CN113408125A - 一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，该三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法基于直流控制保护离线仿真平台，通过故障模拟系统的三维虚拟现实服务器对直流换流站的场景进行三维建模，通过电磁暂态仿真平台对高压直流换流站的一次系统和二次控保装置进行高精度语言建模；通过电磁暂态仿真平台对实际工程换流站故障所产生的故障录波数据进行仿真运算模拟故障；最后通过三维虚拟现实服务器生成故障三维仿真动画，通过故障三维仿真动画使换流站的设备故障可视化，可对调度、运行及检修人员进行专业化培训，提升直流控制保护性能，保障大电网安全运行。

Description

一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，特别涉及一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法。
背景技术
高压直流输电电压高，输送功率大，一旦发生故障，会引起交直流系统连锁反应，给系统稳定性带来巨大考验。从另一方面来说，换流站工作人员技能难以满足高压直流换流站维护要求。专业人员需要了解整个控制系统和保护系统的原理，以便更好的对系统进行维护。目前针对交流变电站一般通过预先将电站所有状态添加到仿真学习系统的方式对新员工进行熟悉操作等培训，但由于仿真系统的培训功能较为单一，对于新员工的熟练掌握促进作用并不明显。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法。
本发明采用的技术方案为：
一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，该方法基于故障模拟系统进行操作；模拟系统包括：
电磁暂态仿真平台、三维虚拟现实服务器、故障录入系统、运行控制后台和数据交互平台；其中运行控制后台分别与故障录入系统和数据交互平台信息传输连接，数据交互平台分别与电磁暂态仿真平台和三维虚拟现实服务器信息传输连接；
该方法包括以下步骤：
步骤一，建模过程，参照实际高压直流工程，通过故障模拟系统的三维虚拟现实服务器，采用Unity 3D引擎技术在三维场景中等比例对直流换流站的场景进行建模；通过电磁暂态仿真平台，采用PSCAD仿真软件对高压直流换流站的一次系统和二次控保装置进行高精度建模；
步骤二，数据处理，故障模拟系统的运行控制后台向故障录入系统发送控制指令，使障录入系统在其内部存储的实际工程换流站故障所产生的故障录波数据中，调取指定故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台；
步骤三，仿真运算模拟故障，故障模拟系统的电磁暂态仿真平台，通过PSCAD仿真软件在建立的一次系统和二次控保装置的高精度模型中，对指定故障录波数据执行仿真运算模拟故障，并将模拟故障所形成的信号量和事件，通过数据交互平台传输至运行控制后台和三维虚拟现实服务器；
步骤四，三维仿真动画的生成，运行控制后台向三维虚拟现实服务器发送控制指令，三维虚拟现实服务器通过电磁暂态仿真平台所形成的信号量和事件，在直流换流站的场景模型中生成故障三维仿真动画。
进一步，步骤二还包括另一数据处理方式，具体为：运行控制后台直接输入故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台。
进一步，所述三维虚拟现实服务器对直流换流站的场景建模包括：
高压直流换流站外场景模型和高压直流换流站内场景模型；
其中，高压直流换流站外场景模型包括：直流场和交直流滤波场的场景模块，换流变压器、断路器、避雷器、隔离开关和接地刀闸的装置开关模块，进线开关、压板以及按钮的就地操作模块，设备异常显示、保护状态变位信息等功能模块；
高压直流换流站内场景模型包括：室内场景包含极1/极2控制保护室、低端阀冷室、低端设备室、高端控保室、高端阀冷室、高端设备室、继电器室、35kV站用电和10kV站用电的场景模块，低端阀厅、高端阀模块。
进一步，利用该方法能够对实际工程换流站中的换流阀短路故障进行仿真运算模拟，并生成换流阀短路故障三维仿真动画。
进一步，利用该方法能够对实际工程换流站中的交流短路故障进行仿真运算模拟，并生成交流短路故障三维仿真动画。
进一步，利用该方法能够对实际工程换流站中的直流线路接地故障进行仿真运算模拟，并生成直流线路接地故障三维仿真动画。
本发明的有益效果是：
