CN103440800A - 高压变电站模拟培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压变电站模拟培训系统，包括：220kV电网模拟系统；保护室，其中设置有故障设置系统，以进行220kV电网模拟系统的故障设置；二次设备接口，其连通保护室与真实二次设备，根据保护室内的故障设置，控制真实二次设备的状态变化，在真实二次设备上造成故障；故障处理终端，其由受训者操纵，接收受训者的处理信息，将处理信息传递给保护室，进行处理信息与故障设置的比对，若比对一致，则撤销该故障设置，控制真实二次设备的状态再次变化，解除故障，若比对不一致，则保留该故障设置；受训者识别模块；和评分系统。本发明能够实现更为真实的高压变电站模拟，而带来更好的培训效果。

Description

高压变电站模拟培训系统

技术领域

本发明涉及一种模拟系统，具体涉及在培训教学中使用的高压变电站模拟培训系统。

背景技术

安全生产是电网运行的首要任务。为保证电网安全、可靠、经济地运行，必须提高电网调度员、变电站运行人员的技术素质和技能水平，加强变电站运行人员和电网调度员的培训。变电站是联系发电厂和电力用户的中间环节，是电力网的连接枢纽。变电站内各种电气设备都为运行设备，其操作都有严格规定。变电站值班人员的培训大多都是通过计算机软件仿真实现。变电站软件仿真系统虽然在一定程度上模拟了现场设备，但与变电站现场还有较大的差距。为提高培训效果，模拟真实的生产环境，需要建设高压，如220kV变电运行实训场，其一次设备、二次设备及后台机均采用真实设备，各环节与变电站相同，使培训环境与真实环境基本一致，并且要在一次部分加载电压，后台及保护等设备反映的要反应通电后可能出现的故障系统状态。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种高压变电站模拟培训系统。变电站一次模拟系统的主要任务是产生变电站正常运行及故障信号，并提供与二次设备的接口，它是变电站培训仿真系统的一个重要组成部分，也是变电站保护仿真的实现基础。

本发明的一个目的在于提供一种更加真实有效的变电站运行模拟系统；

本发明的另一个目的在于提供一种真实的故障环境；

本发明的又一个目的在于在提供更加良好的人员培训效果。

为此，本发明提供了一种高压变电站模拟培训系统，包括：

220kV电网模拟系统，其为采用交流380V电压在变电站上模拟220kV系统电压，由此形成的模拟系统分为：电容型设备介质损耗及电容量模拟单元、系统电压及其谐波分量模拟单元、避雷器全电流及阻性电流模拟单元、表面泄漏电流及环境温湿度模拟单元、变压器铁芯电流模拟单元、和断路器状态模拟单元，将各单元装配在不锈钢密封配电箱内，并分散在户外相应的真实设备附近，利用相应真实设备的端子箱，将模拟量和开关量送到保护室；

保护室，其中设置有故障设置系统，以进行220kV电网模拟系统的故障设置；

二次设备接口，其连通保护室与真实二次设备，根据保护室内的故障设置，控制真实二次设备的状态变化，在真实二次设备上造成故障；

故障处理终端，其由受训者操纵，接收受训者的处理信息，将处理信息传递给保护室，进行处理信息与故障设置的比对，若比对一致，则撤销该故障设置，控制真实二次设备的状态再次变化，解除故障，若比对不一致，则保留该故障设置；

受训者识别模块，其设置在故障处理终端上，以登录账号的方式进行身份识别；

评分系统，其根据故障处理状况对故障处理终端上识别的特定身份进行评分，以检验培训质量；

其中，二次设备包括线路保护测控柜、主变压器保护测控柜、汇控柜、频率电压紧急控制装置、电能质量监测柜、电力调度数据网接入设备柜、升压站微机监控系统、电压无功控制装置、通信接口柜、网络通讯设备、卫星对时装置、视频监视及门禁系统、光端机、综合配线柜、程控调度交换机、和数据通信网设备；且

