CN105006191A - 一种基于pmu装置和wams主站的培训仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真方法，包括以下步骤：(1)建立PMU装置的数据模型；(2)PMU装置测量变电站与电厂的运行参数，将根据运行参数获得的数据打上时标；(3)PMU装置通过数据集中器与WAMS主站建立通信管道，通过通信管道将带有时标的数据传输至WAMS主站；(4)时钟推进一个周期，返回步骤(2)。本发明还公开了一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真系统。本发明可以有效提高电力系统进行专业技能培训的效率，缩短培训周期，提高培训质量，保证电网安全稳定、经济高效运行。

Description

一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统培训仿真方法，尤其涉及一种基于相量测量单元(Phase Measurement Unit，简写为PMU)和电网广域测量系统(Wide Area Measurement System，简写为WAMS)主站的培训仿真方法，同时还涉及一种基于PMU装置和WAMS主站的电力培训仿真系统，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

随着智能电网调度技术的推广应用，电力公司需要大量的专业人才，由于智能电网调度的严谨性且现场环境培训存在危险性，需要对相关人员进行岗前仿真实训，使其避免自身受到伤害，并且能够快速地进入工作状态。这就给电力培训仿真系统带来了发展的机遇。

目前，电力培训仿真系统普遍基于数据采集和监控系统以及能量管理系统(SCADA/EMS)实现。公布号为CN 103400516A的中国发明专利申请公开了一种调度自动化培训仿真系统，该系统包括前置服务器、SCADA/PAS服务器、历史数据服务器和模拟工作站，前置服务器用于实现获取数据、信息交换、规约解释等功能，并执行控制指令；SCADA/PAS服务器用于实现数据处理、计算统计、控制调节、事件告警等功能；历史数据服务器用于实现数据存储功能；模拟工作站用于实现变电站遥测遥信数据的模拟、保护装置信号的模拟、遥控操作的模拟等功能。该系统能够为自动化和调控运行专业人员的培训提供一个与真实电网相似的环境，通过模拟数据模拟各种电网操作和电网事故，通过故障设置来模拟调度自动化系统的各类故障，从而给培训学员提供一个故障处理的实战平台，提高培训效率。

公布号为CN103177642A的中国发明专利申请公开了一种提高电网调度员培训仿真系统真实性的方法，包括如下步骤：1)教员机仿真实际系统中的厂站端，由EMS系统通过防火墙发送至DTS服务器的数据作为采集数据；2)学员机仿真实际系统WAMS主站端，对WAMS主站端SCADA系统功能和界面进行复制，形成SCADA副本；3)教员在DTS服务器上生成培训态，可调整出力、修改断面、设置故障等，形成相应的培训教案，并发送至SCADA副本；4)学员在SCADA副本环境下对仿真电网进行操作完成培训。该SCADA系统有任何功能改变或升级改造，只需对DTS系统进行数据库刷新，就能实现与SCADA系统的新功能完全一致，减少了系统的再开发过程。

但是，由于SCADA系统侧重于监测系统的稳态运行情况，对系统的动态行为无法进行有效的监测。另外，SCADA提供的信息在全局同步性方面的性能较差，不能很好地体现地域分布广阔的电力系统的真实运行情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真方法。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真系统。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真方法，包括以下步骤：

