CN115145169A - 一种变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法，包括一次设备行为数字仿真系统和二次控制保护系统，所述一次设备行为数字仿真系统包括数字仿真模块、实时故障分析模块、仿真计算模块和数据处理模块，所述二次控制保护系统包括智能终端模块、合并控制模块和采集反馈模块；本发明解决了智能变电站在不同的运行方式下一次设备运行行为的过程数据仿真、状态驱动仿真及状态数据仿真的问题，结合真实的变电站二次保护设备和自动化设备，构成变电站信息物理融合半实物仿真系统，同时避免纯物理仿真的局限性和纯数字仿真实验的理想化的问题。

Description

一种变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法

技术领域

本发明涉及智能变电站仿真技术领域，尤其涉及一种变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法。

背景技术

在当前信息化与工业化高度融合背景下，智能电网的建设和发展具备了坚实的技术基础，智能电网采用去中心化的方式，使得电网变得更加安全、清洁，但仍存在由于自然灾害、工作人员误操作、设备老化、设备不合格等因素导致的电力系统故障，对电网安全造成较大的威胁，因而对变电站保护控制设备有较高的要求；

智能变电站是现代电力系统的核心内容，是智能电网建设的重要组成部分，也是智能电网的重要节点，主要负责变压和分流，对于智能电网的投建、运行、维护有着关键的作用；

传统的智能变电站保护控制设备在复杂运行方式下相关测试造价很高，不利于大规模仿真，且系统封闭，对于普通学者而言性价比不高，入门难度较大，会造成测试困难，因此，本发明提出一种变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法，该变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法解决了智能变电站在不同的运行方式下一次设备运行行为的过程数据仿真、状态驱动仿真及状态数据仿真的问题，结合真实的变电站二次保护设备和自动化设备，构成变电站信息物理融合半实物仿真系统，同时避免纯物理仿真的局限性和纯数字仿真实验的理想化的问题。

为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种变电站信息物理融合半实物仿真系统和仿真方法，包括一次设备行为数字仿真系统和二次控制保护系统，所述一次设备行为数字仿真系统包括数字仿真模块、实时故障分析模块、仿真计算模块和数据处理模块，所述数字仿真模块用于对一次设备运行状态和故障异常进行单体和复合仿真，同时对一次开关设备驱动进行仿真，所述实时故障分析模块用于对一次设备实时的故障数据进行采集分析，所述仿真计算模块用于根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次设备的运行情况进行精确建模及准确计算，所述数据处理模块用于将仿真计算模块的计算结果转换成对应设备接收的信息数据；

所述二次控制保护系统包括智能终端模块、合并控制模块和采集反馈模块，所述智能终端模块用于驱动变电站仿真开关设备动作同时采集仿真开关设备的状态数据进行上传，所述合并控制模块用于接收数据处理模块转换的信息数据并发送控制指令给智能终端模块，所述采集反馈模块用于采集实际变电站设备的控制信号并反馈至数字仿真模块。

进一步改进在于：所述数字仿真模块包含自动调整子模块，所述自动调整子模块用于根据接收到的采集反馈模块的反馈信息对数字仿真模块仿真的拓扑结构和运行参数进行自动调整，所述数字仿真模块进行一次开关设备驱动仿真时采用了功率放大器和模拟断路器组实现的。

进一步改进在于：所述仿真计算模块包含显示器，所述显示器用于实时显示经建模计算的变电站相同的电压电流波形，并由用户根据图形界面对电网元件参数进行修改实现仿真模拟的控制。

进一步改进在于：所述合并控制模块包含指令生成子模块，所述指令生成子模块用于根据转换的信息数据并结合变电站设计的控制流程生成设备的控制指令并进行发送，所述采集反馈模块采集的实际变电站设备控制信号包括设备输出的开关操作、跳闸保护和重合跳闸的控制信号。

进一步改进在于：所述一次设备行为数字仿真系统内部模块之间通过TCP/IP协议进行数据与控制命令的传输，所述智能终端模块和合并控制模块与采集反馈模块之间采用电气连接，所述采集反馈模块与一次设备行为数字仿真系统之间也采用电气连接。

一种变电站信息物理融合半实物仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、通过数字仿真模块对一次设备运行状态、故障异常和依次开关设备驱动进行仿真模拟，并通过实时故障分析模块对仿真模拟故障数据进行采集分析；

步骤二、通过仿真计算模块根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次设备的运行情况进行精确建模及准确计算，获得建模和计算数据；

步骤三、通过数据处理模块对建模和计算数据进行转化，转变合并控制模块接收的信息数据发送至合并控制模块，并由合并控制模块输出控制指令；

步骤四、通过采集反馈模块采集实际变电站设备输出的开关操作、跳闸保护和重合跳闸的控制信号以及通过智能终端模块采集状态数据，并将控制信号和状态数据上传反馈至数字仿真模块；

步骤五、再由数字仿真模块中的自动调整模块根据合并控制模块输出的控制指令结合采集反馈模块反馈的控制信号和状态数据对仿真的拓扑结构和运行参数进行自动调整，完成实时闭环回路仿真模拟。