控制真实二次设备的状态变化是通过以下方式实现的：在接线时，将模拟系统的交流二次模拟量送到线路保护测控柜和主变压器保护测控柜，将模拟断路器的合闸、跳闸机构接到真实二次设备的汇控柜合闸和跳闸接口，以形成闭环控制系统，当手动或保护动作合闸、跳闸时，真实系统和模拟系统同步动作。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，故障设置系统以手动的方式操作，或通过后台机软件设置，或两种方式切换进行。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，二次设备的供电电源有两路，第一路从保护室引出，第二路从不锈钢密封配电箱引出，两路电源互为备用。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，交流380V电源与二次设备的供电电源为彼此互相独立的电源。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，所述故障设置系统模拟瞬时或永久性的单相接地、两相接地、两相短路、三相短路故障和永久性的单相断线。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，断路器状态模拟单元包括由无触点的TMOS功率场效应管作为大功率开关，用在模拟断路器的跳、合闸回路的模拟断路器。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，其特征在于，控制中心与变电站间隔的配电柜之间采用485总线方式连接。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，用真实的隔离开关的辅助节点控制模拟隔离开关的动作，使得模拟隔离开关的操作也能受真实系统的闭锁控制。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，故障设置系统采用双重配置：手动操作设置各种故障；和计算机控制设置各种故障，两种方式可以切换。

利用本发明的培训系统，在培训过程中，在故障处理终端上设置变电站一次和二次设备故障，使相应的保护动作后，可对运行人员进行反事故演习，让运行人员积累事故处理经验。事故分析及处理的培训。可进行断路器、刀闸、变压器、母线、线路、发电机组、电容器等各种设备及其相关的故障处理培训，培训变电站运行人员发现事故、异常，依据仿真的电网环境判断故障和处理故障；并在训练结束后对事故进行分析，重放事故发生和处理的全过程。通过仿真训练可以使运行人员了解各种事故发生的现象、原因及变化过程，总结积累处理经验，增强他们事故处理时的自信心。

附图说明

图1为本发明的变电站主接线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

请见图1，其为本发明的变电站主接线的示意图。对本发明进行详细描述。

220kV变电站一次模拟系统从功能上划分由两大部分组成：220kV电网模拟系统和故障设置系统。

根据用户的实际情况，220kV电网模拟系统采用物理模型和实际设备相结合的方式：将能利用的真实设备都用起来，与物理模型部分结合成一体。物理模型按照功能分组装配在多个不锈钢密封配电箱内，分散放在户外真实设备附近，利用户外一次设备的端子箱，将模拟量、开关量送到保护室。

故障设置系统放在保护室内，故障设置方式既可以手动(装设按钮)操作，又可以通过后台机软件设置，两种方式可以切换进行。

一次系统实际电压：采用交流380V(线电压)模拟220kV系统电压。系统电源有两路，第一路从保护室引出，第二路从实训场动力箱引出，两路电源可以互为备用。系统电源经切换控制从主变I进线接入一次系统。(如图1)

交流控制电源：系统中用到的交流控制电源，与主系统电源分开，以免相互影响。

直流控制电源：系统中用到的直流控制电源，取自各间隔的控制电源。直流电源分为两组，电源1作为主电源，控制断路器的合闸和主跳闸，电源2作为副电源，控制断路器的副跳闸回路。信号回路采用切换控制后的直流电源。

主变I进线间隔：因为系统电源要从这里引入，故应放一台模拟变压器与系统隔离，系统变比为500kV/220kV/35kV，模拟变比为：380V/380V/380V，接线方式为：YN/Yn/d。根据实际需要做成两卷变或三卷变，为今后的培训做储备。

按照实际系统配置，主变间隔有6组电流互感器(但不能用于培训系统电流的变换，因变比太大)。这6组电流互感器都要用模拟互感器代替，利用实际主变1的CT端子箱和二次电缆将模拟量送到保护室。

电压互感器TV间隔：按照实际系统配置，I号母线、II号母线各有一台电压互感器。用两组模拟电压互感器

代替，利用原设备的端子箱和二次电缆将模拟量送到保护室。TV一次利用原设备的开关投、切，二次断线在端子箱设置。在这个间隔，可以进行TV二次断线设置。

出线1间隔：线路1模型：线路1做成双端电源供电的线路模型，线路对侧电源应有一台模拟变压器，变比为380V/380V，线路对侧断路器、隔离开关用由模拟元件代替。线路模型的首端、末端设两个故障点，各故障点可以模拟瞬时或永久性的单相接地、两相接地、两相短路、三相短路故障和永久性的单相断线。但如果线路是单电源辐射线路，则不能真实反映RCS-931的光差保护、RCS-902高频保护装置的动作情况。本侧用真实断路器、隔离开关带线路的物理模型，

若要真实反映RCS-931的光差保护、RCS-902高频保护的动作情况，保护室内应增设线路对侧的保护(与本侧相同：RCS-931、RCS-902)。线路两端加装模拟阻波器、耦合电容器、结合滤波器等。

