CN105869470A - 一种特高压变电站运行仿真的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压变电站运行仿真的方法及系统，步骤1：选择用户或者管理员进行登录，在管理员权限中对设备管理、资源管理、开关逻辑等内容进行设置。步骤2：三维模型与属性数据自动相关联，进行节点触发。步骤3：建立客户端和服务端之间的局域网。步骤4：单机版形式或者客户端和服务端局域网模拟多个工作人员形式协同进入特高压变电站三维模拟场景，进行场景漫游，坐标定位。步骤5：在三维场景中进行巡视和操作票操作，进行数据输入，对异常状况和事故处理，同步定时存储。步骤6：完成操作，评定输出结果，实时保存进度。本发明模拟变电站正常、异常和故障时的各种工况及操作过程，如设备巡视，操作票管理，异常状况和事故处理。

Description

一种特高压变电站运行仿真的方法及系统

技术领域

本发明涉及特高压变电站运行虚拟现实技术领域，尤其是针对特高压变电站日常运行维护管理的交互式协同作业仿真操作模式。

背景技术

特高压输电具有输送距离远、容量大、占地少等特点，其已纳入中国“十二五”规划纲要。变电站作为特高压输电的重要组成部分，其运行稳定性是保障电力工业安全生产的重要措施，提高特高压变电站操作人员的技术水平对保证电力系统安全、经济、优质的运行十分重要。特高压变电站运行维护人员的技术手段成为保障变电站安全运行的有力支撑。

目前，国内专门针对特高压变电站的协作式模拟仿真系统还为空白，主要通过教材、视频、ppt或者是现场教学的方式来讲解整个特高压变电站的运行管理，传统的模式难以达到预期的效果，特别是对于生疏的操作人员，很容易导致操作失误所带来的人身危险和电网运行的瘫痪；而在特高压变电站中具有比较大的电磁辐射，长时间身处变电站现场，对身体会造成比较大的伤害。

实时三维仿真是人通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环境。通过交互式的三维开发引擎，与C#语言相结合，处理诸如干涉、碰撞、摩擦、超静定等常规物理学问题，来实现在显示屏中展示三维的动画形式,并通过局域网多人协作的方式完成特高压变电站的仿真操作。在国内，虚拟现实技术尚处于起步阶段。大部分还停留在旅游景观、地产开发等行业。作为国内最早开始研究虚拟现实技术的北京航空航天大学，其研究的虚拟环境中物体物理特性表示和视觉接口硬件的开发，代表国内虚拟现实理论技术的最高水平。另外，华东理工、浙江大学的也成功将虚拟现实技术应用到生产过程模拟、事故应急演练中，取得良好的效果。但是在特高压变电站运行维护管理中还未得到完全应用，只是结合了三维动画的形式，并未形成支持网络联机多用户协作的模式。

发明内容

本发明设计了一种特高压变电站运行仿真的方法及系统，其解决的技术问题是国内专门针对特高压变电站的协作式模拟仿真系统还为空白，容易导致操作失误所带来的人身危险和电网运行的瘫痪，也容易使得特高压变电站中具有比较大的电磁辐射会对身体会造成比较大的伤害。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种特高压变电站运行仿真的方法及系统，步骤1：选择用户或者管理员进行登录，在管理员权限中对设备管理、资源管理、开关逻辑等内容进行设置。

步骤2：三维模型与属性数据自动相关联，进行节点触发。

步骤3：建立客户端和服务端之间的局域网。

步骤4：单机版形式或者客户端和服务端局域网模拟多个工作人员形式协同进入特高压变电站三维模拟场景，进行场景漫游，坐标定位。

步骤5：在三维场景中进行巡视和操作票操作，进行数据输入，对异常状况和事故处理，同步定时存储。

步骤6：完成操作，评定输出结果，实时保存进度。

所述步骤1中，采用C/S局域网络架构模式。分布式部署，多用户同时登陆系统考核，登陆系统选择角色，管理员角色主机配置为服务器，其他主机作为客户端。客户端用户登陆后向服务器上传位置坐标，管理员实时掌握考核人员位置。系统登入方式采用功能权限管理技术来实现，其基于角色访问控制技术RBAC，系统管理员可以根据职能或机构的需求策略来创建角色、给角色分配权限并给用户分配角色，用户能够访问的权限由该用户拥有的角色权限集合决定，即把整个访问控制过程分成2步：访问权限与角色相关联，角色再与用户关联，从而实现用户与访问权限的逻辑分离。引入Role，隔离User(即动作主体)与Privilege(权限)，当一个角色被指定给一个用户时，此用户就拥有了该角色所包含的权限。