(1)建立PMU装置的数据模型；

(2)所述PMU装置测量变电站与电厂的运行参数，将根据所述运行参数获得的数据打上时标；

(3)所述PMU装置通过数据集中器与所述WAMS主站建立通信管道，通过所述通信管道将带有时标的数据传输至所述WAMS主站；

(4)时钟推进一个周期，返回步骤(2)。

其中较优地，所述步骤(1)中，在初始化时，把厂站与PMU装置的配置信息分别存储在仿真子站与PMU数组中，并生成仿真子站的配置帧与头帧。

其中较优地，所述步骤(1)中，当系统运行过程中，所述PMU装置按照设定的周期从仿真支撑平台读取监测数据，并按照所述监测数据的类型存放至对应的PMU数组中。

其中较优地，所述步骤(2)中，所述PMU装置与所述WAMS主站之间建立通信的过程包括：

(21)如果是首次连接，对通信系统初始化；

(22)建立管理管道连接；

(23)所述WAMS主站向子站发送上传配置文件的命令，所述子站收到所述命令后，向所述WAMS主站上传配置文件；

(24)所述WAMS主站发送下传配置文件的命令，所述子站确认所述命令后，接受所述配置文件；

(25)所述WAMS主站启动数据传输；

(26)所述子站与所述WAMS主站建立数据管道连接；

(27)所述子站按周期向所述WAMS主站传输数据。

其中较优地，所述步骤(22)中，进一步包括以下步骤：

(221)所述子站侦听管理管道的服务端口，等待所述WAMS主站建立连接的申请；

(222)所述WAMS主站向所述子站提出建立管理管道的申请；

(223)所述子站接受申请，判断所述WAMS主站的IP地址是否合法，如果合法则与所述WAMS主站之间建立管理管道，否则关闭连接。

其中较优地，所述步骤(26)中，进一步包括以下步骤：

(261)所述子站侦听数据管道的服务端口，等待所述WAMS主站发起建立连接的申请；

(262)所述WAMS主站向所述子站提出建立数据管道的申请；

(263)所述子站接受申请，判断所述WAMS主站的IP地址是否合法，如果合法则与所述WAMS主站之间建立数据管道，否则关闭连接。

其中较优地，所述仿真子站与WAMS主站之间采用TCP通信协议进行实时通信。

一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真系统，用于实现上述的培训仿真方法，包括：WAMS主站、仿真子站、PMU装置和仿真计算支撑平台；其中

所述WAMS主站与所述仿真子站相连接，所述仿真子站包括同一厂站内的一个或多个PMU装置、数据集中器，所述数据集中器与所述PMU装置相连接，所述PMU装置与所述仿真计算支撑平台相连接；

所述PMU装置测量变电站与电厂的运行参数，将根据所述运行参数获得的数据打上时标；所述PMU装置通过数据集中器与所述WAMS主站建立通信管道，通过所述通信管道将带有时标的数据传输至所述WAMS主站。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

(1)解决了现有平台无法监测电网系统动态行为的不足；

(2)无需学员去现场操作，减少人身伤害事故，保证智能电网安全稳定、经济高效运行；

(3)能够保证学习环境，提高学习效率，缩短培训周期，提高培训质量。

附图说明

图1是本发明所提供的一种基于PMU装置与WAMS主站的培训仿真方法流程图；

图2是本发明中，报文传输格式的示意图；

图3是本发明中，PMU装置与WAMS主站接口的通信流程图；

图4是本发明所提供的基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)建立PMU装置的数据模型；

(2)PMU装置测量变电站与电厂的运行参数，将根据运行参数获得的数据打上时标；

(3)PMU装置通过数据集中器与WAMS主站建立通信管道，通过通信管道将带有时标的数据传输至WAMS主站；

(4)时钟推进一个周期，返回步骤(2)。

下面对上述各步骤作进一步的详细描述。

步骤1：建立PMU装置数学模型。

PMU装置监测线路电压、电流等相量，有功、无功或发电机的内电势、功角等模拟量，频率和频率变化率以及重要的开关状态量等。PMU装置安装在子站内，对变电站和电厂运行参数进行测量，由运行参数得到实时数据，并根据GPS卫星授时将数据打上时标，再将数据送到位于厂站集控室的上位机和数据集中器。上位机实现厂站级别的集中监控，数据集中器收集各PMU装置发送过来的数据，并按照IEEEC37.118规约组织成实时数据帧，经通信网络将数据送往位于调度中心的WAMS主站。

根据所采集的电气量的不同，PMU装置的采集对象可分为三类：相量、模拟量和开关量。由于PMU装置需要将所采集的监测数据上传到厂站，由厂站进行集中监控和通信，因此本发明把安装在同一厂站的PMU装置和数据集中器的集合定义为子站，基于数字仿真技术对子站的模拟定义为仿真子站。

根据PMU装置的功能，可以先建立采集量对应的相量、模拟量和开关量的通道模型，然后根据PMU装置包含的通道模型，可以建立PMU装置的模型，而根据子站包含的PMU装置，可以建立仿真子站的数学模型。

(1)相量通道(Phasor_Channel)数学模型，如表1所示：

序号	定义	类型	描述
				1	Name	char[24]	通道名称
2	Amp_Value	float	相量通道幅值
				3	Angle_Value	float	相量通道相角
4	type	int	相量通道类型，电压或电流
				5	Conver_factor	float	转换因子
6	multiplier	float	乘数