断路器(真实的和模拟的)可以设置跳闸失灵，压力异常禁止操作等状态。

按照实际系统配置，线路1间隔有6组电流互感器，对侧也应有6组电流互感器(但不能用于培训系统电流的变换，因变比太大)。这12组电流互感器要用模拟的互感器代替。

线路1模型装两个配电箱，本侧元件装一个箱，放在户外出线1间隔处。对侧元件装一个箱，放在户外另外的地方。线路本侧利用原来设备的端子箱和二次电缆，对侧用新加的端子箱、新敷设的二次电缆将模拟量送到保护室(本次只建了线路本侧)。

母联兼旁路间隔：按照实际系统配置，有6组电流互感器(但不能用于培训系统电流的变换，因变比太大)。这6组电流互感器要用模拟的互感器，利用原来间隔的端子箱将模拟量送到保护室。

在这个间隔的断路器与电流互感器之间设置保护死区故障点，设置各种类型的短路。

主变II进线间隔：主变II间隔按照主变1间隔配置，加模拟电流互感器、断路器隔离开关等。

出线2间隔：出线2间隔按照出线1间隔配置，加模拟电流互感器、断路器隔离开关等(这次也只建了本侧。)

模拟断路器：本次模拟系统设计中，采用的模拟断路器为分相操作，设双跳闸线圈，对应系统的双直流电源。合闸与主分闸回路接第一组操作电源，副分闸回路接第二组操作电源。

该断路器的创新点主要在于由无触点的TMOS功率场效应管作为大功率开关，用在模拟断路器的跳、合闸回路。

我们知道，真实的断路器的跳合闸回路的操作电流是由断路器的辅助触点断开的，要求辅助触点要有足够的切断容量。而我们在模拟断路器中用了TMOS管，只要用模拟断路器的辅助触点控制管子的门极，即可达到导通、切断跳合闸回路操作电流的目的。TMOS管速度快，功率大，体积小，很好的解决了直流断弧的难题。

此外，该模拟断路器设计了模拟弹簧操动机构工作的模块。可以模拟合闸弹簧储能--动作--释放能量--再储能的工作过程。模拟断路器本体设计了防跳功能，三相不一致保护功能等。

断路器的辅助触点以无源空节点形式送出。用在物理仿真电力系统中，用常开触点起动交流接触器，控制交流主回路。

真实系统与模拟系统的互动：本次模拟系统的研究，一个创新点在于将真实系统与模拟系统联动。

如上所述，真实系统是按照实际变电站的规格建的，其每个间隔的断路器、隔离开关是可以操作的，但一次主系统是不带电的。

我们在接线时，将模拟系统的交流二次模拟量送到保护、测控装置，将模拟断路器的合闸、跳闸机构接到真实系统间隔的汇控柜合闸、跳闸接口。这样就形成了一个闭环控制系统。当手动或保护动作合闸、跳闸时，真实系统和模拟系统就能同步动作。另外，用真实的隔离开关的辅助节点控制模拟隔离开关的动作，使得模拟隔离开关的操作也能受真实系统的闭锁控制。

故障设置系统方案：根据主系统所设置的故障点、故障类型进行故障系统设计。故障设置系统采用双重配置：1.手动操作设置各种故障；2.计算机(工控机)控制设置各种故障。两种方式可以切换。

故障设置系统作两个实验台，一个用于手动操作，一个用于计算机控制。两个实验台控制中心在运行部。

控制中心与变电站间隔的配电柜之间采用485总线方式连接。

工控机配置USB转485转换器，通过485总线与每个配电柜进行通讯。除PT柜之外每个配电柜有两个遥控板和一个遥信板，PT柜配置一个遥信板和遥控板，遥控板的作用是模拟手动操作，通过计算机软件控制，达到每一个操作的自动进行。遥信板的作用是把相应的的动作接点采集上来，并以SOE的方式发给计算机，这样受培训人员可以清晰的知道每个元器件动作的情况。

下位机控制部分：下位机控制部分的主控单片机采用ATMEL公司生产的高性能、微功耗8位AVR系列微控制器ATMEGA16。

主要性能：

·先进的RISC结构

-131条指令-大多数指令执行时间为单个时钟周期

-32个8位通用工作寄存器

-全静态工作

-工作于16MHz时性能高达16MIPS

-只需两个时钟周期的硬件乘法器

·非易失性程序和数据存储器

-16K字节的系统内可编程Flash

擦写寿命：10,000次

-具有独立锁定位的可选Boot代码区

通过片上Boot程序实现系统内编程

真正的同时读写操作

-512字节的EEPROM

擦写寿命：100,000次

-1K字节的片内SRAM

-可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

·JTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容)

