数字物理混合仿真智能变电站实训系统研究

焦日升，钟 旭，焦俊驰，王 菁，曹盛楠，滕健伊

（1.国网吉林省电力有限公司培训中心，吉林 长春 130062；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085；3.国网四川省电力公司检修公司，四川 南充 637000）

0 引言

变电站仿真技术的发展和应用与计算机技术的发展有着密切的联系，同时反映了常规变电站、综合自动化变电站、数字化变电站、智能变电站、新一代智能变电站的发展历程和技术的进步［1－2］。变电站仿真系统通过计算机虚拟技术实现对变电站全方位的仿真及各项工作流程的全场景真实呈现，对电网调控、变电站运维人员的变电站运行、管理、维护、操作、故障判断处理等技术技能水平的提升起到了不可替代的作用［3－4］。为了适应变电站升级换代带来的培训新课题，需进行数字物理混合仿真智能变电站实训系统的研发。

1 系统总体架构

数字物理混合仿真智能变电站实训系统总体架构主要包括数字物理混合仿真智能变电站一次仿真平台和典型保护IED （Intelligent Electronic Device，简称IED）模型两部分，具备和外部虚拟测试仪器的接口，如图1所示。

1.1 智能变电站一次仿真平台

1）以图形方式创建系统模型电路图和控制系统图。

2）提供发电机、输电线路、变压器、负荷、断路器、隔离开关、母线、电容器、电抗器等多种常用的电力系统元件模型。

3）可模拟电力系统故障，如单相接地、三相短路、两相短路、两相短路接地等；接地电阻、故障时间及恢复时间可选择；能够模拟电流互感器饱和特性。

4）能够进行局部网络电磁暂态仿真。

5）多窗口监测电力系统的故障输出量，如电压、电流、功率等，可采用曲线或者报表的形式。

6）故障引起开关变位后，潮流、开关变位信息能够及时反映到一次接线图上，同时电流、电压等信息实时传送给二次IED保护装置。

7）搭建数字系统和物理系统的数据接口。

图1 系统总体架构示意图

1.2 智能变电站典型保护IED模型

1）仿真典型的500 kV及以下智能变电站全站IED设备，每台服务器支持多个IED设备，各服务器通过网络交换机进行数据交换。

2）按照不同保护类型、保护厂家建立IED库，在构成一个站的多IED仿真时便于模型模块化搭建及扩展。

3）仿真IED采集的数据是SV和GOOSE数据，内部处理逻辑与现场常用保护的逻辑功能一致，保护动作跳闸后输出的信号采用标准的GOOSE输出，上送站控层的数据采用MMS报文，使得仿真IED可与物理IED互相通信，仿真IED与物理IED配合构成全站IED的仿真。仿真IED可代替物理IED，物理IED也可接入仿真培训系统中。

4）对算法、各逻辑元件、保护的中间计算过程及结果进行记录存储，并能可视化展示，便于掌握保护原理和动作过程，同时为系统测试、事故分析、案例分析提供测试和分析依据，提高测试效率和培训效果。

5）仿真IED除了能够接收和发送一次暂态仿真系统的数据外，还能够接收和发送数据到虚拟测试仪，以完成虚拟测试仪培训。

6）仿真IED保护可模拟保护检修机制，以实现二次安全反事故措施培训。

7）仿真保护IED界面包括操作界面、背板接线、相应光口配置等，具体按照现场保护IED配置。光纤编号根据图纸定义，当鼠标点击相应光纤或者光口，能够显示对应的虚端子连接关系、物理连接关系、对应的SV或者GOOSE报文信息，以实现对保护IED从物理到虚回路的可视化培训。

2 系统架构的研发

2.1 基于数字物理混合仿真的智能变电站一次仿真平台研发

2.1.1 以图形方式创建系统模型电路图和控制系统图

变电站一次设备图形建模开发模块能对变电站一次设备快速建模，具有智能化的图形编辑功能和元件参数管理功能。该模块包含发电机、变压器、电压互感器、电流互感器、开关、刀闸、母线、电容器、电抗器、消弧线圈、输电线路、负荷等各种图元。使用图形编辑模块进行自动建模、生成网络拓扑，可实现电力一次系统的仿真运行、电力系统潮流计算、机电暂态计算和实时故障计算。

2.1.2 提供多种常用的电力系统元件

仿真系统较好地解决了仿真的准确性和实时性问题，电力系统元件数学模型建立在机电暂态理论之上，能够正确地描述系统的动态过程，对操作和事故均能及时响应。数学模型具有良好的鲁棒性，在切换运行状态、进行倒闸操作和事故处理的情况下，能保证系统的连续运行，能实现长时间的实时仿真和培训。

