CN103150426A - 面向调控一体仿真的电网一、二次设备统一建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向调控一体仿真的电网一、二次设备统一建模方法，包括如下步骤：⑴建立一次设备的仿真模型；⑵建立一次设备与测量系统二次设备、控制系统二次设备之间的关联关系；⑶建立一次设备与保护设备的关联关系；⑷建立二次设备之间的电气关联关系；⑸建立二次设备的功能模型；⑹定义二次设备中元件的属性。本发明建立了统一模型数据库，解决了模型一致性难以保证、维护困难的问题；采用可视化建模工具，按照层次化方法对整个电网系统及设备进行建模，直观、高效；设备模型符合物理机理，具有极高的精细度，能够满足电网调控一体仿真的需要。

Description

面向调控一体仿真的电网一、二次设备统一建模方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统仿真建模方法，尤其涉及一种面向调控一体仿真的需要，统一构建整个仿真电网一、二次设备仿真模型的方法，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

电力仿真培训系统作为高效的培训工具在电力企业得到了广泛应用。但随着电力系统自动化程度的提高，“大运行”生产运行体系的推广，调控一体化开始成为电网生产运行管理的新模式。针对调控一体化的要求，仿真培训系统需要模拟一个地区电网及其数十个、上百个变电站中设备的动态行为，因此要建立全电网的一、二次系统模型以及一、二次设备详细模型。其中一、二次系统模型将一、二次设备抽象成逻辑节点，通过连接点相互连接，构成电网设备的电气回路模型；一、二次设备详细模型包含设备的动作逻辑、设备中元件的模型以及元件的动作逻辑，它们通过电气回路连接成一个整体。在传统的仿真培训系统中，电网与变电站分开建模，模型管理、维护和使用困难，而且由于建模工作量大，又缺少高效的建模手段，往往只对个别变电站进行一、二次设备详细建模，无法满足构建调控一体化仿真的需要。

电力系统建模是实现仿真计算、动态分析、安全控制的基础，因此，建模方法和模型表达方式的研究一直在进行之中。目前，常用的建模规范是IEC 61850标准和IEC 61970标准。其中，IEC 61850标准是变电站自动化系统进行数据采集、交换的国际标准，其二次设备模型规范对大多数变电站内公共设备的模型进行了规定，但这些模型的应用对象是变电站自动化系统，模型描述的重点是设备的观测、控制等相关属性，目的是解决自动化系统的信息交换，没有基于设备的物理机理对设备的内在逻辑进行描述，不能够满足仿真计算的需要。IEC 61970是能量管理系统应用程序接口系列国际标准，其公共信息模型（CIM）规定了一次设备模型的属性及格式，经过少量扩展就可以用于电网仿真计算。但CIM将设备抽象成逻辑节点，没有考虑设备的内在逻辑。例如断路器在CIM中被定义成一个具有分/合状态的双端元件，而没有考虑操作机构类型、控制回路等对断路器操控的影响。因此，现有的IEC 61850标准和IEC 61970标准并不能满足调控一体仿真的需要。

在申请号为200910186696.0的中国发明专利申请中，公开了一种智能变电站和主站共享建模方法。在该建模方法中，根据资源采用全局统一命名规则。在统一语义的定义下，将变电站二次设备（保护、测控等设备）的S CL（变电站配置描述语言）模型与主站一次设备（变电站、线路、负荷等）的电网CIM拼接起来，建立一、二次设备模型之间的关联关系；根据映射法则，将遵循IEC 61850 SCL的变电站二次设备模型与遵循IEC 61970 CIM建模规范的主站一次设备模型进行相互转换映射，对电力系统一、二次设备进行统一建模，实现智能变电站与主站之间的无缝通信。但是，该建模方法解决的是IEC 61850模型与IEC 61970 CIM模型的拼接问题，其核心是通过建立两种模型中相同设备的资源名称之间的对应关系表，以该对应关系表为中介实现两种模型中设备模型的互相转换和合并。因此，它从本质上是一种模型拼接的方法，而不是建模方法，不能适合调控一体化仿真系统的需要。

因此，在电力系统仿真培训的实践中，迫切需要提供一种能够进行全电网一、二次设备统一建模的方法，以便快速构建全网一、二次设备详细模型。该模型应该能够准确详细地描述一、二次设备模型的物理特性及内部机理，为实现精细化的电网变电站仿真提供支撑，满足开发基于全网变电站详细设备模型的调控一体化仿真系统的要求。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种面向调控一体仿真的电网一、二次设备统一建模方法（简称统一建模方法）。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种面向调控一体仿真的电网一、二次设备统一建模方法，包括如下步骤：