-符合JTAG标准的边界扫描功能

-支持扩展的片内调试功能

-通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程

·外设特点

-两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器

-一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器

-具有独立振荡器的实时计数器RTC

-四通道PWM

-8路10位ADC

8个单端通道

TQFP封装的7个差分通道

2个具有可编程增益(1x，10x，或200x)的差分通道

-面向字节的两线接口

-两个可编程的串行USART

-可工作于主机/从机模式的SPI串行接口

-具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器

-片内模拟比较器

·特殊的处理器特点

-上电复位以及可编程的掉电检测

-片内经过标定的RC振荡器

-片内/片外中断源

-6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及

扩展的Standby模式

·I/O和封装

-32个可编程的I/O口

-40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装

·工作电压：

-ATmega16L：2.7-5.5V

-ATmega16：4.5-5.5V

·速度等级

-0-8MHz ATmega16L

-0-16MHz ATmega16

·ATmega16L在1MHz，3V，25℃时的功耗

-正常模式：1.1mA

-空闲模式：0.35mA

-掉电模式：＜1μA

在硬件上完全满足现有系统的要求，我们采用40引脚PDIP封装的芯片来完成我们的下位机控制部分。

硬件设计方面充分考虑到电磁兼容的影响，主CPU电源和遥信遥控电源隔离，并加光耦。布线设计充分考虑强电和弱电的间距。保证之间不会相互干扰。通讯回路采用MAXIM公司生产的MAX485芯片，实现总线通讯。与上位机的通讯机制采用标准的工业自动化规约MODBUS，实现遥控遥信的操作。

上位机控制

上位机软件使用VB语言编写。主要功能是根据现场的一次系统图及各个配电柜的原理图生动、清晰的完成每一个操作。达到不仅使受培训者能直观了解真正二次设备的动作原理，而且也明白整个模拟系统的模拟原理。所有的操作都有动画或者图形显示。方便而且直观。

每个下位机都有自己的单元地址(地址直接写入单片机)，上位机采用轮询问答的方式，依次对每个地址的微控制器进行通讯。通讯方式采用MODBUS规约。

220kV变电站一次模拟系统，构建了一个实际综合自动化变电站的工作环境，功能齐全，实现了对电压、电流、功率等信号的模拟，同时实现了变电站单相接地、两相短路、三相短路、两相短路接地、单相断相、两相断相故障及复杂故障的模拟，可进行变电站综合自动化系统和微机保护装置的安装调试及运行维护方面的培训。220kV变电站一次模拟系统能够极大地改善电网培训设施，同时在网公司生产技能人员培训和在校学生职业能力的培养发挥重要作用。

换言之，本发明提供了一种高压变电站模拟培训系统，包括：

220kV电网模拟系统，其为采用交流380V电压在变电站上模拟220kV系统电压，由此形成的模拟系统分为：电容型设备介质损耗及电容量模拟单元、系统电压及其谐波分量模拟单元、避雷器全电流及阻性电流模拟单元、表面泄漏电流及环境温湿度模拟单元、变压器铁芯电流模拟单元、和断路器状态模拟单元，将各单元装配在不锈钢密封配电箱内，并分散在户外相应的真实设备附近，利用相应真实设备的端子箱，将模拟量和开关量送到保护室；

保护室，其中设置有故障设置系统，以进行220kV电网模拟系统的故障设置；

二次设备接口，其连通保护室与真实二次设备，根据保护室内的故障设置，控制真实二次设备的状态变化，在真实二次设备上造成故障；

故障处理终端，其由受训者操纵，接收受训者的处理信息，将处理信息传递给保护室，进行处理信息与故障设置的比对，若比对一致，则撤销该故障设置，控制真实二次设备的状态再次变化，解除故障，若比对不一致，则保留该故障设置；

受训者识别模块，其设置在故障处理终端上，以登录账号的方式进行身份识别；

评分系统，其根据故障处理状况对故障处理终端上识别的特定身份进行评分，以检验培训质量；

其中，二次设备包括线路保护测控柜、主变压器保护测控柜、汇控柜、频率电压紧急控制装置、电能质量监测柜、电力调度数据网接入设备柜、升压站微机监控系统、电压无功控制装置、通信接口柜、网络通讯设备、卫星对时装置、视频监视及门禁系统、光端机、综合配线柜、程控调度交换机、和数据通信网设备；且

