CN102054386A - 基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统 - Google Patents
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本发明公开了一种基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统，该培训系统包括培训教员侧的电力系统一次仿真系统以及培训学员侧的变电站二次设备系统，所述的变电站一次仿真系统用于模拟电力系统一次设备正常、故障下的运行状态，同时将正常或故障数据传输给变电站二次设备系统来驱动变电站二次设备，变电站培训学员通过变电站二次设备能够监测到完整的电力系统数据，真实反映电力系统一次设备的运行状况。本发明的仿真培训系统能够模拟电网的运行状态，形成了一个完整的实时闭环仿真培训场景，变电站运行人员可以培训熟悉在实际运行状态下的保护设备特性，锻炼电网故障下的分析和处理能力，还可以用来对变电站运行人员进行技能考核培训。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统的仿真培训系统，具体是指一种基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统。
技术背景
在变电站运行人员的培训环节上，过去通常采用单纯的数字仿真技术实现变电站及其二次设备的详细仿真(简称为软仿真)，但是二次系统复杂难以通过软仿真模拟，其逼真度难以达到与真实变电站一致的效果。目前很多电力培训中心建立了各种电压等级的培训室，并购置了保护屏、测控屏等各种二次设备，由于没有电力网络模型，各路信号的输出是孤立的、单向，不能反映变电站的电流、电压信号的动态特性，各种设备只能用于单独培训，无法真正模拟一个完整的变电站运行场景。为克服上述缺点，基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统能模拟电网的正常、故障下的运行状态，同时可将正常或故障数据下发到数模转换装置来驱动各种二次设备，培训室内的各种二次设备可监测到一个完整的电力系统数据。这样既能详细而真实地反映变电站一次设备的行为，又能逼真地再现大电网各类动态过程对变电站的影响，从而为培训变电站运行人员提供一个逼真的培训环境，提高培训效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统，该仿真培训系统能够模拟电网的运行状态，形成了一个完整的实时闭环仿真培训场景。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统，其特征在于：该培训系统包括培训教员侧的电力系统一次仿真系统以及培训学员侧的变电站二次设备系统，所述的变电站一次仿真系统用于模拟电力系统一次设备正常、故障下的运行状态，同时将正常或故障数据传输给变电站二次设备系统来驱动变电站二次设备，变电站培训学员通过变电站二次设备能够监测到完整的电力系统数据，真实反映电力系统一次设备的运行状况。
所述的电力系统一次仿真系统包括相互独立的一次稳态仿真系统、一次动态仿真系统和二次软件仿真系统，所述的变电站二次设备系统包括数模转换装置、保护装置、测控装置、模拟断路器和监控后台，所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统通过网络与数模转换装置相连，一次稳态仿真系统基于动态潮流计算，针对电力系统一次设备的静态特性，基于电力系统的发电、负荷以及电力装置的频率特性参数来反映电力系统在无故障问题时的相应特性；一次动态仿真系统采用全动态仿真技术对电力系统一次设备的各种故障进行动态模拟，给出动态过程中的电压、摇摆角、频率、线路潮流、短路电流各参数的模拟结果；所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统分别将正常、故障仿真模拟计算结果传输给数模转换装置；所述的数模转换装置通过数据线与保护装置和测控装置相连，数模转换装置将接收的正常、故障信号实时传输回放给保护装置和测控装置，所述的保护装置用于保护电力系统一次设备的线路、变压器，所述的测控装置用于测控接收到的数模转换装置传输来的信号；所述的模拟断路器分别与所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统相连，用于模拟电力系统一次设备开关的开合状态；所述的监控后台分别与所述的保护装置、测控装置、模拟断路器和二次软件仿真系统相连，所述的监控后台能够完成对保护装置信号的采集和对测控装置信号的采集，以及对模拟断路器的遥控，同时该监控后台将采集到的信号反馈给二次软件仿真系统，所述的二次软件仿真系统根据接收到的反馈信号实时改变一次动态仿真系统的拓扑结构和运行参数，重新生成新的拓扑结构和运行参数，再传输给变电站二次设备的数模转换装置，从而形成完整的实时闭环仿真培训系统，为变电站运行人员提供真实的培训环境，所述的监控后台能够显示电力系统一次设备仿真系统中的各种仿真系统产生的各种信号以及操作指令。
所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统分别将正常、故障仿真计算结果转为标准COMETRADE录波文件传输给数模转换装置，该标准COMETRADE录波文件包括电压、电流和开关量信号，所述的数模转换装置将标准COMETRADE录波文件的数字信号转换为模拟信号后分别发送给保护装置和测控装置，并在保护装置中形成波形回放。