所述步骤2中，系统采用图、模、库一体化建模方式，利用三维软件建立变压器、断路器、隔离开关、互感器、电容器、电抗器、母线等高精度三维模型并关联设备参数。可以查询设备的分类、型号、设备状态、设备动态等信息。例如：设备状态数据主要有主变压器、断路器和开关柜的绝缘特性、温湿度、气体压力和机械特性方面的数据。

借助人工智能神经网络技术，将众多设备以神经节点的方式进行模拟，让每个节点能对各种变化做出相应的反应，以保证模拟系统最终稳定地收敛出最终的结果。其中要处理好每个节点容错性，以保证模拟系统平滑、连续地运行：

步骤2-1：抽象变电站内主要线路、设备在运行中的主要影响因素，形成数学模型。为每个数学模型编制反应器，添加接收和传播渠道(单向或双向)。能对所有渠道传送来的信息做出反应，再将反应结果通过渠道传播出去。

步骤2-2：每个数学模型集合必须是收敛的，以保证整个系统最终能稳定地收敛出计算结果，即变电站的运行状态。

步骤2-3：为数学模型添加适当的容错机制，防止不连续的空间出现，以保证模拟系统平滑、稳定地运行。

步骤2-4：反应器的精度应该是可调的，且在可调范围内都是连续且收敛的。通过调整反应器的精度，可以在模拟结果的精细程度和系统的运行速度之间协调。

步骤2-5：当出现容错机制无法处理的情况，如发散、离散等。系统必须能够立即停止模拟，而不是以错误的结果继续模拟下去。

借助人工智能神经网络技术，可以更有效的处理各节点的运算关系，提升模拟计算的效率和稳定性。系统必须有足够快的速度来保证数学模型的计算和计算结果在虚拟场景中的可视化输出。通过变电站模拟运行技术可实现变电站与数字化系统的实时混合仿真。系统采用电网实时模拟、电子式互感器模拟、常规互感器模拟、GOOSE采集、光串口切换、二次回路切换与变电站真实的一、二次设备相连接，构成一个完整的智能变电站闭环模拟系统。

所述步骤3中，服务器与客户端之间采用Socket的通信类型，在这种工作过程中首先启动服务器端，通过调用socket()函数建立一个socket对象，然后调用Bind()函数将该Socket对象和本地网络地址绑定到一起。再调用Listen()函数使该Socket对象处于侦听状态，并规定它的最大请求的数量。简要交互方式为：

步骤3-1：客户端提出一个连接请求；

步骤3-2：服务器接收到客户端的请求，并进行分析处理；

步骤3-3：服务器将运行处理的结果返回给客户端。

所述步骤4中，根据任务要求选择单机模式或者局域网多客户端模式在虚拟场景中操作，实现独立或协同考核作业。独立作业时，客户端自主进行模拟。协同作业时，服务端可发布任务给各主机，各主机完成所属的任务后，上报结果，系统对整体结果进行评价。整个系统真实模拟特高压变电站运行协作及各自独立操作过程。系统数据库使用文本数据加密存储。支持自主配置和事故预置。对全站主要设备模型编译反应器，开放接口，支持设备模型更新、运行过程更新如图。

对角色所在的三维场景进行前期模型创建，根据收集资料、照片、图纸、说明书等参数，对场景、土建、设备、工器具等进行三维建模。对模型进行优化，处理UV、贴图等基本信息，模型分级、打组、建立拓扑结构设计。模型对象化、添加属性、功能、反应器信息。模型文件的大小在一定程度上反映了模型的复杂程度，通过采用纹理映射、纹理压缩和实例等技术可以直接减小模型文件的大小，提高模型在系统中存储、加载和绘制的速度，提高系统的实时交互性。

所述步骤5中，在变电站虚拟场景中进行操作票操作和设备巡视，采用实时交互技术，根据开放、易修改、便于维护为设计理念，在保证合理的显示效果时，模型控制、逻辑控制、节点绑定等过程以代码进行实现。利用代码进行事件预制，用户在应用平台下与触发事件。开发平台下的C#代码实时进行控制和反馈，控制场景中模型进行响应和逻辑判读。对系统的数据进行有效的组合和划分，保持数据分界的清晰以及数据的独立性，将图形数据和属性数据进行分离。必要时通过系统的扩展性，对数据进行扩充以及修改，实现在多客户端和服务器间操作数据同步存储以及实时显示。