控制真实二次设备的状态变化是通过以下方式实现的：在接线时，将模拟系统的交流二次模拟量送到线路保护测控柜和主变压器保护测控柜，将模拟断路器的合闸、跳闸机构接到真实二次设备的汇控柜合闸和跳闸接口，以形成闭环控制系统，当手动或保护动作合闸、跳闸时，真实系统和模拟系统同步动作。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，故障设置系统以手动的方式操作，或通过后台机软件设置，或两种方式切换进行。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，二次设备的供电电源有两路，第一路从保护室引出，第二路从不锈钢密封配电箱引出，两路电源互为备用。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，交流380V电源与二次设备的供电电源为彼此互相独立的电源。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，所述故障设置系统模拟瞬时或永久性的单相接地、两相接地、两相短路、三相短路故障和永久性的单相断线。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，断路器状态模拟单元包括由无触点的TMOS功率场效应管作为大功率开关，用在模拟断路器的跳、合闸回路的模拟断路器。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，其特征在于，控制中心与变电站间隔的配电柜之间采用485总线方式连接。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，用真实的隔离开关的辅助节点控制模拟隔离开关的动作，使得模拟隔离开关的操作也能受真实系统的闭锁控制。

优选的是，所述的高压变电站模拟培训系统中，故障设置系统采用双重配置：手动操作设置各种故障；和计算机控制设置各种故障，两种方式可以切换。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种高压变电站模拟培训系统，其特征在于，包括：

220kV电网模拟系统，其为采用交流380V电压在变电站上模拟220kV系统电压，由此形成的模拟系统分为：电容型设备介质损耗及电容量模拟单元、系统电压及其谐波分量模拟单元、避雷器全电流及阻性电流模拟单元、表面泄漏电流及环境温湿度模拟单元、变压器铁芯电流模拟单元、和断路器状态模拟单元，将各单元装配在不锈钢密封配电箱内，并分散在户外相应的真实设备附近，利用相应真实设备的端子箱，将模拟量和开关量送到保护室；

保护室，其中设置有故障设置系统，以进行220kV电网模拟系统的故障设置；

二次设备接口，其连通保护室与真实二次设备，根据保护室内的故障设置，控制真实二次设备的状态变化，在真实二次设备上造成故障；

故障处理终端，其由受训者操纵，接收受训者的处理信息，将处理信息传递给保护室，进行处理信息与故障设置的比对，若比对一致，则撤销该故障设置，控制真实二次设备的状态再次变化，解除故障，若比对不一致，则保留该故障设置；

受训者识别模块，其设置在故障处理终端上，以登录账号的方式进行身份识别；

评分系统，其根据故障处理状况对故障处理终端上识别的特定身份进行评分，以检验培训质量；

其中，二次设备包括线路保护测控柜、主变压器保护测控柜、汇控柜、频率电压紧急控制装置、电能质量监测柜、电力调度数据网接入设备柜、升压站微机监控系统、电压无功控制装置、通信接口柜、网络通讯设备、卫星对时装置、视频监视及门禁系统、光端机、综合配线柜、程控调度交换机、和数据通信网设备；且

控制真实二次设备的状态变化是通过以下方式实现的：在接线时，将模拟系统的交流二次模拟量送到线路保护测控柜和主变压器保护测控柜，将模拟断路器的合闸、跳闸机构接到真实二次设备的汇控柜合闸和跳闸接口，以形成闭环控制系统，当手动或保护动作合闸、跳闸时，真实系统和模拟系统同步动作。

2.如权利要求1所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，故障设置系统以手动的方式操作，或通过后台机软件设置，或两种方式切换进行。

3.如权利要求2所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，二次设备的供电电源有两路，第一路从保护室引出，第二路从不锈钢密封配电箱引出，两路电源互为备用。

4.如权利要求3所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，交流380V电源与二次设备的供电电源为彼此互相独立的电源。

5.如权利要求4所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，所述故障设置系统模拟瞬时或永久性的单相接地、两相接地、两相短路、三相短路故障和永久性的单相断线。

6.如权利要求5所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，断路器状态模拟单元包括由无触点的TMOS功率场效应管作为大功率开关，用在模拟断路器的跳、合闸回路的模拟断路器。

7.如权利要求6所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，控制中心与变电站间隔的配电柜之间采用485总线方式连接。

8.如权利要求7所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，用真实的隔离开关的辅助节点控制模拟隔离开关的动作，使得模拟隔离开关的操作也能受真实系统的闭锁控制。

9.如权利要求8所述的高压变电站模拟培训系统，其特征在于，故障设置系统采用双重配置：手动操作设置各种故障；和计算机控制设置各种故障，两种方式可以切换。