本发明的变电站仿真培训系统统基于统一的软件平台，对电力系统一次设备系统建立详细的数字仿真模型，同时对变电站二次设备系统使用实际物理设备，一次和二次之间通过数模转换装置和自动化设备联系起来，从而形成了一个完整的实时闭环数模混合仿真培训场景，为变电站运行人员仿真培训营造了更为逼真的运行环境。
本发明的变电站仿真培训系统能够模拟电网的各种运行状态，正常或故障状态下的电流、电压波形可生成COMETRADE格式文件，并实时回放到保护装置和测控装置，同时保护装置和测控装置状态实时反馈至数字仿真系统，从而形成了一个完整的仿真培训场景。教员可在厂站图中可人工触发各种电气故障，电力系统动态仿真计算出故障波形，故障数据转换成COMETRADE格式后下转至数模转换装置，经功率放大器驱动变电站二次设备系统中的保护装置和测控装置，同时故障下保护的相应动作结果通过动作报文反馈给监控后台，变电站运行人员可以培训熟悉在实际运行状态下的保护设备特性，锻炼电网故障下的分析和处理能力，还可以用来对变电站运行人员进行技能考核、反事故演习等培训，能有效提高的训练效果。
附图说明
图1是本发明变电站仿真培训系统的整体框图。
具体实施方式
如图1所示的基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统，该培训系统包括培训教员侧的电力系统一次仿真系统以及培训学员侧的变电站二次设备系统，变电站一次仿真系统用于模拟电力系统一次设备正常、故障下的运行状态，同时将正常或故障数据传输给变电站二次设备系统中的数模转换装置来驱动变电站二次设备，变电站培训学员通过变电站二次设备能够监测到完整的电力系统数据，真实反映电力系统一次设备的运行状况。
电力系统一次仿真系统包括相互独立的一次稳态仿真系统、一次动态仿真系统和二次软件仿真系统，变电站二次设备系统包括数模转换装置、保护装置、测控装置、模拟断路器和监控后台，一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统分别与数模转换装置相连，一次稳态仿真系统基于动态潮流计算，针对电力系统一次设备的静态特性，基于电力系统的发电、负荷以及电力装置的频率特性参数来反映电力系统在无故障问题时的相应特性；一次动态仿真系统采用全动态仿真技术对电力系统一次设备的各种故障进行动态模拟，给出动态过程中的电压、摇摆角、频率、线路潮流、短路电流各参数的模拟结果；一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统分别将正常、故障仿真模拟计算结果传输给数模转换装置；数模转换装置通过数据线与保护装置和测控装置相连，数模转换装置将接收的正常、故障信号实时传输回放给保护装置和测控装置，保护装置用于保护电力系统一次设备的线路、变压器等装置，测控装置用于测控接收到的数模转换装置传输来的信号；模拟断路器分别与一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统相连，用于模拟电力系统一次设备开关的开合状态；监控后台分别与保护装置、测控装置、模拟断路器和二次软件仿真系统相连，监控后台能够完成对保护装置信号的采集和对测控装置信号的采集，以及对模拟断路器的遥控，同时该监控后台将采集到的信号反馈给二次软件仿真系统，二次软件仿真系统根据接收到的反馈信号实时改变一次动态仿真系统的拓扑结构和运行参数，重新生成新的拓扑结构和运行参数，再传输给变电站二次设备的数模转换装置，从而形成完整的实时闭环仿真培训系统，为变电站运行人员提供真实的培训环境，监控后台能够显示电力系统一次设备仿真系统中的各种仿真系统产生的各种信号以及操作指令。
一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统分别将正常、故障仿真计算结果转为标准COMETRADE录波文件传输给数模转换装置，该标准COMETRADE录波文件包括电压、电流和开关量信号，数模转换装置将标准COMETRADE录波文件的数字信号转换为模拟信号后分别发送给保护装置和测控装置，并在保护装置中形成波形回放。
本发明变电站仿真培训系统中主要的系统模块及其功能如下：
一次稳态仿真系统：稳态培训模拟基于动态潮流计算，针对电力系统的静态特性，考虑电力系统的发电、负荷以及其它装置的频率特性，计算快速、准确，能有效地反映电网在无稳定问题时电力系统的相应特性，构成电网中长期仿真的基础。
一次动态仿真系统：采用全动态仿真技术对各种不同的简单故障、复合故障进行暂态、中期、长期动态模拟，给出动态过程中的电压、摇摆角、频率、线路潮流、短路电流等模拟结果，同时将故障仿真计算结果转为标准COMETRADE录波文件。标准录波文件可能是在培训过程中由动态仿真软件准实时生成，也可以是由其它独立商用仿真软件离线生成后载入完成。
数模转换装置：负责接收由动态仿真计算结果转换生成的标准COMETRADE录波文件，其中包括电压、电流和开关量，再将录波文件的数字信号转换为模拟信号发送给保护、测控装置，在保护装置中形成波形回放。
监控后台：该监控后台将完成对实际保护装置信号的采集和对实际测控装置信号的采集，以及对模拟断路器的遥控等，这一部分和常规变电站监控后台软件基本一致。同时，该监控后台将显示并相应由仿真软件产生的电网一次系统及二次系统的各种信号以及操作指令，这一部分相当于一个仿真的变电站监控后台软件。
