智能變電站混合仿真系統研究分析

張 可，田 皞，楊凱江，段曉雪

（云南電網有限責任公司大理供電局，云南 大理 671000）

0 引 言

將某校在2018年投資建設的220 kV雁園智能變電站作為主要案例開展相關研究。這一案例中，變電站系統主要包括10 kV、110 kV以及220 kV共3個等級。10 kV的設計是單母分段，110 kV和220 kV的設計為雙母線接線。變電站中主要包含1臺180 kV的主電壓器、1條20 kV進線線路、3條110 kV出線線路、2條10 kV無功補償電容器線路以及1條站用變壓器線路。智能變電站的系統選擇使用北京四方變電站綜合自動化系統，因為這一變電站主要是用來開展教學工作，因此不連接實際的電網一次系統，二次系統也不能得到符合運行條件的實時數據。為能實現模擬電網一次系統和二次系統的運行狀況，應不斷提高相關工作人員的專業能力和技術水準。在創建數字和物理混合仿真系統的基礎上，使用電網數字模型和實際變電站二次設備有效結合的混合仿真系統，完成智能變電站一次系統和二次系統的仿真。

1 基本概述

按照《智能變電站技術導則》的規定，智能變電站主要使用具有先進性、可靠性、集成化以及節能環保的智能設備，根本要求是信息數字化、通信網絡平臺化以及信息共享標準化[1]，自動實現對數據的收集、測量、保護、控制以及監控，并按自身需求對電網進行自動控制、協同交互以及線上分析。智能變電站混合仿真技術是利用計算機虛擬智能變電站及周邊設備的仿真技術，使用計算機將虛擬和現實有效結合，模擬三維場景交互的仿真環境，建立智能變電站的混合仿真系統。

2 理解智能變電站混合仿真系統的設計

2.1 設計混合仿真系統的條件

開展220 kV智能變電站混合仿真系統設計的過程中，根據三層兩網的系統結構，使用分層的方法建立智能化一次設備和網絡化二次設備，并將IEC61850標準作為通信協議的標準。IIEC61850標準能夠有效落實MMS和SV等各種網絡協議，并利用MMS功能和SV功能傳送信息流，同時開展過程層、間隔層以及站控層的模擬仿真[2]。

2.2 設計智能變電站混合仿真系統的整體結構

智能變電站通常使用具有先進性和可靠性的智能設備，以此落實電力系統的數字信息化、數據共享、自動收集以及處理信息，支持電網的智能安排和控制。智能變電站主要利用計算機通信系統實現智能變壓器和控制系統的連接，有效落實對電壓變壓器運行狀況的實時控制[3]。智能變電站的整體結構是根據IEC61850標準設計完成的三層體系架構，將二次設備、智能電網仿真平臺以及過程仿真裝置集于一體，形成封閉的智能變電站混合仿真系統。

2.3 設計智能變電站混合仿真系統的結構和性能

智能變電站主要是實現信息共享，按照IEC61850標準設計混合仿真系統，利用目標建模技術和系統結構完成系統設計。仿真系統的設計主要是使用三層兩網的結構開展設計如圖1和圖2所示。

圖2 智能變電站混合仿真系統網絡結構圖

站控層MMS和間隔層的以太網設計是在IEEE802.2標準的基礎上開展的。站控層網絡用于落實站控制層和間隔層的信息通信，并實現傳送站控層中的信息，能落實MMS制造消息規范的基礎數據傳送作用[4]。位于間隔層和過程層間的過程層網絡，主要作用是實時傳送智能變電站的模擬量等信息數據，利用網絡模式完成數據間的共享。站控層的主要作用是為智能變電站提供運作界面和操作界面；間隔層包含了繼電保護等各種設備，結合IEC61850標準實現信息數據的傳輸，為智能一次設備供應通信接口；過程層主要包括電子式互感器等智能裝置。

3 軟件設計

3.1 上位機程序的設計

上位機利用串口來頒發指令，下位機則把串口數據流轉變成并行數據字符提供給主控單元，以此來完成使用者對機器人運動場景的實時監控，實現交互的時效性。控制屏幕如圖3所示。

3.2 下位機程序的設計

上位機和控制板間的通信往往利用UART通信來完成，UART通信程序能使用查詢、中斷以及DMA方式。一般情況下，應用多樣化的中斷方法來寫出UART通信程序的方法。

4 對方案配置選型進行設計

根據現場的實際情況，需要24個電壓輸出、38個電流輸出以及90個開關量，主要有兩種方案。

圖3 Wi fi控制界面

圖4 程序設計

（1）RTDS和功率放大器結合，包含1臺進口的RTDS主機、6個模擬卡（每塊能輸出12個信號）、1個開關卡、2臺電壓功率放大器（每臺12路輸出）以及3臺電流功率放大器（每臺12路輸出）[5]。

（2）5個后臺掌控62個隨意改變的量，缺少RTDS時可以當成繼電保護測試儀；具有RTDS時，可以切換至功放接口實現功放作用。這一方案選擇FPGA基礎上的數字仿真平臺，使用實時數字仿真平臺內的FPGA解算器開展相關的計算和通信，根據IEC61850協議標準發送，通過GOOSE和SV報文，與實際保護裝置有效連接，實現對回路變電站硬件的實時仿真。FRTDS內的FPGA解算器經高速以太網和PC機開展數據的交互，將上位機軟件安裝在PC機上，實現對仿真過程的監督。

5 系統構架

在FPGA基礎上完成的實時數字仿真平臺流程，如圖5所示。

圖5 數字仿真平臺流程圖

6 系統功效

系統功效主要包括：（1）開啟和暫停仿真過程；（2）實時體現系統運作的狀況；（3）設定電源參數、檢測變壓器中的電量故障和非電量故障；（4）設定站內負荷有功功率和無功功率；（5）設定站內節點故障，通過建立節點的單相故障、兩相故障以及三相故障模擬仿真系統中各個節點的短路故障；（6）設定線路故障；（7）模擬系統內部的線路短路和故障；（8）設定組合故障，并模擬系統內產生的大量故障；（9）設定CT傳輸故障，模擬其實際狀況；（10）設定開關跳閘。在用戶初始表中設定初始電路、負載CT以及變壓器等各項參數[6]。

7 實際運作狀況

智能變電站三期一次系統和二次系統建設工作已完成，項目逐漸進入調試階段，通過二次系統和仿真系統的有效結合，調試系統的各項性能。例如，設定“線路故障”，在上位機程序的任意一條線路上設定故障，利用鼠標點擊線路故障的設定按鈕，開啟線路故障設定選項，仿真頁面如圖6所示。單擊箭頭指示的線路，打開線路故障設定選項后，設定模擬故障。

圖6 仿真界面

8 結 論

通過模擬智能變電站的實際狀況，完成對智能變電站混合仿真系統的設計和研究，并完成了對智能變電站仿真的虛擬操縱，落實了對信息的收集及網絡測驗分析等，仿真規模較大，作用完善。綜上所述，設計智能變電站的仿真系統能有效提升電網運行的安全性和可靠性，具有重要的現實意義。