表示母差保护动作后已经自动复位，而出口保持继电器光字牌则保持红色常亮，表示该继电器不可自动复位，需要操作员手动复位。

为了提高系统的可靠性，II母线设置有两套平行的保护装置，每套保护都包括差动保护和距离保护。主变侧(一线)差动保护，当II母线B相短路接地时，流进保护装置的电流和流出的电流不相等,差动电流大于差动保护装置的整定值,上位机报警保护出口动作,差动继电器动作,作用于断路器跳闸。

(3) 故障处理。由于母线故障为永久性故障，系统不会自动清除，需要通过仿真软件操控排除故障，再进入3D场景中完成复位操作。以II母线第一套母差保护和如图7所示的继电器箱为例进行说明。

图7 500 kV II母线第一套母差保护和继电器箱3D模型图

进入变电站保护室，找到母线保护柜，在此3D场景中按下右下角复位按钮即为手动对II母线第一套保护出口保持继电器复位，等待数秒后，左侧四盏红灯熄灭，如图8所示。按下右上角II母线保护差动保护复位按钮，使其回到初始状态。之后，回到主接线图界面，进行合闸操作，系统恢复至运行状态。

图8 500 kV II母线第一套母差保护和继电器箱

通过上述故障现象的判断、分析以及处理的仿真实践，可以锻炼学员逻辑思维以及理论联系实际的能力[8-10]。

3 变电站故障巡视仿真应用

在变电站的实际运行中，站内的电力设备也会出现多种故障，比如瓷瓶破裂、避雷器均压环损坏、油枕泄漏等[11]。变电站三维仿真系统，根据现场真实情况进行3D建模，构建变电站三维场景，结合动态运动程序，可以以第一视角模拟变电站的巡视任务。系统内置了大量的电力设备工况异常状态，可以通过教员机设置异常工况的类型与数量。

故障巡视仿真的具体操作过程如下：

(1) 设置异常工况。教员机选择巡视任务，设置异常工况，发布到学员机。

(2) 故障记录。学员在变电站场景下，完成教员机设定的巡视任务，模拟变电站实际巡视路线、记录巡视日志，并将发现的设备异常记录上报。比如：可以通过设置参数模拟变电站主变发生异常情况导致冒烟现象出现，其3D仿真模拟效果如图9所示。

图9 变电站巡视仿真示意图

通过上述故障巡视仿真，可以对学员的观察能力进行考核，起到了很好的教学培训效果。

4 变电站操作票仿真应用

操作票是指在电力系统中进行电气操作的书面依据，包括调度指令票和变电操作票，是防止误操作(误拉、误合、带负荷拉、合隔离开关、带地线合闸等)的主要措施[12]。变电站从业人员对于操作票的练习是日常工作的一大要点[13-14]。该系统提供了操作票仿真的功能，下面以500kV I母线(第一套)母差保护从发生故障到恢复正常运行状态为例介绍其过程。

(1) 操作票执行。教员机通过该仿真系统指导学员学习变电站操作票执行流程，并发布执行命令。其对应的操作票如图10所示。

图10 500 kV I母线(第一套)母差保护从发生跳闸故障到

(2) 操作票执行过程。通过3D场景进入500 kV保护室，依次检查500 kV I母线第一套母差保护装置运行状态以及继电器箱面板上动作指示灯，若上述条件满足操作票要求，在相应核对栏里打勾。然后在500 kV I母线保护柜内停用操作票中所示压板，操作完成后，在相应核对栏里打勾。

通过操作票模拟仿真的训练，可以使学员快速的掌握变电站操作票的操作规范，与实际操作能够更好的衔接[15]。

5 结 语

智能变电站已经成为近年来我国电网建设的重点，相应的高素质电力人才的培养已经成为急需解决的问题。传统的二维仿真系统已经无法适应新一代智能变电站模块化、智能化、网络化的新需求，而新一代的变电站三维仿真系统具有较好的兼容性、真实性和可扩展性，可以满足当前变电站人才专业性培养的需求。通过3个典型的变电站仿真应用，介绍了三维变电站仿真系统的主要功能以及操作处理流程，具有较好的实践效果，为电力人才的培养提供了一个较好的平台。