该三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法基于直流控制保护离线仿真平台，通过故障模拟系统的三维虚拟现实服务器对直流换流站的场景进行三维建模，通过电磁暂态仿真平台对高压直流换流站的一次系统和二次控保装置进行高精度语言建模；通过电磁暂态仿真平台对实际工程换流站故障所产生的故障录波数据进行仿真运算模拟故障；最后通过三维虚拟现实服务器生成故障三维仿真动画，通过故障三维仿真动画使换流站的设备故障可视化，可对调度、运行及检修人员进行专业化培训，提升直流控制保护性能，保障大电网安全运行。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明流程示意图；
图3为本发明高压直流换流站外场景模型图；
图4为本发明高压直流换流站内场景模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图、对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述、显然、所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例、而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例、本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例、都属于本发明保护的范围。
本发明是一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，该方法基于故障模拟系统进行操作；如图1所示，该故障模拟系统包括：电磁暂态仿真平台、三维虚拟现实服务器、故障录入系统、运行控制后台和数据交互平台；其中运行控制后台分别与故障录入系统和数据交互平台信息传输连接，数据交互平台分别与电磁暂态仿真平台和三维虚拟现实服务器信息传输连接。
电磁暂态仿真平台、三维虚拟现实服务器、故障录入系统和数据交互平台的功能：
所述电磁暂态仿真平台参照实际工程换流站，主要采用PSCAD仿真软件对高压直流换流站一次系统模块、二次系统控保模块进行高精度语言建模。
所述三维虚拟现实服务器是参照实际高压直流工程，在三维场景中等比例对直流换流站进行建模；采用Unity 3D引擎技术对换流站的一次设备和二次设备进行三维仿真模拟，在三维场景中实现设备的显示和操作。
其中，三维虚拟现实服务器对直流换流站的场景三维建模包括：高压直流换流站外场景模型和高压直流换流站内场景模型，其中高压直流换流站外场景模型和高压直流换流站内场景模型如图3-4所示。
高压直流换流站外场景模型包括以下模块：直流场和交直流滤波场的场景模块，换流变压器、断路器、避雷器、隔离开关和接地刀闸的装置开关模块，进线开关、压板以及按钮的就地操作模块，设备异常显示、保护状态变位信息等功能模块；
高压直流换流站内场景模型包括以下模块：室内场景包含极1/极2控制保护室、低端阀冷室、低端设备室、高端控保室、高端阀冷室、高端设备室、继电器室、35kV站用电和10kV站用电的场景模块，低端阀厅、高端阀模块。
所述故障录入系统能够对实际工程换流站故障所产生的故障录波数据进行保存。所述数据交互平台可以采用不同的通信机制与其他平台进行数据传输，保证各平台之间通信可靠。
如图2所示，该三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法按照以下步骤进行：
步骤一建模过程：参照实际高压直流工程，通过故障模拟系统的三维虚拟现实服务器，采用Unity 3D引擎技术在三维场景中等比例对直流换流站的场景进行三维建模；通过电磁暂态仿真平台，采用PSCAD仿真软件对高压直流换流站的一次系统和二次控保装置进行高精度语言建模。
步骤二数据处理：故障模拟系统的运行控制后台向故障录入系统发送控制指令，使障录入系统在其内部存储的实际工程换流站故障所产生的故障录波数据中，调取指定故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台。
也可为另一数据处理方式：运行控制后台直接输入故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台。
步骤三仿真运算模拟故障：故障模拟系统的电磁暂态仿真平台，通过PSCAD仿真软件在建立的一次系统和二次控保装置的高精度语言模型中，对指定故障录波数据执行仿真运算模拟故障，并将模拟故障所形成的信号量和事件，通过数据交互平台传输至运行控制后台和三维虚拟现实服务器。