2.1.3 模拟电力系统故障

根据培训需要设置线路、变压器及其冷却系统、母线、断路器及其操作机构、隔离开关及其操作机构、互感器、二次回路、保护装置、直流系统、站用电交流系统等的各种故障和异常，仿真结果与现场相一致。系统可设置简单故障、复合故障，具备反映连锁故障的功能，可以设置复杂的故障供技能竞赛使用［5－6］。对于误操作导致的事故，仿真系统能正确反映相应一次设备、二次设备、后台监控系统的所有动作情况。

2.1.4 进行局部网络电磁暂态仿真

本系统电磁暂态仿真平台可实现至少包含2台发电机、2座变电站、3条线路及负荷等的仿真。2台发电机中一台为电厂，一台设置为大电网等值系统。2座变电站中本侧变电站包含变压器、各电压等级母线等所有一次设备；对侧变电站通过220 kV线路与本侧变电站连接，同时配置220 kV母线和变压器。系统可实现与实际智能站保护装置的连接。

2.1.5 多窗口监测电力系统的输出量

本系统包含实时调试软件，可以监看控制回路和保护回路的动作情况。利用实时调试软件可以进行保护在线调试，由于二次部分采用的是全图形建模，学员只需打开保护原理图，连接上运行中的系统，就能够看到故障发生时继电器等的动作情况，对保护的动作原理有更深的认识。同时，在仿真软件调试过程中，能够快速查看保护动作逻辑的错误。

2.1.6 变电站一次主接线图监控系统

变电站一次主接线图监控系统与真实综合自动化后台监控系统有一致的画面及功能，可实现实时数据采集与处理，数据库的建立与维护，控制操作、同步检测和防误闭锁；具有报警、事件顺序记录、画面生成及显示、五防操作票、典型操作票编辑等功能。

2.2 智能站典型保护IED模型的研发

该仿真支撑平台可以采用图形化方式构建变电站二次系统模型。用户只需从算法库中拖出算法到建模区，即可生成一个模块，用连接线将各模块的输入输出相连，就构建成了一个新的模型。连接线可以任意加减节点，从而美化模型的布线。各模块输入输出量的初始值、模块运行速率、运行冻结等可进行修改。

该系统可以无限级构建组合算法，当用几个模块构建成一个具有通用功能的模型时，可以将该模型打包，重新定义成一个组合算法，并用该组合算法构建其他更复杂的模型。这一过程可以无限级进行，构建出复杂的多层次的组合算法。另外，在构建模型时可切换到模型运行状态，了解模型的运行情况，实时修改模型变量的数据，干预模型的运行，可以用曲线监视各模型变量数据的变化情况，并具有单步断点调试功能。

3 实操培训

3.1 实操培训实施准备工作

设计电网调控及变电运维专业培训菜单，制作相应项目实训指导书，在实训系统中建立虚拟+实物多种组合的实训案例库，以便在实训过程中随时调用。同时，组织培训师及专家团队对所设计的培训菜单、制作的项目实训指导书、建立的实训案例库在数字物理混合仿真智能变电站实训系统中进行检验和论证［7－8］，并与现场工作进行逐一比对，确证符合现场培训需求，且运用灵活、安全可靠。

3.2 现场工作的真实再现

被培训单位在培训菜单中选取相应的项目，培训师团队根据培训菜单内相应的项目设计“做教学”一体的有针对性的工作环境。在数字物理混合仿真智能变电站实训系统模拟真实的电网调控及变电运维专业倒闸操作、异常分析、故障处理、设备维护、“两票”执行等相关工作环境和场景，采取工学交替、目标驱动、项目导向等新型教学模式进行培训，使现场工作真实再现，达到通过实训快速有效提升技术技能的目的。

3.3 实操培训实施

在培训师的指导下严格执行等同于现场标准的技术技能及安全等管理要求，按照实训指导书规定的步骤实施多维度、开放灵活、案例重演、研讨递进式实训。通过在数字物理混合仿真智能变电站实训系统的实训，使现场工作真实再现，消除了现场培训只能看不能动手的缺憾。通过虚拟仿真+实物仿真+案例组合+研讨递进式的多维度、开放灵活的实训模式，消除了虚拟仿真和实物仿真单一培训模式缺乏真实感、培训案例简单且数量不足等缺点。

4 结语

数字物理混合仿真智能变电站实训系统实现了电网、电源、变电站、负荷的一体化仿真设计，实现了集教学、竞赛、实训、推演等功能于一体的智能变电站仿真，为智能电网调控及变电运维人员实训提供了技术支持手段。该系统克服了单一虚拟仿真和单一实物仿真实训的缺点，可以模拟真实的电网调控及变电运维专业倒闸操作、异常分析、故障处理、设备维护、“两票”执行等相关工作，特别是在智能变电站的异常分析、故障处理实训中虚实系统组合呈现的多样性、复杂性和真实感案例，使现场工作不但能真实再现，还能提高参与者学习的兴趣，提升培训效果。