CN202488214U - 智能变电站仿真系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种智能变电站仿真系统，该系统包括：实时数字仿真装置、合并单元、智能终端、光电隔离装置、保护装置、监控装置，实时数字仿真装置模拟实际电力系统并输出二次电压、电流信号至合并单元，实时数字仿真装置输出电位信号、并经过光电隔离装置转换为节点信号后输出至智能终端，合并单元和智能终端分别发送报文，并通过光纤跳线方式将报文输出至保护装置，保护装置根据报文生成保护动作信号并输出至监控装置，监控装置根据保护动作信号监测仿真系统中各设备的状态，保护装置根据报文生成跳闸信号并发送至智能终端，智能终端根据跳闸信号跳开实时数字仿真装置中相应的断路器模块。

Description

智能变电站仿真系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统，具体地，涉及一种智能变电站仿真系统。

背景技术

随着IEC61850标准的实施，智能变电站已经成为未来变电站的发展方向与建设重点。不同电压等级、不同接线形式的智能变电站的网络传输性能、时钟同步的精确性、智能故障诊断等课题已经成为智能变电站亟待解决的关键问题。针对上述问题，有必要在实验室环境下建设一种具有灵活架构的智能变电站二次设备仿真测试系统。该系统应能根据实际需要快速调整架构，用以模拟不同电压等级、不同接线形式智能变电站的各种运行工况，在仿真环境下对站内主要二次设备进行各种性能测试。

目前，采用按一定比例制作的物理模型系统(可以称为动模系统)作为仿真变电站的一次模拟系统，该一次模拟系统与合并单元、智能终端的接口采用单一固定方式实现。一次模拟系统与过程层设备(包括合并单元、智能终端)、间隔层设备(如继电保护装置、测控装置、故障录波器等)以及站控层设备(如监控系统、保护信息子站等)共同构成一个完整的智能变电站仿真系统。但是，目前的智能变电站仿真系统存在如下问题：

(1)采用动模系统来模拟仿真变电站的一次系统，存在仿真规模小、试验周期长等缺陷，仿真变电站的一次系统结构不能适应灵活的一次系统接线方式，如单母运行方式、单母分段方式、双母线运行、双母分段运行、3/2接线方式的切换；

(2)一次模拟系统与合并单元、智能终端的接口采用单一固定方式实现，这种方法不能适应多种类型合并单元测试的需要，如某些合并单元的输入接口为数字输入方式、某些为传统的交流电气量方式(这种方式又分为PT/CT二次值输入、交流小信号电压输入)；

(3)过程层与间隔层设备之间的网络联接为固定方式，如保护装置A只能从合并单元A获得采样值，而合并单元A只向保护装置A传输采样值。当一次系统接线方式发生变化时，必然导致保护装置与合并单元、智能终端的连接方式发生变化，而该技术方案无法适应这种要求。

综上所述，目前的智能变电站仿真系统存在由于一次模拟系统与变电站二次设备接线方式单一而导致的测试范围较小的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例的主要目的在于提供一种智能变电站仿真系统，以解决上述的由于现有的一次模拟系统与变电站二次设备接线方式单一而导致的测试范围较小的问题。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供一种智能变电站仿真系统，该系统包括：实时数字仿真装置、合并单元、智能终端、光电隔离装置、保护装置、监控装置，所述实时数字仿真装置与所述的合并单元连接，所述光电隔离装置分别与所述实时数字仿真装置与智能终端连接，所述的合并单元、智能终端分别与所述的保护装置连接，所述的保护装置与所述的监控装置连接，所述实时数字仿真装置模拟实际电力系统并输出二次电压、电流信号至所述合并单元，所述实时数字仿真装置输出电位信号、并经过所述光电隔离装置转换为节点信号后输出至所述智能终端，所述合并单元和所述智能终端分别输出报文，并通过光纤跳线方式将所述的报文输出至所述保护装置，所述保护装置根据所述的报文生成保护动作信号并输出至所述监控装置，所述监控装置根据所述保护动作信号监测仿真系统中各设备的状态，所述保护装置根据所述报文生成跳闸信号并发送至所述智能终端，所述智能终端根据所述跳闸信号跳开所述实时数字仿真装置中相应的断路器模块。

上述的系统还包括：功率放大器，分别与所述的实时数字仿真装置和合并单元连接，所述功率放大器对所述实时数字仿真装置输出的二次电压、电流信号放大后输出至所述合并单元。

上述的实时数字仿真装置通过如下方式输出所述二次电压和电流信号至所述合并单元：所述的实时数字仿真装置将所述二次电压和电流信号转换为交流小信号电压量输出至所述合并单元；或者所述的实时数字仿真装置将所述二次电压和电流信号转换为SMV报文输出至所述合并单元。