所述步骤6中，考核系统评价体系充分考虑实际操作过程中每个工作步骤在技术上的重要性、操作的难度和误操作可能造成的危害程度的基础上进行评分。并为这些指标作了适当的分级，不同级别能获得或丢失的分数不一样。

评价体系中，各个步骤的重要级和包含的分数可以根据实际的工况进行适当合理的调整。注意，调整评分体系中任何一个步骤(step)的重要级，会影响其他工步的分数含量(score)，系统会对整个调整后的评价体系(Value Sys)进行重新平衡计算。

该特高压变电站运行仿真的方法及系统具有以下有益效果：

(1)本发明基于socket网络通信技术的特高压变电站仿真协作运行的方法及系统，模拟变电站正常、异常和故障时的各种工况及操作过程，如设备巡视，操作票管理，异常状况和事故处理。

(2)本发明通过管理员权限对变电站底层数据，如电流、电压、设备温度等进行修改，系统自动将数据与变电站相关设备关联，并连续不断地输出电压、电流等信号。

(3)本发明通过socket网络通信技术实现局域网多客户端多角色协同作业模式，输入判断根据处理后的信号判断此时虚拟设备的状态是否发生变化并将这种变化实时地反映到虚拟变电站中，通过交互式的模拟操作，提高操作人员的技术技能水平，实现特高压变电站的可靠、经济、安全、稳定的运行。

附图说明

图1：本发明特高压变电站运行仿真系统的结构示意图；

图2：本发明特高压变电站运行仿真系统的RBAC权限模型示意图；

图3：本发明特高压变电站运行仿真系统的变电站模拟运行示意图；

图4：本发明特高压变电站运行仿真系统的协同作业流程图；

图5：本发明特高压变电站运行仿真系统的操作票模块结构流程图。

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本发明做进一步说明：

1、在图1中提供了特高压变电站运行仿真系统的结构图，具体形式如下所述：

步骤1：用户采用单机独立作业或者多人协同作业的形式，划分两种不同的权限管理模式(管理员和用户)，并通过该模块与特高压虚拟变电站交互并模拟变电站的操作，进行节点触发。

步骤2：特高压虚拟变电站对于用户是可见的，用户进入系统之后的三维模拟场景，用户可直接在三维场景中模拟各种操作，例如设备信息管理，操作票，设备巡视。

步骤3：输出判断首先判断特高压虚拟变电站的系统节点是否发生变化，再根据所发生的变化来改变特高压变电站运行仿真系统的计算条件。例如，如果虚拟变电站断路器的状态发生变化则特高压变电站运行仿真系统模块将重新计算变电站的电流变化。

步骤4：特高压变电站仿真协作系统平台能够对变电站的正常运行、异常状况及事故处理等情况进行仿真并连续不断地输出电压、电流、温度等信号。在建立仿真模型时考虑了变电站的一次设备及其操作机构、继电保护、自动装置及综合自动化系统的详细模型。

步骤5：信号处理对“特高压变电站仿真协作系统平台”模块输出的信号进行处理后将其送入“输入判断”模块。

步骤6：输入判断根据处理后的信号判断此时虚拟设备的状态是否发生变化并将这种变化实时地反映到特高压虚拟变电站中。

2、用户选择角色系统登入，如图2所示为用户角色权限分配，具体如下：

多用户同时登陆系统考核，登陆系统选择角色，管理员角色主机配置为服务器，其他主机作为客户端。权限被赋予角色,而不是用户，当一个角色被指定给一个用户时，此用户就拥有了该角色所包含的权限。首先指定一个用户,给定该用户的角色,以及角色的权限,一般在本系统中,被划分为用户和管理员的角色,每种角色确定了其操作权限,无需再重新划分权限,通过角色也就确定了其目标和操作权限。

3、管理员角色对系统基本设置包括设备管理、资源管理、开关逻辑、操作票管理、巡视管理、故障设置、用户管理的内容进行修改，将设备信息与设备三维模型进行相关联，具体如下：