⑴建立一次设备的仿真模型；

⑵建立一次设备与测量系统二次设备、控制系统二次设备之间的关联关系；

⑶建立一次设备与保护设备的关联关系；

⑷建立二次设备之间的电气关联关系；

⑸建立二次设备的功能模型；

⑹定义二次设备中元件的属性。

其中较优地，在建立仿真模型之前，首先为电网、变电站及一、二次设备模型建立统一模型数据库，按照电网层、变电站层和设备层分别进行建模。

其中较优地，在设备层的建模中，对设备中各个元件的动作逻辑、触发逻辑进行建模，将各个元件的动作逻辑和触发策略抽象成一个逻辑表达式。

其中较优地，在所述步骤⑴中，进一步包括如下子步骤：

1)将一次设备抽象成一次设备图元，一次设备图元包括多个状态和一个或两个连接点；

2)在图形界面上放置一次设备图元，并按照调度编号对一次设备图元命名；

3)定义一次设备图元中连接点的名称，物理上相连的设备之间有且仅有一个名称相同的连接点；

4)重复上述的步骤2）和步骤3），建立一次设备的仿真模型。

其中较优地，在所述步骤⑵中，通过一次设备图元的测量装置、操作箱、操作机构关联菜单，从模型数据库中选择录入对应的装置，录入的装置通过名称与一次设备图元关联，实现一次设备与装置的互相检索。

其中较优地，在所述步骤⑶中，通过一次设备图元的保护装置关联菜单，从模型数据库中选择录入的保护设备，录入的保护设备的属性中包含一次设备的名称和保护套号，以便进行一次设备与保护设备的互相检索。

其中较优地，在所述步骤⑷中，进一步包括如下子步骤：

1）将二次设备抽象为包含两个电源输入点的二次设备图元；

2）以变电站为单位，在图形界面上绘制代表直流电源的直流母线和多个二次设备图元；

3）从直流母线上绘制连接线，与二次设备图元的电源输入点相连；

4）重复步骤2）和3），建立二次设备之间的电气关联关系模型。

其中较优地，在所述步骤⑸中，以二次设备为单元，按照启动条件、闭锁条件、启动输出、定值、动作输出五个方面描述二次设备的功能模型。

其中较优地，在所述步骤⑹中，以二次设备为单元，列出二次设备中的全部元件，逐个定义元件的状态数、每个状态取值、每个状态物理意义，为各个元件生成动作逻辑和触发逻辑的模型数据。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

1.建立了统一模型数据库，可以同时构建和管理整个仿真电网的详细模型，支持实现调控一体仿真；

2.对电网及变电站一、二次设备统一建模，对模型统一管理，解决了模型一致性难以保证、维护困难的问题。

3.对设备元件的动作逻辑和触发逻辑进行建模，可以极大地提高仿真的真实性。

附图说明

图1显示了电力系统仿真模型的层次结构，按照电网、变电站、设备、元件的层次化结构建立整个电力系统的仿真模型；

图2显示了统一模型数据库的管理界面；

图3为本发明所提供的电网一、二次设备统一建模方法的整体流程图；

图4为一次设备图元的连接示意图；

图5为一次设备的仿真模型示意图；

图6为一次设备与测量装置、操作箱、操作机构的关联关系示意图；

图7为一次设备与保护设备的关联关系示意图；

图8为二次设备之间的电气关联关系示意图；

图9为电网仿真模型中，直流回路的示意图。该直流回路示意图表现了设备之间的电气连接关系，使独立的设备构成一个逻辑上相关联的整体；

图10为建立二次设备功能模型的操作流程图；

图11为元件的动作逻辑模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的统一建模方法进行详细具体的说明。

本发明中所说的一次设备是指发、输、配电的主系统上所使用的设备，例如发电机、变压器、断路器、隔离开关、母线、电力电缆和输电线路等。二次设备是指对一次设备的工作进行控制、保护、监察和测量的设备，例如测量仪表、继电器、操作开关、按钮、自动控制设备、计算机、信号设备、控制电缆等。

本发明提出了一种用于电力系统的一、二次设备统一建模方法。如图1所示，该统一建模方法首先为电网、变电站及一、二次设备模型建立统一的模型数据库，在此基础上按照电网、变电站、设备、元件的层次化结构开发分层化的建模工具，由大到小、由抽象到具体，实现电网及一、二次设备的统一建模。这样可以极大地提高建模的效率，解决模型一致性难以保证、维护困难的问题。