步骤四三维仿真动画的生成：运行控制后台向三维虚拟现实服务器发送控制指令，三维虚拟现实服务器通过电磁暂态仿真平台所形成的信号量和事件，在直流换流站的场景模型中生成故障三维仿真动画。
为了进一步验证该三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法可行性，本发明通过以下实际工程换流站中的换流阀短路故障、XX故障、交流短路故障、直流线路接地故障进行详细说明。
（1）针对实际工程换流站中的换流阀短路故障；首先操作人员通过故障模拟系统的运行控制后台向故障录入系统发送控制指令，故障录入系统在其内部存储的实际工程换流站故障所产生的故障录波数据中，调取换流阀短路故障的故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台。需要说明的是，数据交互平台在该过程中进行了不同通信机制的语言转换，将故障录波数据转换为电磁暂态仿真平台能够读取的C语言。
然后电磁暂态仿真平台通过PSCAD仿真软件在建立的一次系统和二次控保装置的高精度语言模型中，对换流阀短路故障录波数据执行仿真运算模拟故障，将模拟故障所形成的信号量和事件，并按照一定逻辑顺序进行排列，最终通过数据交互平台传输至运行控制后台和三维虚拟现实服务器。
最后运行控制后台向三维虚拟现实服务器发送控制指令，三维虚拟现实服务器通过电磁暂态仿真平台所形成具的信号量和事件，调取高压直流换流站外场景模型和高压直流换流站内场景模型中的以下模块：
直流场场景模块、交直流滤波场场景模块、极1/极2控制保护室场景模块；换流变压器装置模块、断路器装置模块、隔离开关开关模块、接地刀闸关开关模块；进线开关、压板以及按钮的就地操作模块；
三维虚拟现实服务器将调取的模块根据信号量和事件的逻辑顺序进行整合，在直流换流站的场景模型中生成换流阀短路故障三维仿真动画。
（2）针对实际工程换流站中的交流短路故障；首先操作人员通过故障模拟系统的运行控制后台向故障录入系统发送控制指令，障录入系统在其内部存储的实际工程换流站故障所产生的故障录波数据中，调取交流短路故障的故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台。需要说明的是，数据交互平台在该过程中进行了不同通信机制的语言转换，将故障录波数据转换为电磁暂态仿真平台能够读取的C语言。
然后电磁暂态仿真平台通过PSCAD仿真软件在建立的一次系统和二次控保装置的高精度语言模型中，对交流短路故障录波数据执行仿真运算模拟故障，将模拟故障所形成的信号量和事件，并按照一定逻辑顺序进行排列，最终通过数据交互平台传输至运行控制后台和三维虚拟现实服务器。
最后运行控制后台向三维虚拟现实服务器发送控制指令，三维虚拟现实服务器通过电磁暂态仿真平台所形成具的信号量和事件，调取高压直流换流站外场景模型和高压直流换流站内场景模型中的以下模块：
直流场场景模块、交直流滤波场场景模块、极1/极2控制保护室场景模块；换流变压器装置模块、断路器装置模块、隔离开关开关模块、接地刀闸关开关模块；进线开关、压板以及按钮的就地操作模块；
三维虚拟现实服务器将调取的模块根据信号量和事件的逻辑顺序进行整合，在直流换流站的场景模型中生成交流短路故障三维仿真动画。
（3）针对实际工程换流站中的直流线路接地故障；首先操作人员通过故障模拟系统的运行控制后台向故障录入系统发送控制指令，障录入系统在其内部存储的实际工程换流站故障所产生的故障录波数据中，调取直流线路接地故障的故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台。需要说明的是，数据交互平台在该过程中进行了不同通信机制的语言转换，将故障录波数据转换为电磁暂态仿真平台能够读取的C语言。
然后电磁暂态仿真平台通过PSCAD仿真软件在建立的一次系统和二次控保装置的高精度语言模型中，对直流线路接地故障录波数据执行仿真运算模拟故障，将模拟故障所形成的信号量和事件，并按照一定逻辑顺序进行排列，最终通过数据交互平台传输至运行控制后台和三维虚拟现实服务器。
最后运行控制后台向三维虚拟现实服务器发送控制指令，三维虚拟现实服务器通过电磁暂态仿真平台所形成具的信号量和事件，调取高压直流换流站外场景模型和高压直流换流站内场景模型中的以下模块：
直流场场景模块、极1/极2控制保护室场景模块、进线开关模块。
三维虚拟现实服务器将调取的模块根据信号量和事件的逻辑顺序进行整合，在直流换流站的场景模型中生成直流线路接地故障三维仿真动画。