利用三维软件建立变压器、断路器、隔离开关、互感器、电容器、电抗器、母线等高精度三维模型并关联设备参数。可以查询设备的分类、型号、设备状态、设备动态等信息。例如：在设备管理器中，可以对压力容器、避雷器、油位计、开关充能、主变、高抗、站用变等进行设置，在主变中可以改变其三相相电压，线电压，电流，有功功率等，改变的设备信息在仿真系统中重新进行电流、电压等的计算，将虚拟场景的三维设备与设备数据相关联，形成节点网络，对输入信息进行反馈，设置整个网络报警、容错等机制。反馈信息通过节点网络，改变模型属性，表现出对应行为，直观展示后果。全过程展示操作或异常工作设备状态和后果。通过结合声效、光影报警等效果，突破现有运行管理以示意的形式展示的困境，直观、真实。

4、根据要求选择单机形式或者多用户协作形式进行模拟操作，现以局域网多角色协作方式进行说明，具体描述局域网建立方式：

步骤1：首先服务器端输入本机的IP和默认的端口，建立服务器。

步骤2：用户端输入服务器端的IP和端口，选择连接服务器，与服务器端的仿真系统进行设备数据同时，实时更新。

步骤3：服务器端可以显示用户数量以及用户名称，在此基础上，根据接下来需要操作的要求来选择网络连接方式，联机模式和教学模式。联机模式为多用户协同模拟操作的方式；教学模式为用户跟随服务器端的视角进行观看，不能操作。

5、根据联机模式，在三维变电站中进行协同作业，如图4所示，具体形式如下：

服务端可发布任务给各主机，各主机完成所属的任务后，上报结果，系统对整体结果进行评价。整个系统真实模拟特高压变电站运行协作及各自独立操作过程。系统数据库使用文本数据加密存储。支持自主配置和事故预置。对全站主要设备模型编译反应器，开放接口，支持设备模型更新、运行过程更新。

6、在三维变电站中进行操作票、巡视、异常状况和事故处理等操作，现以操作票为例进行说明如图5：

典型操作票规则设计系统是为具有管理权限的用户设计的一套特殊人机交互机制，其作用在于让用户能够通过简便方法建立变电站典型操作票执行规则，并与三维仿真系统交互实现双向规则建立与解析功能。

对运行人员的工作方式和思维习惯在操作票处理子系统加以考虑。主要考虑因素有开票过程、同班多任务连续、同任务多班延续等；操作票的打印、记录、归档、查询等处理功能均按应答式流程设计，操作票管理系统可以执行。

典型操作票规则设计子系统提供针对操作票的通用规则设计，结合三维模型对象库和操作规则库信息，定义操作规程，为操作票培训和仿真提供定义和智能编译解释功能，每个元件的操作规则都存储在规则库中，在操作票程序运行时自动与所发操作项比较，符合条件方可开出票，否则此操作项被拒开并告警。按照操作票的内容对变电站中的设备模型进行模拟操作，系统自动对才做后所做的反映进行内容文档管理、记录以及归档。并在所有操作完成后通过考核评价系统对结果进行计算评定，输出结果。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种特高压变电站运行仿真的方法，包括以下步骤：

步骤1：采用C/S局域网络架构模式，选择客户端用户或者管理员进行登录，在管理员权限中对设备管理、资源管理和开关逻辑等内容进行设置；客户端用户登陆后向服务器上传位置坐标，管理员实时掌握考核人员位置；登入方式采用功能权限管理技术来实现，基于角色访问控制技术RBAC权限，管理员根据职能或机构的需求策略来创建角色、给角色分配权限并给客户端用户分配角色，客户端用户能够访问的权限由该用户拥有的角色权限集合决定，即把整个访问控制过程分成两步：访问权限与角色相关联；角色再与用户关联；从而实现客户端用户与访问权限的逻辑分离；

步骤2：三维模型与属性数据自动相关联，进行节点触发；采用图、模和库一体化建模方式，利用三维软件建立变电站中变压器、断路器、隔离开关、互感器、电容器、电抗器以及母线各设备高精度三维模型并关联上述设备参数；借助人工智能神经网络技术，将上述设备以神经节点的方式进行模拟，让每个节点能对各种变化做出相应的反应，以保证模拟系统最终稳定地收敛出最终的结果；

步骤3：建立客户端和服务端之间的局域网；

步骤4：单机版形式或者客户端和服务端局域网模拟多个工作人员形式协同进入特高压变电站三维模拟场景，进行场景漫游，坐标定位；

步骤5：在三维场景中进行巡视和操作票操作，进行数据输入，对异常状况和事故处理，同步定时存储；

步骤6：完成操作，评定输出结果，实时保存进度。

2.根据权利要求1所述特高压变电站运行仿真的方法，其特征在于：所述步骤1中采用分布式部署，多用户同时登陆系统考核，登陆系统选择角色，管理员角色主机配置为服务器，其他主机作为客户端。

