變電站數字物理混合仿真培訓系統

武衛平,孔玉娟

（東北電網有限公司豐滿培訓中心,吉林 吉林 132000）

目前國內電力系統變電站值班員崗位培訓大多采用單純的軟件仿真培訓,只能在虛擬軟件或三維界面上巡視、操作、處理故障,有一定的局限性,培訓功能單一。變電站數字物理混合仿真培訓系統可連接實際變電站一次設備和二次設備,結合數字仿真和實時測試、暫態仿真技術、數字信號處理技術、通信技術及計算機技術等,使培訓更真實。系統可對繼電保護、自動化及遠動系統、變電檢修等專業技術人員進行運行操作、調試維護、檢修試驗等內容的培訓。

1 系統組成

一次系統采用計算機軟件實時仿真（采用真實的不帶電設備）。仿真一次系統和實際一次系統均為2座獨立的典型66 kV變電站,二次系統采用與電力生產現場相同的、真實的變電站二次設備。在軟件仿真的一次系統和真實的二次系統之間用起互感器作用和一次設備輔助接點作用的變電站二次信號轉換裝置（信號轉接箱）連接。信號轉換箱通過功率放大器與二次設備連接,在真實的一次設備和二次設備之間經電纜接通二次回路。真實的一次設備狀態與計算機實時仿真軟件中一次設備的狀態相對應。變電站數字物理混合仿真系統的結構如圖1所示。

2 功能

2.1 數字仿真系統

圖1 變電站數字物理混合仿真系統結構

數字仿真系統負責變電站一次系統實時動態仿真計算。在數字仿真系統中包括電力系統元件模型,可以通過圖形界面對電網結構和元件參數進行修改。根據變電站接線結構、元件參數對變電站一次系統運行情況進行準確計算,實時輸出與變電站相同的電壓、電流波形。可以改變變電站一次主接線,從而對變電站運行情況進行完整的仿真模擬。

任意設置并模擬電力系統的各種故障和電力負荷的變化等。事故仿真一種是設置的事故（線路故障、母線故障、變壓器故障等）;一種是誤操作事故,該故障在模型中自然引發。還可設置開關拒動、保護拒動、誤動,擴大事故范圍。設置事故可進行各種事故演練,提高學員對事故處理能力。

仿真系統可人為設置單個或復合故障,制造事故現場,讓學員判斷事故性質、類型、地點等,并進行處理,由系統記錄處理過程并打印輸出,找出事故處理中的差錯、疏漏,提高技術水平。

2.2 真實的變電站一次設備

真實的變電站一次開關可以實現就地、遠方分合閘。刀閘可以實現就地操作,通過二次回路把分合閘狀態反應到監控和數字仿真系統,保護裝置可以對真實的一次設備實現保護跳閘。

變電站值班人員可對真實設備進行巡視,實際操作開關。變電檢修人員可以進行拆裝檢修。

2.3 真實的變電站二次設備

二次系統為真實的變電站綜合自動化設備,學員可以進行調試維護,可任意改變保護類型、設置保護定值、閱讀報文、信號復歸、故障錄波等,變電站二次設備的所有功能均可實現。電壓、電流指示、電能表均可以正常運轉。

除運行人員外,繼電保護人員可以進行保護測試、調試維護等培訓。

2.4 信號轉接箱

信號轉接箱將一次系統的數字仿真與二次系統的實際變電站綜合自動化設備實時連接起來,形成一個完整的閉環數字物理混合仿真系統。

仿真系統計算出的交流電壓、電流模擬量信號可通過信號轉接箱輸出（模擬TV、TA二次側輸出）,一次系統中的斷路器和刀閘的位置、有載調壓變壓器分接頭的位置等開關量信號通過繼電器接點輸出。二次系統實際設備輸出的開關操作、保護跳閘、重合閘、有載調壓變壓器分接頭位置的升、降等控制信號一方面轉換為數字信號反饋至仿真系統,以便實時改變一次系統結構和運行參數;另一方面使一次設備動作。