表1 相量通道的数学模型

(2)模拟量通道(Analog_Channel)数学模型，如表2所示：

序号	定义	类型	描述
				1	Name	char[24]	通道名称
2	Analog_Value	float	模拟通道幅值
				3	type	int	模拟量通道类型，电压或电流
4	Conver_factor	float	转换因子

5

multiplier

float

乘数

表2 模拟量通道的数学模型

(3)开关量通道(Digital_Channel)数学模型，如表3所示：

序号	定义	类型	描述
				1	Name	char[24]	通道名称
2	state	int	开关量状态
				3	flag	int	开关量通道是否有效
4	devtype	int	对应设备类型
				5	devsub	int	对应设备记录号

表3 开关量通道的数学模型

(4)PMU装置数学模型。

一个PMU装置所监测的通道包括多个相量通道、多个模拟量通道、一个频率通道、一个频率变化率通道以及多个开关量通道。因此，PMU的数学模型，如表4所示：

序号	名称	类型	描述
				1	IdCode	char[8]	PMU的标识
2	st	char[24]	PMU所在厂站名称
				2	i_st	int	PMU所在厂站记录号
3	DataSynch	smallint	数据窗时间同步标志
				4	FNOM	smallint	额定频率和标志
5	PHNMR	int	相量通道数量
				6	ANNMR	int	模拟量通道数量
7	DGNMR	int	开关量通道数量
				8	Phasor_Array	Phasor_Channel	相量通道数组
9	Analog_Array	Analog_Channel	模拟量通道数组
				10	Digital_Array	Digital_Channel	开关量通道数组

表4 PMU装置的数学模型

(5)仿真子站(SubStation)的数学模型

一个仿真子站可以包含一个或多个PMU装置，在仿真子站的配置系统中，包含有区别其他对象的独立属性，如子站名称、数据集中器硬件标识、IP地址、端口号等，还包含PMU装置描述类的数组。仿真子站模型如表5所示：

序号	名称	类型	描述
				1	Name	char[24]	厂站名称
2	DC_IdCode	char[8]	数据集中器硬件标识
				3	IpAddress	char[24]	IP地址
4	DataPort	char[24]	数据管道端口号
				5	CMDPort	char[24]	命令管道端口号
6	OffLineDataPort	char[24]	离线管道端口号
				7	NUM_PMU	int	包含的PMU数量
8	PMU_Array	PMU	包含的PMU数组

表5 仿真子站的数学模型

步骤2：PMU装置监测数据输出。

仿真支撑平台为PMU装置提供监测数据。仿真支撑平台采用数字仿真技术模拟电力系统的静态和动态响应过程，PMU装置监测数据可以通过仿真支撑平台计算获得。PMU装置监测数据输出过程步骤如下：

(1)系统初始化时，把厂站的配置信息以及PMU装置的配置信息存储在仿真子站(SubStation)和PMU数组中，并生成仿真子站的配置帧CFG-1和头帧。

配置帧CFG-1为二进制格式文件，是子站配置文件，包括子站的所有输出量：相量数据、模拟量数据和开关量数据。上述数据包括名称和转换系数等内容。

(2)在系统运行过程中，PMU装置根据传送周期，从仿真支撑平台获取计算结果作为PMU装置监测数据的输出，并按照数据类型存放在对应PMU装置的相量通道(Phasor_Channel)、模拟量通道(Analog_Channel)、开关量通道(Digital_Channel)数组中并发给WAMS主站。

PMU装置监测分析的对象包括线路、发电机等。

其中，PMU装置测量线路的三相电压、三相电流、开关量，仿真支撑平台通过计算输出PMU装置对线路设备的测量数据和类型，如表6所示：

序号

名称

类型

1	A相电压同步相量Ua/Фua	相量
			2	B相电压同步相量Ub/Фub	相量
3	C相电压同步相量Uc/Фuc	相量
			4	正序电压同步相量U1/Фu1	相量
5	A相电流同步相量Ia/Фia	相量
			6	B相电流同步相量Ib/Фib	相量
7	C相电流同步相量Ic/Фic	相量
			8	正序电流同步相量I1/Фi1	相量
9	频率	模拟量
			10	频率变化率	模拟量
11	开关量	开关量