上述的保护装置包括：母线保护单元、变压器保护单元、线路保护单元、母联保护单元、电抗器保护单元、断路器保护单元，分别与所述合并单元、智能终端采用点对点模式进行信息传输，其中，母线保护单元，用于保护母线；变压器保护单元，用于保护变压器；线路保护单元，用于保护线路；母联保护单元，用于保护母联；电抗器保护单元，用于保护电抗器；断路器保护单元，用于保护断路器。

上述的系统还包括：交换机，与所述的合并单元、智能终端、保护装置、监控装置分别连接，用于传输所述合并单元、智能终端与所述保护装置之间的交换报文、以及所述保护装置与所述监控装置之间的交换报文。

上述的系统还包括：报文分析仪，与所述的交换机连接，用于获取所述交换机传输的报文，并根据所述报文进行实时记录分析。

上述的系统还包括：故障录波器，与所述的交换机连接，用于在系统故障时获取所述交换机转发的来自合并单元、智能终端的报文，并根据所述报文形成录波文件进行故障分析。

上述的系统还包括：光纤转接盒，分别与所述合并单元和所述智能终端连接，用于以光纤跳线方式实现所述合并单元和所述智能终端、与保护装置之间的信号传输。

上述的系统还包括：主时钟装置，分别与合并单元、智能终端、保护装置、监控装置连接，用于为所述仿真系统提供对时功能，以保证各设备的准确运行。

上述的监控装置包括：多个主接线电路，用于分别对应所述实时数字仿真装置模拟实际电力系统中的多个一次接线方式。

借助于上述技术方案至少之一，通过实时数字仿真装置模拟实际电力系统，可以模拟不同状况的电力系统，通过光纤跳线方式将合并单元、智能终端、与保护装置连接，实现了光纤网络随接线方式的灵活变换，能够提高对智能变电站二次设备的测试能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的智能变电站仿真系统的结构框图；

图2是根据本实用新型实施例的智能变电站仿真系统的另一结构框图；

图3是根据本实用新型实施例的智能变电站仿真系统的又一结构框图；

图4是根据本实用新型实施例的智能变电站仿真系统的具体架构图；

图5是根据本实用新型实施例的RTDS输出信号至智能终端的电路示意图；

图6是根据本实用新型实施例的智能终端输出信号至RTDS的电路示意图；

图7是根据本实用新型实施例的合并单元及智能终端的配置示意图；

图8是变压器保护与合并单元智能终端的连接示意图；

图9是高压侧线路、高压电抗保护与合并单元、智能终端的连接示意图；

图10是500kV母线保护与合并单元、智能终端的连接示意图；

图11是断路器保护与合并单元、智能终端的连接示意图；

图12是继电保护装置与过程层设备之间设计光纤转接盒的连接示意图；

图13中变压器中压侧为单母分段接线电路示意图；

图14中变压器中压侧为双母线接线电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

由于现有技术中的智能变电站仿真系统存在一次模拟系统与变电站二次设备接线方式单一而导致的测试范围较小的问题，基于此，本实用新型实施例提供一种智能变电站仿真系统，以解决上述问题。以下结合附图对本实用新型进行详细说明。

本实用新型实施例提供一种智能变电站仿真系统，如图1所示，该系统包括：

实时数字仿真装置11、合并单元12、智能终端13、光电隔离装置14、保护装置15、监控装置16，其中，实时数字仿真装置与合并单元连接，光电隔离装置分别与实时数字仿真装置与智能终端连接，合并单元、智能终端分别与保护装置连接，保护装置与监控装置连接。

实时数字仿真装置模拟实际电力系统并输出二次电压、电流信号至合并单元，实时数字仿真装置输出电位信号、并经过光电隔离装置转换为节点信号后输出至智能终端，合并单元和智能终端分别发送报文，并通过光纤跳线方式将报文输出至保护装置，保护装置根据报文生成保护动作信号并输出至监控装置，监控装置根据保护动作信号监测仿真系统中各设备的状态，保护装置根据报文生成跳闸信号并发送至智能终端，智能终端根据跳闸信号跳开实时数字仿真装置中相应断路器模块。

