換流站仿真培訓系統開發技術方案研究

吳娟娟 朱曉山

摘 要：換流站設備結構、接線方式和直流控制保護系統邏輯比較復雜，運行維護專業性非常強，建設一套面向特高壓直流輸電生產人員的高效、全面的仿真培訓系統，對運行人員的崗位技能和應急處理能力進行全方位的培訓十分必要。換流站仿真培訓系統開發的技術方案從總體技術、工作場景、計算與邏輯功能、培訓功能等方面進行設計，提出了包含換流站運行人員工作站（OWS）仿真和一二次設備三維場景仿真的培訓系統，具備監盤、設備巡檢、設備正常操作、設備異常及事故處理等培訓功能。

關鍵詞：技術方案;仿真培訓系統;換流站

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.196

0 引言

我國約有80%的能源資源分布在西部與北部，而近70%的電力負荷集中在中部和東部，呈現“源荷割離”的特點。這要求我國電力系統實現跨區域、遠距離和大規模電能輸送，將西南水電、西北火電和火電保質保量地送往華北、華中、華東和南方負荷中心，促成“西電東送” 和“北電南送”的電能傳輸格局。特高壓直流輸電特別適合于長距離，大功率送電，具有單位造價低，運行損耗小，輸送容量大等優點，近年已經在我國投產數條特高壓直流輸電工程。

遠距離大容量輸電的高速發展給特高壓直流輸電的生產運行管理和人才培養帶來了巨大的挑戰。擁有一支技術全面、經驗豐富的特高壓系統運行人才隊伍是保證特高壓電網長期安全運行的必要條件，因此加強相關技術及管理人員的培訓顯得尤為重要。隨著特高壓工程的投運，特高壓換流站運維人員缺口嚴重，急需通過仿真培訓提高特高壓換流站運維人員技術技能水平。為了快速、高效地培養特高壓人才，必須加速開展特高壓換流站培訓系統的建設，以適應特高壓電網的培訓需求。

1 技術方案研究

1.1 技術設計

換流站仿真培訓系統在硬件和軟件的設計上以及網絡結構上都要遵循開放性的原則，注重系統的可維護性、可擴充性。在選擇計算機、網絡設備、外部設備、操作系統、開發環境等產品時，要選擇符合國際標準的產品（包括產品的各種接口）。要設計遵循各種國際、國內標準的仿真支持平臺、換流站仿真、電網仿真、教員與學員系統等軟件，從而提高系統的開放性、兼容性、可移植性、可維護性。

針對特高壓換流站運行人員的仿真培訓的需求，基于標準化、交互式、分布式仿真運行支撐平臺，采用特高壓換流站與電網一體化聯合仿真技術、基于OpenGL的電力系統虛擬場景三維開發引擎技術、組件化可視化特高壓換流站虛擬現實建模技術、三維場景交互操作與巡視技術以及“模擬”仿真方式的人機界面動態仿真技術，實現特高壓換流站設備與場景虛擬現實建模與仿真、特高壓機理模型建模與仿真、運行人員工作站仿真，為特高壓換流站仿真培訓系統建立一個全方位、全過程、全場景的高逼真度、交互式的特高壓直流輸電培訓模擬環境。

1.2 工作場景設計

培訓仿真系統一般應具備運行人員監控站、現場設備區兩個工作場景。

1.2.1 運行人員監控站

運行人員監控站為運行人員提供電壓、電流、有功、無功等模擬量信息;斷路器、隔離開關、變壓器狀態等開關量信息，滿足運行人員對設備運行進行監視的需求。運行人員監控站還可以實現對一次設備和二次設備的遠方控制和調節的功能。

1.2.2 現場設備區

現場設備區包含了換流站內的各種一次設備和二次設備的三維動態模型，運行人員通過鼠標、鍵盤模擬操作設備模型，設備應給出正確的動態反應。在現場設備區運行人員還可以模擬巡視設備，如設備事先設置了異常，設備應能有對應的外在表現從而被巡視人員發現。

1.3 計算與邏輯功能設計

根據運行人員的工作內容，仿真系統應該具備以下計算與邏輯功能：

a .計算交流電網和直流電網混聯的網絡潮流，將計算的數值儲存、顯示在運行人員監控站，并能在運行邏輯中隨時調用。

b.操作人員對仿真系統進行模擬控制操作時，換流站控制系統應做出正確的邏輯判斷并給出正確的動態反應。

c.操作人員對仿真系統進行模擬故障設置時，換流站保護系統應做出正確的邏輯判斷并給出正確的故障發展過程。

d.以上各功能之間應能夠相互聯系、互相影響。

1.4 仿真內容設計

特高壓換流站仿真分為交流一二次設備、直流一次設備、直流控制保護設備和輔助系統設備四部分。

1.4.1 交流一二次設備仿真

一次設備主要包括主變壓器，斷路器，隔離開關，互感器，線路、桿塔、支架、避雷針、母線等。二次設備包括各一次設備所對應的微機保護裝置，備用電源自動投入裝置、交直流電源裝置等，按特高壓換流站實際的設置情況進行仿真。仿真設備的外觀和表計數據應與設備運行狀態相對應，以便于運行人員通過外觀和表計數據等對設備進行檢查，完成常規巡視和特殊巡視，并能在巡視過程中發現異常或設備缺陷，及時向上級調度匯報。

1.4.2 直流一次設備仿真

直流一次設備主要包括換流閥、換流變壓器、平波電抗器、直流母線，直流互感器，交直流濾波器等。系統應能夠正確反映設備的正常運行狀態和故障情況，正確反映設備的電壓、電流關系，冷卻系統模型應體現負荷、冷卻器投退、環境溫度對油溫的影響等。能對設備主要部件及其輔助設備、相關回路進行巡視檢查。

1.4.3 直流控制保護設備仿真

直流控制保護仿真主要包括設備聯鎖的仿真、極控制系統的仿真、極保護系統的仿真、站控系統的仿真等。

1.4.4 輔助系統仿真

外冷水系統、內冷水系統、站用電系統、直流電源系統。

1.4.5 安全用具的仿真范圍

仿真安全工具室及各種常用的標示牌，安全帽，絕緣手套，絕緣靴，接地線，驗電器，圍欄等。

2 技術方案創新點

a.研究組件化特高壓換流站設備機理仿真模型的建模方法，仿真再現各種工況下特高壓換流站設備及其交互行為;

b.研究基于標準化、交互式、分布式仿真運行支撐平臺，為特高壓換流站與電網一體化聯合仿真提供支撐;

c.研究利用虛擬現實技術，開發特高壓換流站設備的一體化三維建模工具，利用三維模型構建特高壓換流站的全三維仿真，實現換流站一二次場景的三維全景重現，高逼真度地再現換流站交直流一二次設備的正常、異常、事故狀態及其動作過程。

3 結論

換流站仿真培訓系統應建立一套包含特高壓換流站運行人員工作站（OWS）仿真和一二次設備三維場景仿真的培訓系統，具有開展監盤、設備巡檢、設備正常操作、設備異常及事故處理等培訓功能，為直流輸電生產運行人員提供一個全范圍、全過程、全場景的培訓環境。

參考文獻：

[1]丁書文.變電站綜合自動化現場技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]吳娟娟.縣級電力公司設備缺陷管理系統設計[J].山東工業技術，2017（23）：117.

[3]吳娟娟.電力自動化繼電保護安全管理策略解析[J].電力設備，2017（32）：185.