3.根据权利要求1所述特高压变电站运行仿真的方法，其特征在于：步骤2中采用电网实时模拟、电子式互感器模拟、常规互感器模拟、GOOSE采集、光串口切换、二次回路切换与变电站真实的一、二次设备相连接，构成一个完整的智能变电站闭环模拟系统；步骤2-1：抽象变电站中变压器、断路器、隔离开关、互感器、电容器、电抗器以及母线各设备在运行中的主要影响因素，形成数学模型；为每个数学模型编制反应器，添加单向或双向的接收和传播渠道；能对所有渠道传送来的信息做出反应，再将反应结果通过渠道传播出去；步骤2-2：每个数学模型集合必须是收敛的，以保证整个系统最终能稳定地收敛出计算结果，即变电站的运行状态；步骤2-3：为数学模型添加适当的容错机制，防止不连续的空间出现，以保证模拟系统平滑、稳定地运行；步骤2-4：反应器的精度应该是可调的，且在可调范围内都是连续且收敛的；通过调整反应器的精度，可以在模拟结果的精细程度和系统的运行速度之间协调；步骤2-5：当出现容错机制无法处理的情况，必须能够立即停止模拟，而不是以错误的结果继续模拟下去。

4.根据权利要求1所述特高压变电站运行仿真的方法，其特征在于：所述步骤3中，服务器与客户端之间采用Socket的通信类型，在这种工作过程中首先启动服务器端，通过调用socket( )函数建立一个socket对象，然后调用Bind( )函数将该Socket对象和本地网络地址绑定到一起；再调用Listen( )函数使该Socket对象处于侦听状态，并规定它的最大请求的数量；具体交互方式为：步骤3-1：客户端提出一个连接请求；步骤3-2：服务器接收到客户端的请求，并进行分析处理；步骤3-3：服务器将运行处理的结果返回给客户端。

5.根据权利要求1所述特高压变电站运行仿真的方法，其特征在于：所述步骤4中，根据任务要求选择单机模式或者局域网多客户端模式在虚拟场景中操作，实现独立或协同考核作业；独立作业时，客户端自主进行模拟；协同作业时，服务端可发布任务给各主机，各主机完成所属的任务后，上报结果，模拟系统对整体结果进行评价；整个模拟系统真实模拟特高压变电站运行协作及各自独立操作过程；系统数据库使用文本数据加密存储；支持自主配置和事故预置；对全站主要设备模型编译反应器，开放接口，支持设备模型更新和运行过程更新。

6.根据权利要求1所述特高压变电站运行仿真的方法，其特征在于：所述步骤4中，对角色所在的三维场景进行前期模型创建，根据收集资料、照片、图纸、说明书等参数，对场景、土建、设备、工器具等进行三维建模；对模型进行优化，处理UV、贴图等基本信息，模型分级、打组、建立拓扑结构设计；模型对象化、添加属性、功能、反应器信息；通过采用纹理映射、纹理压缩和实例技术直接减小模型文件的大小，提高模型在系统中存储、加载和绘制的速度，提高系统的实时交互性。

7.根据权利要求1-6中任何一项所述特高压变电站运行仿真的方法，其特征在于：所述步骤5中，在变电站虚拟场景中进行操作票操作和设备巡视，采用实时交互技术，在保证合理的显示效果时，模型控制、逻辑控制、节点绑定等过程以代码进行实现；利用代码进行事件预制，用户在应用平台下与触发事件；开发平台下的C#代码实时进行控制和反馈，控制场景中模型进行响应和逻辑判读；对系统的数据进行有效的组合和划分，保持数据分界的清晰以及数据的独立性，将图形数据和属性数据进行分离；必要时通过系统的扩展性，对数据进行扩充以及修改，实现在多客户端和服务器间操作数据同步存储以及实时显示。

8.根据权利要求1-7中任何一项所述特高压变电站运行仿真的方法，其特征在于：所述步骤6中，考核系统评价体系充分考虑实际操作过程中每个工作步骤在技术上的重要性、操作的难度和误操作可能造成的危害程度的基础上进行评分。并为这些指标作了适当的分级，不同级别能获得或丢失的分数不一样。

9.一种使用权利要求1-8中任何一项方法的系统。