进一步改进在于：所述数字仿真模块、实时故障分析模块、仿真计算模块和数据处理模块之间通过TCP/IP协议进行数据与控制命令的传输。

本发明的有益效果为：本发明系统解决了智能变电站在不同的运行方式下一次设备运行行为的过程数据仿真、状态驱动仿真及状态数据仿真的问题，结合真实的变电站二次保护设备和自动化设备，构成变电站信息物理融合半实物仿真系统；

同时避免纯物理仿真的局限性和纯数字仿真实验的理想化的问题，为保护设备厂商和电网提供各种测试途径，为科研人员和教师、学员提供变电站系统教学培训和高性价比的开放测试环境。

附图说明

图1为本发明实施例二系统仿真方法流程图。

图2为本发明实施例一电气连接图。

图3为本发明实施例一仿真系统架构图。

图4为本发明实施例一仿真系统原理图。

图5为本发明实施例一一次设备故障或者异常仿真动作流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例一

根据图2-5所示，本实施例提供了一种变电站信息物理融合半实物仿真系统，包括一次设备行为数字仿真系统和二次控制保护系统，一次设备行为数字仿真系统具有实时故障分析、暂态稳定计算等功能。

所述一次设备行为数字仿真系统包括数字仿真模块、实时故障分析模块、仿真计算模块和数据处理模块，所述数字仿真模块可对一次设备运行状态、一次设备故障或者异常进行单体仿真或复合仿真等，并采用功率放大器组、模拟断路器组等设备进行一次开关设备驱动仿真；

所述实时故障分析模块用于对一次设备实时的故障数据进行采集分析，所述仿真计算模块用于根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次设备的运行情况进行精确建模及准确计算，实时输出与变电站相同的电压、电流波形，用户可以通过图形界面对电网元件参数进行修改，从而对变电站运行情况进行完整的仿真模拟；

所述数据处理模块用于将仿真计算模块的计算结果转换成对应设备可以接收的信息数据格式，提供给对应设备的合并控制模块；

所述二次控制保护系统包括智能终端模块、合并控制模块和采集反馈模块，所述智能终端模块用于驱动变电站仿真开关设备动作同时采集仿真开关设备的状态数据上传给变电站二次设备系统，所述合并控制模块用于接收数据处理模块转换的信息数据并发送控制指令给智能终端模块，所述采集反馈模块用于采集实际变电站设备输出的开关操作、跳闸保护和重合跳闸的控制信号并反馈至数字仿真模块。

所述数字仿真模块包含自动调整子模块，所述自动调整子模块用于根据接收到的采集反馈模块的反馈信息对数字仿真模块仿真的拓扑结构和运行参数进行自动调整。

所述仿真计算模块包含显示器，所述显示器用于实时显示经建模计算的变电站相同的电压电流波形，并由用户根据图形界面对电网元件参数进行修改实现仿真模拟的控制。

所述合并控制模块包含指令生成子模块，所述指令生成子模块用于根据转换的信息数据并结合变电站设计的控制流程生成设备的控制指令并进行发送，所述采集反馈模块采集的实际变电站设备控制信号包括设备。

所述一次设备行为数字仿真系统内部模块之间通过TCP/IP协议进行数据与控制命令的传输，所述智能终端模块和合并控制模块与采集反馈模块之间采用电气连接，电气连接如说明书附图2所示，所述采集反馈模块与一次设备行为数字仿真系统之间也采用电气连接。

该变电站信息物理融合半实物仿真系统的一次设备行为数字仿真系统以变电站一次设备为研究对象，采用模块化结构设计，一次设备数字仿真系统间通过TCP/IP协议进行传输数据与控制命令。一次设备数字仿真系统具有实时故障分析、暂态稳定计算等功能，可对一次设备运行状态、一次设备故障或者异常进行单体仿真或复合仿真等。并可采用功率放大器组、模拟断路器组等设备进行一次开关设备驱动仿真。

变电站一次设备行为数字仿真系统可以完成变电站一次系统设备的实时仿真计算。在仿真计算中，能够根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次系统的运行情况进行精确建模及准确计算。

一次设备数字仿真系统进行变电站一次系统的实时暂态仿真计算后，将计算结果通过数据处理模块转换成对应设备合并控制模块可以接收的信息数据，提供给对应设备的合并控制模块。变电站二次装置在接收到合并控制模块的数据后，按照变电站设计的控制流程进行自动控制，对应设备智能终端模块驱动变电站仿真开关设备动作，设备智能终端模块同时采集仿真开关设备的状态数据上传给变电站二次设备系统。此时，变电站二次控制保护系统还将实际变电站设备输出的开关操作、保护跳闸、重合闸等控制信号反馈至一次设备数字仿真系统的数字仿真模块。数字仿真模块根据反馈信号实时改变一次设备数字仿真系统的拓扑结构和运行参数，从而形成完整的实时闭环仿真。