在电网层的建模包括对一次设备进行抽象建模，即：按照电网仿真的要求，建立一次设备的抽象模型，包括一次设备的拓扑连接关系、一次设备的状态及发电机组的初始参数。

在变电站层的建模以上一层次（即电网层）建立的电网抽象模型为基础，建立变电站内各个设备的模型。一个变电站中包含大量的一次、二次设备。一次设备之间的拓扑连接采用电网层生成的拓扑参数，设备之间二次回路的连接关系通过可视化界面实现；在二次回路中，每个设备被抽象成一个逻辑节点，通过连线生成电气连接数据。当搭建完成整个电力系统的设备并完成设备之间二次回路连接建模后，才构成整个变电站层的仿真模型。

在设备层的建模包括对设备中各个元件的动作逻辑、触发逻辑进行建模，将各个元件的动作逻辑和触发策略抽象成一个逻辑表达式，为详细模拟元件的逻辑行为及元件之间相互影响提供依据。在本发明所提供的统一建模方法中，按照组件化建模思想开发了大量基于设备类型的仿真策略模型组件，建立了种类齐全的、并可以不断扩充的模型组件库，以便能够以设备和装置为单元快速进行设备仿真策略的建模。在建模过程中，进一步采用了语义分析技术，通过分析元件标识能够快速、自动地将策略模型与设备模型关联，极大地提高了仿真培训系统的可用性。

基于上述多个层次的建模工作，可以建立适合电网、变电站仿真、调控一体仿真的统一模型数据库。这样可以同时管理整个仿真电网的详细模型，解决模型管理维护的困难。在建模过程中，采用可视化建模工具，按照电网、变电站、设备、元件的层次化结构对整个电网系统及设备进行建模，直观、高效；按照物理机理对设备动作和触发逻辑、元件动作逻辑进行建模，极大地提高了模型的精细度。

如图2所示，在该模型数据库中以表格及表格属性的方式定义了模型的结构，包括一次设备表、拓扑关系表、二次设备表、回路表、设备元件表。这些数据表定义了一次设备的抽象模型的表格及其属性，以便建立一次设备之间的拓扑连接关系；定义了一、二次设备的详细模型的表格及其属性，可以实现详细模型与抽象模型之间的关联关系；定义了一、二次设备的详细模型的元件表，便于建立设备与元件之间的连接关系。上述电网一、二次设备的详细模型与抽象模型以二进制方式存储，可以通过数据库界面打开并进行修改。

图3为本发明所提供的电网一、二次设备统一建模方法的整体流程图。在该统一建模方法中，首先采用平面绘图技术建立一次设备模型。这个建模过程包括如下步骤：⑴将一次设备抽象成一次设备图元，一次设备图元包括多个状态和一个或两个连接点。⑵在图形界面上放置一次设备图元，并按照调度编号对一次设备图元命名。⑶定义一次设备图元中连接点的名称，物理上相连的设备之间有且仅有一个名称相同的连接点，具体参见图4。⑷重复上述的步骤⑵和⑶，建立整个一次设备模型。如图5所示，采用图模一体化的电网建模工具建立的一次设备模型，以统一模型数据库为基础，可以包含一次设备之间的拓扑连接关系、一次设备的状态、发电机组初始参数等信息。

其次，建立一次设备与测量系统二次设备、控制系统二次设备之间的关联关系。如图6所示，一次设备图元定义了测量装置、操作箱、操作机构三个测控设备的关联属性，从模型数据库中选择录入该属性的数据，测量装置、操作箱、操作机构的名称关键字中包含一次设备的名称，通过名称可以实现一次设备与测控系统设备的互相检索。

再次，建立一次设备与保护设备的关联关系。如图7所示，在一次设备图元中定义了n个保护设备（n为自然数）的关联属性，可以从模型数据库中选择n套保护设备。在保护设备的名称关键字中包含一次设备的名称和套号，通过设备名称实现一次设备与保护设备的互相检索。

接下来，建立二次设备之间的电气关联关系。如图8所示，这个建模过程包括如下步骤：⑴将二次设备抽象为包含两个电源输入点的图元。⑵以变电站为单位，在图形界面上绘制代表直流电源的直流母线和n个二次设备图元（n为自然数）。⑶从直流母线上绘制连接线，与二次设备图元的电源输入点相连。⑷重复步骤⑵和⑶，建立整个变电站二次设备之间的电气连接关系模型。通过上述的步骤，可以根据统一模型数据库中一次抽象模型的内容和变电站二次设备的配置，搭建变电站设备模型，并进一步根据已经建立的一次设备、二次设备模型，绘制变电站交流回路图、直流回路图（参见图9）、PT（电压互感器）回路图，建立完整的变电站仿真模型。