由以上描述可以看出，通过实时数字仿真装置模拟实际电力系统，可以模拟电力系统多种典型主接线方式，通过光纤跳线方式将合并单元、智能终端、与保护装置连接，实现了光纤网络随接线方式的灵活变换，克服了现有技术中的接线方式单一的问题，能够提高对智能变电站二次设备的测试能力。

具体地，合并单元和智能终端分别输出smv采样报文及开关量goose报文，并通过光纤跳线方式分别将smv采样报文及开关量goose报文输出至保护装置，保护装置通过mms报文将生成的保护动作信号输出至监控装置，监控装置根据保护动作信号监测仿真系统中各设备的状态，保护装置通过goose报文输出跳闸信号并发送至智能终端，智能终端根据跳闸信号跳开实时数字仿真装置中相应断路器模块。

上述实时数字仿真装置可以是RTDS。

优选地，如图2所示，上述仿真系统还包括：功率放大器17，分别与实时数字仿真装置与合并单元连接，功率放大器对实时数字仿真装置输出的二次电压、电流信号放大后输出至合并单元。

上述实时数字仿真装置还通过如下方式输出二次电压和电流信号至合并单元：将二次电压和电流信号转换为交流小信号电压量输出至合并单元；或者，将二次电压和电流信号转换为SMV报文输出至合并单元。

也就是说，实时数字仿真装置中包含PT、CT模块，其二次电压、电流信号可通过三种方式送入具有不同输入接口的合并单元：(1)对于输入量为普通PT、CT的二次电压、电流量的合并单元，对此合并单元可通过RTDS将模型中的PT、CT的二次电压、电流信号送入功率放大器，经功率放大器放大后形成模拟普通PT、CT的二次电压、电流量后再送入具备该接口的合并单元；(2)对于输入量为交流小信号电压量的合并单元，对此合并单元可通过RTDS将模型中的PT、CT的二次电压、电流信号转为一定变比的±5V小信号电压量，通过RTDS自身的模拟量输出通道直接送入该类型合并单元；(3)对于数字输入的合并单元，可通过RTDS将模型中的PT、CT的二次电压、电流信号经模型中的IEC61850协议转换模块转换为相应报文，通过RTDS自身的网络通信接口送入该类合并单元。

如图3所示，上述的系统还包括以下至少之一：

交换机18，与合并单元、智能终端、保护装置、监控装置分别连接，用于传输合并单元、智能终端与保护装置之间的交换报文、以及保护装置与监控装置之间的交换报文，即，分别转发合并单元、智能终端、保护装置、监控装置输出的报文；

报文分析仪19，与交换机连接，用于获取交换机转发或传输的报文，并根据报文进行实时记录分析。

故障录波器20，与交换机连接，用于在系统故障时获取交换机转发的来自合并单元、智能终端的报文，并根据报文形成录波文件进行故障分析，即，在系统故障时获取交换机转发的采样及跳闸报文，并根据报文进行故障录波及分析；

光纤转接盒21，分别与合并单元和智能终端连接，用于以光纤跳线方式实现合并单元和智能终端、与保护装置之间的信号传输；

主时钟装置22，分别与合并单元、智能终端、保护装置、监控装置连接，用于为仿真系统提供对时功能，以保证各设备的准确运行。

以下给出一实例。

图4是智能变电站仿真系统的具体架构图，如图4所示，根据实际实验需要，RTDS构建变电站一次仿真系统，一次系统仿真模型中包含PT、CT模块，其二次电压、电流信号可通过上述描述的三种方式送入不同类型合并单元，一次系统仿真模型中断路器状态(分或合位置)信号由RTDS中开关量输出通道(输出信号为电位信号，高电位代表“1”，低电位代表“0”)送入光电隔离装置，经光电隔离装置转换为节点信号(节点闭合代表“1”，节点导通代表“0”)再送入智能终端，具体电路示意图如图5所示。相应地，智能终端的跳/合开关命令信号为节点信号，送入光电隔离装置并转换为电位信号后送入RTDS中开关量输入通道，具体电路示意图如图6所示，从而控制仿真系统中相应断路器模型的分/合闸操作。

在如图4所示的本仿真系统中，过程层设备包括多台合并单元(例如，数量为13)、和多台智能终端(例如，数量为8)，图7是合并单元及智能终端的配置示意图；间隔层设备包括多台保护装置，每台保护装置包括：母线保护单元、变压器保护单元、线路保护单元、母联保护单元、电抗器保护单元、断路器保护单元，分别与所述合并单元、智能终端采用点对点模式进行信息传输。其中，母线保护单元，用于保护母线；变压器保护单元，用于保护变压器；线路保护单元，用于保护线路；母联保护单元，用于保护母联；电抗器保护单元，用于保护电抗器；断路器保护单元，用于保护断路器。