实施例二

根据图1所示，本实施例提供了一种变电站信息物理融合半实物仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、通过数字仿真模块对一次设备运行状态、故障异常和依次开关设备驱动进行仿真模拟，并通过实时故障分析模块对仿真模拟故障数据进行采集分析；

步骤二、通过仿真计算模块根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次设备的运行情况进行精确建模及准确计算，获得建模和计算数据；

步骤三、通过数据处理模块对建模和计算数据进行转化，转变合并控制模块接收的信息数据发送至合并控制模块，并由合并控制模块输出控制指令；

步骤四、通过采集反馈模块采集实际变电站设备输出的开关操作、跳闸保护和重合跳闸的控制信号以及通过智能终端模块采集状态数据，并将控制信号和状态数据上传反馈至数字仿真模块；

步骤五、再由数字仿真模块中的自动调整模块根据合并控制模块输出的控制指令结合采集反馈模块反馈的控制信号和状态数据对仿真的拓扑结构和运行参数进行自动调整，完成实时闭环回路仿真模拟。

其中所述数字仿真模块、实时故障分析模块、仿真计算模块和数据处理模块之间通过TCP/IP协议进行数据与控制命令的传输。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种变电站信息物理融合半实物仿真系统，其特征在于：包括一次设备行为数字仿真系统和二次控制保护系统，所述一次设备行为数字仿真系统包括数字仿真模块、实时故障分析模块、仿真计算模块和数据处理模块，所述数字仿真模块用于对一次设备运行状态和故障异常进行单体和复合仿真，同时对一次开关设备驱动进行仿真，所述实时故障分析模块用于对一次设备实时的故障数据进行采集分析，所述仿真计算模块用于根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次设备的运行情况进行精确建模及准确计算，所述数据处理模块用于将仿真计算模块的计算结果转换成对应设备接收的信息数据；

所述二次控制保护系统包括智能终端模块、合并控制模块和采集反馈模块，所述智能终端模块用于驱动变电站仿真开关设备动作同时采集仿真开关设备的状态数据进行上传，所述合并控制模块用于接收数据处理模块转换的信息数据并发送控制指令给智能终端模块，所述采集反馈模块用于采集实际变电站设备的控制信号并反馈至数字仿真模块。

2.根据权利要求1所述的一种变电站信息物理融合半实物仿真系统，其特征在于：所述数字仿真模块包含自动调整子模块，所述自动调整子模块用于根据接收到的采集反馈模块的反馈信息对数字仿真模块仿真的拓扑结构和运行参数进行自动调整，所述数字仿真模块进行一次开关设备驱动仿真时采用了功率放大器和模拟断路器组实现的。

3.根据权利要求1所述的一种变电站信息物理融合半实物仿真系统，其特征在于：所述仿真计算模块包含显示器，所述显示器用于实时显示经建模计算的变电站相同的电压电流波形，并由用户根据图形界面对电网元件参数进行修改实现仿真模拟的控制。

4.根据权利要求1所述的一种变电站信息物理融合半实物仿真系统，其特征在于：所述合并控制模块包含指令生成子模块，所述指令生成子模块用于根据转换的信息数据并结合变电站设计的控制流程生成设备的控制指令并进行发送，所述采集反馈模块采集的实际变电站设备控制信号包括设备输出的开关操作、跳闸保护和重合跳闸的控制信号。

5.根据权利要求1所述的一种变电站信息物理融合半实物仿真系统，其特征在于：所述一次设备行为数字仿真系统内部模块之间通过TCP/IP协议进行数据与控制命令的传输，所述智能终端模块和合并控制模块与采集反馈模块之间采用电气连接，所述采集反馈模块与一次设备行为数字仿真系统之间也采用电气连接。

6.根据权利要求1所述的一种变电站信息物理融合半实物仿真系统的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过数字仿真模块对一次设备运行状态、故障异常和依次开关设备驱动进行仿真模拟，并通过实时故障分析模块对仿真模拟故障数据进行采集分析；

步骤二、通过仿真计算模块根据变电站接线结构、元件参数对变电站一次设备的运行情况进行精确建模及准确计算，获得建模和计算数据；

步骤三、通过数据处理模块对建模和计算数据进行转化，转变合并控制模块接收的信息数据发送至合并控制模块，并由合并控制模块输出控制指令；

步骤四、通过采集反馈模块采集实际变电站设备输出的开关操作、跳闸保护和重合跳闸的控制信号以及通过智能终端模块采集状态数据，并将控制信号和状态数据上传反馈至数字仿真模块；

步骤五、再由数字仿真模块中的自动调整模块根据合并控制模块输出的控制指令结合采集反馈模块反馈的控制信号和状态数据对仿真的拓扑结构和运行参数进行自动调整，完成实时闭环回路仿真模拟。

7.根据权利要求6所述的一种变电站信息物理融合半实物仿真系统的仿真方法，其特征在于：所述数字仿真模块、实时故障分析模块、仿真计算模块和数据处理模块之间通过TCP/IP协议进行数据与控制命令的传输。

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