在下一步骤中，建立二次设备的功能模型。如图10所示，这个建模过程包括如下步骤：以二次设备为单元，按照启动条件、闭锁条件、启动输出、定值、动作输出五个方面描述二次设备的功能模型。这里的启动条件是一个故障类型的集合，从故障类型列表中选择一个或多个故障类型构成启动条件。闭锁条件是二次设备中元件状态的集合，二次设备中的元件不满足某种“正常”状态，则二次设备不能够正常工作。从元件列表中选择元件及状态，建立闭锁条件。启动输出是一个信号、光字牌集合，描述了二次设备启动时的输出结果，包括发出的信号，点亮的光字牌。从信号、光字列表选择二次设备启动时发生状态改变的元件构成启动输出的内容。定值包括时间定值和启动判据定值（电流、电压），当故障持续超过定值的限制后二次设备才能动作。定值必须通过文本框手动输入。动作输出是一个信号、光字牌集合，描述了二次设备动作时的输出结果，包括发出的信号，点亮的光字牌。从信号、光字列表选择二次设备动作时发生状态改变的元件。

最后，定义二次设备中元件的属性。具体操作如下：以二次设备为单元，列出二次设备中的全部元件，逐个定义元件的状态数、每个状态取值、每个状态物理意义。

通过上述的操作，为二次设备模型中各个元件生成动作逻辑和触发逻辑的模型数据。图11是元件的动作逻辑模型示意图，描述了某种线路保护设备在直流电源空开、交流电源空开闭合的情况下，过流I段的启动条件、出口闭锁条件、动作后点亮的光字牌。该模型数据以XML格式进行保存，用于描述元件动作和触发的内部机理。二次设备与元件之间的动作逻辑模型通过变电站、二次设备、元件的逻辑关系实现自动关联。

本发明所提供的统一建模方法首先建立了支持电网仿真、变电站仿真、调控一体仿真的统一模型数据库，按照电网、变电站、设备、元件的层次化结构建立电网、变电站、设备及元件动作逻辑的统一建模，按照内部机理描述了电力系统设备之间的关系及其内在逻辑。按照这种统一建模方法进行建模，工作效率更高，模型更加精确，可以按照设备机理详细模拟电力设备的功能和行为，实现基于机理的调控一体化仿真。

以上对本发明所提出的电网一、二次设备统一建模方法进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种面向调控一体仿真的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于包括如下步骤：

⑴建立一次设备的仿真模型；

⑵建立一次设备与测量系统二次设备、控制系统二次设备之间的关联关系；

⑶建立一次设备与保护设备的关联关系；

⑷建立二次设备之间的电气关联关系；

⑸建立二次设备的功能模型；

⑹定义二次设备中各个元件的属性。

2.如权利要求1所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在建立仿真模型之前，首先为电网、变电站及一、二次设备模型建立统一模型数据库，按照电网层、变电站层和设备层分别进行建模。

3.如权利要求2所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在设备层的建模中，设备按照启动条件、闭锁条件、启动输出、定值、动作输出五个方面进行建模；设备中各个元件按照动作逻辑、触发逻辑进行建模；设备及各个元件的动作逻辑和触发策略抽象成一个逻辑表达式。

4.如权利要求1所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在所述步骤⑵中，通过一次设备图元的测量装置、操作箱、操作机构关联菜单，从模型数据库中选择录入的装置，录入的装置通过名称与一次设备图元进行关联。

5.如权利要求1所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在所述步骤⑶中，通过一次设备图元的保护装置关联菜单，从模型数据库中选择录入的保护设备，录入的保护设备的属性中包含一次设备的名称和保护套号，以便进行一次设备与保护设备的互相检索。

6.如权利要求1所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在所述步骤⑴中，进一步包括如下子步骤：

1）将一次设备抽象成一次设备图元，所述一次设备图元包括多个状态和一个或两个连接点；

2）在图形界面上放置一次设备图元，并按照调度编号对所述一次设备图元命名；

3）定义所述一次设备图元连接点的名称，物理上相连的设备之间有且仅有一个名称相同的连接点；

4）重复上述的步骤2）和步骤3），建立一次设备的仿真模型。

7.如权利要求1所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在所述步骤⑷中，进一步包括如下子步骤：

1）将二次设备抽象为包含两个电源输入点的二次设备图元；

2）以变电站为单位，在图形界面上绘制代表直流电源的直流母线和多个二次设备图元；

3）从直流母线上绘制连接线，与二次设备图元的电源输入点相连；

4）重复步骤2）和步骤3），建立二次设备之间的电气关联关系模型。

8.如权利要求1所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在所述步骤⑸中，以二次设备为单元，按照启动条件、闭锁条件、启动输出、定值、动作输出五个方面描述二次设备的功能模型。

9.如权利要求1所述的电网一、二次设备统一建模方法，其特征在于：

在所述步骤⑹中，以二次设备为单元，列出二次设备中的全部元件，逐个定义元件的状态数、每个状态取值、每个状态物理意义，为各个元件生成动作逻辑和触发逻辑的模型数据。

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