2.5 交流放大器

交流放大器可以方便地同信號轉接箱相連,把放大后的電壓、電流輸入到保護裝置。在仿真系統設置故障,電壓、電流參數可反應到保護裝置,使現場一次設備動作。交流放大器有較完善的自檢和自保護功能,并可方便恢復到正常工作狀態。

3 數字仿真系統的建立

數字仿真系統包括圖形化仿真建模系統、教練員臺、電力系統暫態仿真計算系統和實時進程控制系統。圖形化仿真建模系統及教練員臺采用最新的基于圖模庫一體化技術圖形建模軟件,采用面向對象技術進行系統分析及設計,保證系統的穩定性和可靠性,增強了系統的可擴充性和可維護性。圖形分層次管理,可以添加任意多的圖層,在激活的圖層上繪制圖形,并分層顯示圖形。用計算機語言建立電源、負荷、網絡結構數學模型,進行電網動態計算,具有良好的魯棒性。

電力系統暫態仿真基于電磁暫態計算,具有固定頻率電源模型,不僅能計算系統的工頻電量,而且考慮了非周期、高頻分量及快速的動態過程。

當仿真軟件同物理設備對接時,實時進程控制系統負責整個仿真測試過程的時序和同步控制,保證計算的實時性和多路信號的同步性。

4 硬件系統的配置及性能指標

4.1 仿真主機

仿真主機采用高速雙CPU計算機,負責一次系統的建模和實時計算。

4.2 信號轉接箱

信號轉接箱內置基于DSP的高速通信卡。仿真主機通過PCI并行總線（針對電磁暫態仿真）將信號輸送至信號轉接箱,信號轉接箱和功率放大器分別放置到屏柜里,輸出的模擬量和I/O信號直接引到裝置屏柜的端子排上,各信號轉接箱的輸入、輸出由仿真主機同步控制。

信號轉接箱的模擬信號采用16位數/模輸出,峰值為±10 V,開關量輸入信號采用光電耦合輸入,開關量輸出信號采用繼電器輸出,接點容量不低于直流220 V/0.3 A。具有數/模轉換和電壓、電流輸出功能,可將仿真結果轉換成交流模擬量輸出;具有開關量輸入/輸出功能,用于系統同二次設備開關量的交換;根據需要和自動化設備情況設置電壓通道數、電流通道數、I/O端口數、電壓、電流放大倍數及電壓電流轉換系數等。

4.3 交流放大器

交流放大器滿足DL/T 624—1997《繼電保護微機型試驗裝置技術條件》中5.4及5.5規定的條款,可以方便地與信號轉接箱相連。硬件系統配置如圖2所示。

5 應用效果

系統投入使用后已進行了變電運行、繼電保護、變電檢修3個工種的培訓。變電運行人員能在實際設備上進行操作,拉合開關、投退壓板、掛接地線、裝設遮欄等操作與現場完全相同。教師可以在仿真系統任意設置故障,運行人員根據報警、二次設備的報文和現場現象進行事故處理,培訓效果較好。特別是對新畢業大學生的上崗前培訓,較單純的軟件仿真模擬操作更有效。

圖2 硬件系統配置

在繼電保護測試功能上,由于閉環測試系統比開環測試系統的動態交互效果好,可以方便地模擬系統中的多重故障和多個繼電保護裝置之間的相互影響。通過與實際綜合自動化設備的實時連接,在培訓過程中幫助學員更加深入地了解變電站設備的運行性能和工作特性。同時,學員可通過培訓系統進行繼電保護裝置及自動重合閘裝置的測試。

6 結束語

變電站數字物理混合仿真培訓系統可進行數字仿真和實時測試,連接了實際的變電站二次設備及真實的一次設備,使培訓更接近實際,方式更加靈活,增強了培訓效果,增加了變電檢修、繼電保護、自動化遠動等培訓功能,在實際培訓中反響較好。其缺點是投資大、建設周期長,仿真系統有時不太穩定,一些事故模擬需要和純軟件仿真相配合。

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[3] 白 瑋,高 平,逢建鵬,等.DTS-SOTS實時通訊接口的設計和實現[J].電力自動化設備,2002,22（6）：33 -35.

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