表6 PMU装置测量线路输出数据

PMU装置测量发电机机端三相电压、三相电流、开关量、转轴键相信号，仿真支撑平台通过计算输出PMU装置对发电机设备的测量数据和类型，如表7所示：

序号	名称	类型
			1	机端A相电压同步相量Ua/Фua	相量
2	机端B相电压同步相量Ub/Фub	相量
			3	机端C相电压同步相量Uc/Фuc	相量
4	机端正序电压同步相量U1/Фu1	相量
			5	机端A相电流同步相量Ia/Фia	相量
6	机端B相电流同步相量Ib/Фib	相量
			7	机端C相电流同步相量Ic/Фic	相量
8	机端正序电流同步相量I1/Фi1	相量
			9	内电势同步相量ε/Ф(ε)	相量
10	发电机功角δ	模拟量
			12	频率	模拟量
13	频率变化率	模拟量
			14	开关量	开关量

表7 PMU装置测量发电机机数据输出

步骤3：与WAMS主站进行通信

子站与WAMS主站的通信按照IEEE C37.118协议，采用TCP通信协议，使用客户端/服务器端模式建立实时通信管道。

(1)通信数据格式。实时传输的数据参照IEEE C37.118协议相关标准，分为配置帧、数据帧、命令帧、头帧。

1)配置帧：配置帧包括数据传输的类型及通道等信息。配置帧为二进制格式文件，分为配置帧CFG-1和配置帧CFG-2。

配置帧CFG-1为子站全配置文件，由子站生成，包括子站的所有输出量，包括相量数据、模拟量数据、开关量数据的名称和转换系数等。子站根据配置帧CFG-1生成本地连续动态数据记录；根据WAMS主站召唤，从子站传送到WAMS主站。配置帧CFG-1在系统初始化的时候生成。

配置帧CFG-2是通信数据配置文件，为配置帧CFG-1的子集；由WAMS主站生成，说明数据帧的实际配置状况，以及报文传输速率。

2)数据帧：数据帧由子站根据配置帧CFG-2产生DATA报文，实时发送到WAMS主站，包括数据时标、数据质量、相量、模拟量和开关量等内容，即PMU装置的输出数据。

3)命令帧：命令帧规定了WAMS主站/子站的控制命令，包括开始数据传输、关闭数据传输、上传配置帧CFG-1、上传配置帧CFG-2、下传配置帧CFG-2等命令。

4)头帧：头帧规定了PMU装置的数据源、变送器类型、算法、模拟滤波器等说明性信息，为ASCII码文件。头帧在系统初始化的时候生成。

报文传输格式如附图2所示，所有帧都以2个字节的帧同步字SYNC开始，后紧随着2个字节的帧长FRAMESIZE，8个字节的硬件标识DC_IDCODE，4个字节的世纪秒SOC，4个字节的秒等分数MEAS_RATE，这个次序提供了帧类型的辨识和同步的信息。所有帧均以CRCl6的校验字(CHK)结束，其初始值规定为0；所有帧都没有分界符。

(2)与WAMS主站的通信执行流程，如图3所示，PMU装置与WAMS主站接口通信流程：

1)如果是首次连接，对通信系统初始化。

2)建立管理管道连接，包括：

(a)子站侦听管理管道服务端口，等待WAMS主站建立连接的申请：

(b)WAMS主站向子站提出建立管理管道的申请；

(c)子站接受申请，判断IP地址是否合法，如果合法则建立与WAMS主站之间的管理管道，否则关闭连接。

3)WAMS主站发送“上传配置帧CFG-1”命令，子站收到命令后上传上传CFG-1文件。

4)WAMS主站发送“下传配置帧CFG-2”命令，子站确认后，接受CFG-2文件。

5)WAMS主站发送“开启实时数据传输”命令。

6)建立数据管道连接

(a)子站侦听数据管道服务端口，等待WAMS主站建立连接的申请；

(b)WAMS主站向子站提出建立数据管道的申请；

(c)子站接受申请，判断IP地址是否合法，如果合法则建立与WAMS主站之间的数据管道，否则关闭连接。

7)子站按周期向WAMS主站传输数据帧。

步骤4：时钟推进

为了解决WAMS主站子站以及仿真平台之间的同步问题，本发明按照一定周期进行数据传输，使整个培训仿真系统内保持同步，从而可以解决SCADA系统无法有效监测培训仿真系统动态行为的不足，并且，也解决SCADA全局同步性差的不足。

在本发明中，PMU装置与子站的数据传输周期可以设置成步长为10ms、20ms或40ms，PMU装置根据传送周期从仿真支撑平台中获取计算结果，刷新各类型通道数组数据，并传输到WAMS主站系统中，同时仿真时钟推进相应的一个步长。