综上所述，该三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法基于直流控制保护离线仿真平台，通过故障模拟系统的三维虚拟现实服务器对直流换流站的场景进行三维建模，通过电磁暂态仿真平台对高压直流换流站的一次系统和二次控保装置进行高精度语言建模；通过电磁暂态仿真平台对实际工程换流站故障所产生的故障录波数据进行仿真运算模拟故障；最后通过三维虚拟现实服务器生成故障三维仿真动画，通过故障三维仿真动画使换流站的设备故障可视化，进而可对调度、运行及检修人员进行专业化培训，提升直流控制保护性能，保障大电网安全运行。
需要说明的是：该三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法不仅针对实际工程换流站中的换流阀短路故障、交流短路故障、直流线路接地故障可以进行仿真运算模拟故障，通过三维虚拟现实服务器生成故障三维仿真动画，也适用于实际工程换流站中的其它故障。

Claims (6)

1.一种三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，其特征在于：该方法基于故障模拟系统进行操作；模拟系统包括：
电磁暂态仿真平台、三维虚拟现实服务器、故障录入系统、运行控制后台和数据交互平台；其中运行控制后台分别与故障录入系统和数据交互平台信息传输连接，数据交互平台分别与电磁暂态仿真平台和三维虚拟现实服务器信息传输连接；
该方法包括以下步骤：
步骤一，建模过程，参照实际高压直流工程，通过故障模拟系统的三维虚拟现实服务器，采用Unity 3D引擎技术在三维场景中等比例对直流换流站的场景进行建模；通过电磁暂态仿真平台，采用PSCAD仿真软件对高压直流换流站的一次系统和二次控保装置进行高精度建模；
步骤二，数据处理，故障模拟系统的运行控制后台向故障录入系统发送控制指令，使障录入系统在其内部存储的实际工程换流站故障所产生的故障录波数据中，调取指定故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台；
步骤三，仿真运算模拟故障，故障模拟系统的电磁暂态仿真平台，通过PSCAD仿真软件在建立的一次系统和二次控保装置的高精度模型中，对指定故障录波数据执行仿真运算模拟故障，并将模拟故障所形成的信号量和事件，通过数据交互平台传输至运行控制后台和三维虚拟现实服务器；
步骤四，三维仿真动画的生成，运行控制后台向三维虚拟现实服务器发送控制指令，三维虚拟现实服务器通过电磁暂态仿真平台所形成的信号量和事件，在直流换流站的场景模型中生成故障三维仿真动画。
2.根据权利要求1所述的三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，其特征在于：步骤二还包括另一数据处理方式，具体为：运行控制后台直接输入故障录波数据，并通过数据交互平台传输至电磁暂态仿真平台。
3.根据权利要求1所述的三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，其特征在于：所述三维虚拟现实服务器对直流换流站的场景建模包括：
高压直流换流站外场景模型和高压直流换流站内场景模型；
其中，高压直流换流站外场景模型包括：直流场和交直流滤波场的场景模块，换流变压器、断路器、避雷器、隔离开关和接地刀闸的装置开关模块，进线开关、压板以及按钮的就地操作模块，设备异常显示、保护状态变位信息等功能模块；
高压直流换流站内场景模型包括：室内场景包含极1/极2控制保护室、低端阀冷室、低端设备室、高端控保室、高端阀冷室、高端设备室、继电器室、35kV站用电和10kV站用电的场景模块，低端阀厅、高端阀模块。
4.根据权利要求1所述的三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，其特征在于：利用该方法能够对实际工程换流站中的换流阀短路故障进行仿真运算模拟，并生成换流阀短路故障三维仿真动画。
5.根据权利要求1所述的三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，其特征在于：利用该方法能够对实际工程换流站中的交流短路故障进行仿真运算模拟，并生成交流短路故障三维仿真动画。
6.根据权利要求1所述的三维虚拟场景的高压直流换流站故障模拟方法，其特征在于：利用该方法能够对实际工程换流站中的直流线路接地故障进行仿真运算模拟，并生成直流线路接地故障三维仿真动画。
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