220kV智能變電站數字物理仿真實訓系統設計方案研討

曹玥潔

摘 要：智能變電站數字物理仿真教培系統是將智能變電站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監控等基本功能。利用智能電網計算的電磁暫態仿真軟件，通信模塊采用GB/T860國家標準的IO接口，物理的智能變電站二次設備，監控裝置，直流系統，二次回路，光電斷路器及刀閘操作機構模擬裝置和教練員操控系統有機結合，構成了完善的綜合教培平臺。為電力類高職院校師生教學、科研和企業員工崗前培訓，從理論知識到專業技能進行全范圍、全過程、全場景的教學實訓。

關鍵詞：智能變電站;仿真系統;數字物理混合型

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】B 【文章編號】1008-1216（2016）11C-0067-02

近年來，隨著改革開放不斷深化，我國職業技術教育在教學模式和實訓手段上進行了創新發展，更加注重人才質量培養的多面性，樹立創新的人才觀、質量觀。在這樣的背景下，電力各類職業院校和培訓中心更加重視將仿真技術應用到教學和科研中來，注重智能變電站培訓基地的創新建設。

一、技術方案

（一）智能變電站的組成

智能變電站由過程層、間隔層、站控層三部分構成，其結構框圖如圖1所示。

1.過程層。

遙測量采用模擬的光電壓互感器、電流互感器、一次信號采用電壓源及電流源，所有設備內部結構做成可視化模塊。合并單元采用真實的設備，同電壓互感器、電流互感器利用光纖通道組成完整的信息采用網絡。遙信量、遙控量采用模擬斷路器加智能匯控柜或智能操作箱的模式，實現智能斷路器的基本功能。

2.間隔層。

間隔層采用真實的數字化保護及測控裝置，按IEC61850協議同過程層及站控層組成智能變電站的監控系統。

3.站控層。

依據220kV變電站的標準配置監控后臺機及遠動機。監控系統軟件采用國家電網公司所屬220kV變電站通用公司的產品。

（二）設計原則

智能變電站遵照DL860標準，與傳統變電站綜合自動化系統在結構上具有本質區別。需要針對智能變電站站控層、間隔層和過程層的三層結構，制定出智能變電站仿真實訓環境的整體方案。同時智能變電站在繼電保護及自動化的專業實訓方面，系統在設計上充分考慮了網絡架構，軟、硬件的配置上遵循兼容開放性原則，具有適度超前性，為后續系統升級和教學科研開發留有余地。

（三）體系結構

智能變電站數字物理仿真實訓系統主要包括智能電力網實時仿真軟件和變電站電氣二次設備兩大部分，如圖2所示：

智能變電站數字物理仿真系統總體結構是由實時仿真核心單元，電氣一次設備模擬裝置、光電式互感器模擬裝置、智能操作箱，GOOSE網絡保護裝置、各類設備保護裝置，教員機等設備組成。智能變電站二次設備依據電力規程，配置真實的繼電保護、測控設備、監控后臺系統，合并單元，智能操作箱，直流系統、交流系統、通信網絡等設備。

二、系統規模及實現功能

實訓項目的內容及規模按照標準220kV智能變電站設計，一次設備采用軟仿真，二次設備采用與智能變電站電力規程設計要求真實設備和間隔配置。

（一）智能電網實時仿真系統

智能電網實時仿真結構包括電力網實時仿真核心單元，時鐘同步模塊，實時輸入輸出（IO）接口設備。智能電力網實時仿真軟件核心單元。實時IO接口具有模擬擴展功能。依據實時電網仿真軟件的計算結果，IO接口以數字或模擬信號為各類繼保測控裝置提供實時、準確、高精度的模擬電壓、電流信號源，并能實時采控光電斷路器、隔離開關、接地設備的狀態反饋給電網仿真系統。

（二）仿真模擬裝置

1.光電式互感器模塊。

光電式互感器模塊是模擬光電互感器輸入輸出信號的一次主要設備。可按照設計要求配置并與智能變電站的過程層設備相接，主要用于過程層合并單元和智能終端等設備運行和檢修技能的教學培訓。

2.過程層智能終端模塊。

智能終端模擬接口模塊采用國家標準GB/T860架構，主要面向變電站時間（GOOSE）成為智能變電站間隔層和過程層各類信息交互接口，可完成智能終端信息功能模擬。同時終端通信仿真模塊可以實現GOOSE通信報文，仿真智能單元可實現信息上傳和對設備的遙控。過程層智能終端模擬接口模塊輸出全部采用光纖網絡接口，網絡接口帶寬不低于100Mbit/s。

3.過程層合并單元模塊。

根據 GB/T860國家標準，針對過程層合并單元發出的信息報文，將靜態模擬信息或電磁暫態計算波形實時發送，為間隔層設備提供了可靠、精確的仿真數據流，實現了智能變電站中合并單元的模擬。

合并單元模塊可采用集中配置方式，同時為確保仿真數據實時性的要求，不同合并單元的模塊采用獨立網絡接口，網絡接口帶寬不應低于100Mbit/s。

4.智能一次設備模塊。

由于資金、場地的限制，智能變電站一次設備，可采用先進的3D技術模擬光電斷路器，刀閘，主變及操作機構等設備。可以模擬一次設備的各類狀態、信息和控制量。通過電纜接線盒、光纖終端連接，實現智能終端和間隔設備的軟仿真。同時可利用嵌入技術開發智能變電站一次設備，例如，光電斷路器、刀閘及操作機構的模擬裝置，具體操作機構有接點、接入設備端子箱，可考慮與光電互感器（TA、TV）端子箱組屏。這樣可以模擬光電斷路器，刀閘及操作機構的正確操作和故障狀態下事故的分析和處理。

三、智能變電站二次設備

依據電力行業標準，為了使實訓場地滿足現場環境，要求配備以下二次電氣設備：

1.繼電保護設備。

包括220kV主變保護柜;220kV線路保護柜;220kV母線保護柜;110kV線路保護柜;10kV線路保護柜;故障錄波器屏;直流屏。配置數量依據電力規程而定。

2.監控系統及設備。

包括操作員工作站兼工程師站;站控層網絡通信柜;衛星時鐘接收和時鐘同步裝置;公用測控柜;220kV線路及母聯測控柜;110kV線路及母聯測控柜;主變測控裝置。

3.過程層設備。

主要包括不同電壓等級的合并單元，如10kV線路間隔合并單元;10kV電容間隔合并單元;10kV主變間隔合并單元。智能終端（智能操作箱），其中包括：220kV線路智能終端;220kVPT智能終端;110kV線路智能終端;110kVPT智能終端;主變智能終端;10kV線路智能終端;10kVPT智能終端。

四、結束語

目前，隨著特高壓建設進入實用化階段，風電、光伏等新能源也要陸續接入電網，電網的安全穩定性要求更高，對作為智能電網支撐點的變電站提出了新要求。比如，優化資源配置，智能設備之間應實現進一步的互聯互通，支持采用系統級的運行控制策略，提供高級應用，與大用戶，調度相鄰變電站之間協同互動等內容。

220kV智能變電站數字物理仿真實訓系統能夠模擬和現場完全一致的工作環境，對電網安全生產、設備、維檢等崗位員工的培訓有著重要意義，使各職業院校在各種工況下進行技術的分析和智能控制系統的研究創新成為可能。

參考文獻：

[1]周鑫.變電站數字物理混合仿真培訓系統的研究與應用[D].華北電力大學（北京），2006.

[2]馮軍.智能變電站原理及測試技術[M].北京：中國電力出版社，2012.