本发明还提供了一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真系统，如图4所示，包括：WAMS主站、仿真子站、PMU装置和仿真计算支撑平台；其中WAMS主站与仿真子站相连接，仿真子站与PMU装置相连接，PMU装置与仿真计算支撑平台相连接。在本培训仿真系统中，将仿真子站的运行计算结果和状态转换成PMU装置监测数据的输出格式，并进行输出；PMU装置与WAMS主站建立通信管道，通过通信管道将PMU装置的数据传输至WAMS主站。

本发明采用PMU装置结合WAMS主站的技术方案，解决现有仿真平台无法监测电网系统动态行为的不足，可以使学员实时观测到电网的监测数据，有效提高相关人员专业技能培训效率，缩短培训周期，提高培训质量；由于无需学员去现场学习，不会损坏设备，从而可以保证智能电网安全稳定、经济高效运行。因此，本发明提出的基于PMU装置和WAMS主站的仿真平台具有很好的社会性和经济性。

以上对本发明所提供的基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真方法及系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，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 (8)

1.一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立PMU装置的数据模型；

(2)所述PMU装置测量变电站与电厂的运行参数，将根据所述运行参数获得的数据打上时标；

(3)所述PMU装置通过数据集中器与所述WAMS主站建立通信管道，通过所述通信管道将带有时标的数据传输至所述WAMS主站；

(4)时钟推进一个周期，返回步骤(2)。

2.如权利要求1所述的培训仿真方法，其特征在于，

所述步骤(1)中，在初始化时，把厂站与PMU装置的配置信息分别存储在仿真子站与PMU数组中，并生成仿真子站的配置帧与头帧。

3.如权利要求1所述的培训仿真方法，其特征在于，

所述步骤(1)中，当系统运行过程中，所述PMU装置按照设定的周期从仿真支撑平台读取监测数据，并按照所述监测数据的类型存放至对应的PMU数组中。

4.如权利要求1所述的培训仿真方法，其特征在于，

所述步骤(2)中，所述PMU装置与所述WAMS主站之间建立通信的过程包括：

(21)如果是首次连接，对通信系统初始化；

(22)建立管理管道连接；

(23)所述WAMS主站向子站发送上传配置文件的命令，所述子站收到所述命令后，向所述WAMS主站上传配置文件；

(24)所述WAMS主站发送下传配置文件的命令，所述子站确认所述命令后，接受所述配置文件；

(25)所述WAMS主站启动数据传输；

(26)所述子站与所述WAMS主站建立数据管道连接；

(27)所述子站按周期向所述WAMS主站传输数据。

5.如权利要求4所述的培训仿真方法，其特征在于，

所述步骤(22)中，进一步包括以下步骤：

(221)所述子站侦听管理管道的服务端口，等待所述WAMS主站建立连接的申请；

(222)所述WAMS主站向所述子站提出建立管理管道的申请；

(223)所述子站接受申请，判断所述WAMS主站的IP地址是否合法，如果合法则与所述WAMS主站之间建立管理管道，否则关闭连接。

6.如权利要求4所述的培训仿真方法，其特征在于，

所述步骤(26)中，进一步包括以下步骤：

(261)所述子站侦听数据管道的服务端口，等待所述WAMS主站发起建立连接的申请；

(262)所述WAMS主站向所述子站提出建立数据管道的申请；

(263)所述子站接受申请，判断所述WAMS主站的IP地址是否合法，如果合法则与所述WAMS主站之间建立数据管道，否则关闭连接。

7.如权利要求1所述的培训仿真方法，其特征在于，

所述仿真子站与WAMS主站之间采用TCP通信协议进行实时通信。

8.一种基于PMU装置和WAMS主站的培训仿真系统，用于实现权利要求1～7中任意一项所述的培训仿真方法，其特征在于包括：WAMS主站、仿真子站、PMU装置和仿真计算支撑平台；其中

所述WAMS主站与所述仿真子站相连接，所述仿真子站包括同一厂站内的一个或多个PMU装置、数据集中器，所述数据集中器与所述PMU装置相连接，所述PMU装置与所述仿真计算支撑平台相连接；

所述PMU装置测量变电站与电厂的运行参数，将根据所述运行参数获得的数据打上时标；所述PMU装置通过数据集中器与所述WAMS主站建立通信管道，通过所述通信管道将带有时标的数据传输至所述WAMS主站。