本发明变电站仿真培训系统中各个功能模块通过常规的过程控制及支持系统连接构成一个整体，总体的功能描述如下：
(1)教员可在厂站图上设置故障，对于教员设定的故障，能够经动态仿真计算后实时通过数模转换装置发送给保护装置，若满足动作条件，则保护装置跳开模拟断路器。另外，也可以使用离线准备好的故障录波数据驱动保护装置动作。
(2)监控后台系统可实时监视到模拟断路器的动作以及保护装置的动作信息，并通过仿真前置反送数字仿真系统，重新形成潮流断面。在监控后台上可以对有关模拟断路器进行遥控操作，其结果同样通过仿真前置反送仿真系统，重新形成潮流断面。
(3)站内的功率电压电流等模拟量首先由仿真系统进行计算模拟，再由仿真前置发送给监控后台上进行显示。对于站内没有配置保护硬件的二次系统，将由仿真软件进行模拟，相关保护动作信号由仿真前置发送给监控后台上进行显示。
(4)电网数据实时下发至数模转换装置，进行波形回放驱动保护装置。
变电站仿真培训系统模拟电网的各种运行状态，正常或故障状态下的电流、电压波形和开关量可记录到COMETRADE格式文件，并通过数模转换装置实时回放到保护、测控装置，同时保护、测控装置状态实时反馈至数字仿真系统，从而形成了一个完整的仿真培训场景。教员可在厂站图中可人工触发各种电气故障，电力系统动态仿真计算出故障波形，经数模转换装置后经功率放大器驱动实际二次设备，故障下保护相应动作结果通过动作报文反馈给监控后台，变电站运行人员可以借助此系统熟悉在实际运行状态下的保护设备特性，锻炼电网故障下的分析和处理能力。
(5)监控后台及数字仿真系统对混合仿真模式的支持。
电网一次侧数字仿真系统进行变电站一次系统的实时稳态、动态仿真计算，通过高速以太网将电网数据送到外部数模转换装置，然后通过波形回放送入真实的变电站保护、测控装置。同时，变电站综合自动化设备采集的开关操作、保护跳闸、重合闸以及有载调压变压器分接头位置的升、降、急停等控制信号转换为数字信号，反馈至监控后台和数字仿真系统。数字仿真系统根据反馈信号实时改变一次系统的拓扑结构和运行参数，从而形成完整的实时闭环仿真培训系统，为变电站运行人员提供了更加真实的培训环境。
Claims (3)
1.基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统，其特征在于：该培训系统包括培训教员侧的电力系统一次仿真系统以及培训学员侧的变电站二次设备系统，所述的变电站一次仿真系统用于模拟电力系统一次设备正常、故障下的运行状态，同时将正常或故障数据传输给变电站二次设备系统来驱动变电站二次设备，变电站培训学员通过变电站二次设备能够监测到完整的电力系统数据，真实反映电力系统一次设备的运行状况。
2.根据权利要求1所述的变电站仿真培训系统，其特征在于：所述的电力系统一次仿真系统包括相互独立的一次稳态仿真系统、一次动态仿真系统和二次软件仿真系统，所述的变电站二次设备系统包括数模转换装置、保护装置、测控装置、模拟断路器和监控后台，所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统通过网络与数模转换装置相连，一次稳态仿真系统基于动态潮流计算，针对电力系统一次设备的静态特性，基于电力系统的发电、负荷以及电力装置的频率特性参数来反映电力系统在无故障问题时的相应特性；一次动态仿真系统采用全动态仿真技术对电力系统一次设备的各种故障进行动态模拟，给出动态过程中的电压、摇摆角、频率、线路潮流、短路电流各参数的模拟结果；所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统分别将正常、故障仿真模拟计算结果传输给数模转换装置；所述的数模转换装置通过数据线与保护装置和测控装置相连，数模转换装置将接收的正常、故障信号实时传输回放给保护装置和测控装置，所述的保护装置用于保护电力系统一次设备的线路、变压器，所述的测控装置用于测控接收到的数模转换装置传输来的信号；所述的模拟断路器分别与所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统相连，用于模拟电力系统一次设备开关的开合状态；所述的监控后台分别与所述的保护装置、测控装置、模拟断路器和二次软件仿真系统相连，所述的监控后台能够完成对保护装置信号的采集和对测控装置信号的采集，以及对模拟断路器的遥控，同时该监控后台将采集到的信号反馈给二次软件仿真系统，所述的二次软件仿真系统根据接收到的反馈信号实时改变一次动态仿真系统的拓扑结构和运行参数，重新生成新的拓扑结构和运行参数，再传输给变电站二次设备的数模转换装置，从而形成完整的实时闭环仿真培训系统，为变电站运行人员提供真实的培训环境，所述的监控后台能够显示电力系统一次设备仿真系统中的各种仿真系统产生的各种信号以及操作指令。
3.根据权利要求2所述的变电站仿真培训系统，其特征在于：所述的一次稳态仿真系统和一次动态仿真系统分别将正常、故障仿真计算结果转为标准COMETRADE录波文件传输给数模转换装置，该标准COMETRADE录波文件包括电压、电流和开关量信号，所述的数模转换装置将标准COMETRADE录波文件的数字信号转换为模拟信号后分别发送给保护装置和测控装置，并在保护装置中形成波形回放。
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