在具体实施过程中，保护装置也可以称为继电保护装置，主要用于母线保护、变压器保护、线路保护、母联保护、电抗器保护、断路器保护，数量可以为13台。图8至图11是保护装置与合并单元、智能终端的连接示意图，其中，图8是变压器保护与合并单元智能终端的连接示意图，图9是高压侧线路、高压电抗保护与合并单元、智能终端的连接示意图，图10是500kV母线保护与合并单元、智能终端的连接示意图，图11是断路器(或称为边断路器)保护与合并单元、智能终端的连接示意图。

在该仿真系统中，所有设备都按照能满足各种不同主接线方式进行最大化配置，即不论接线方式如何改变，设备数都能满足要求。其中：

合并单元能够输出8路IEC60044-8(FT3)格式的采样值报文、8路IEC61850-9-2协议的点对点采样报文(即采用单光纤传输)以及1路9-2组网(即采用一对光纤传输)的报文；智能终端能够输出共10路GOOSE报文；每套保护装置均能接收8路FT3格式的采样值报文以及至少6路goose报文。

上述继电保护装置与合并单元、智能终端的信息传输网络采用点对点模式。在现有技术中，保护装置只能从配置好的合并单元及智能终端采集数据，合并单元、智能终端只能发送数据给特定的保护装置。而在本实用新型中，考虑到多种接线方式的调整，保护装置与合并单元、智能终端的连接采用了“光纤跳线”的方式来实现。

具体连接如图12所示，在继电保护装置与过程层设备之间设计光纤转接盒，将合并单元、智能终端的所有光纤输出口接至转接盒；同时保护装置的所有输入输出光纤口也接至转接盒。在试验时，根据一次接线方式，通过调整转接盒之间的光纤跳线，实现保护装置与过程层设备间的连接关系。

在智能变电站仿真系统中，监控系统与间隔层设备之间通过mms协议组网，通过测控装置采集一次系统PT、CT采样值及开关、刀闸位置状态，对开关刀闸进行遥控操作，并在主接线图中以图形化的形式显示各设备状态；此外，还采集保护装置的定值、压板、保护遥测、遥信、录波等信息，以检测各设备的状态。

智能变电站中，系统配置文件(scd文件)，描述变电站一次系统结构、通讯网络、各智能设备的输入输出信息以及设备间信息传递的内容。监控系统通过读取scd文件，与各装置建立关联，并通过mms服务从各装置读取测量值、定值、保护遥信等信息，并与主接线图中的元素进行关联，形成直观的可视化结果。

本该系统中，监控装置包括：多个主接线电路或多个主接线图及配置，用于分别对应实时数字仿真装置模拟实际电力系统中的多个一次接线方式。也就是说，系统主接线方式随试验要求而变，监控系统的主接线图及其配置也需要灵活设置。因此，该监控系统设计为多套主接线图，需要时进行切换；并且支持读取多个scd文件，方便与不同配置的保护装置关联。例如，图13中变压器中压侧为单母分段接线方式，图14中变压器中压侧为双母线接线方式，当试验需要由单母分段接线方式转为双母线接线方式时，监控系统可根据需要从单母分段接线方式切换为双母线接线方式。

报文分析仪及故障录波器通过过程层交换机与站控层交换机对全站SV、GOOSE、MMS网络报文进行实时记录分析，并可保存至少一周的全站数据；故障录波装置在故障时通过过程层交换机记录采样值报文及跳闸报文、保存为Comtrade录波文件并进行故障分析。

主时钟装置的时钟同步作用在变电站中具有重要作用：(1)通过变电站时钟同步，可为故障分析、监视控制及运行提供准确的时间依据；(2)在智能变电站中，精确时钟同步是电子式电流/电压互感器、智能断路器、合并单元、继电保护、测控单元等智能设备正确工作的关键；(3)智能变电站采用分布式采集，由合并单元输出的数字采样信号中必须含有时间信息，各合并单元输出的电压、电流信号必须严格同步，否则将直接影响保护动作的正确性，甚至在失去同步时要退出相应的保护。

在该仿真系统中，主时钟装置可对各类型的对时报文进行测试，保证对时精度满足变电站要求。该仿真系统还可接收GPS、北斗的授时信号，测试时钟精度，还可测试智能变电站的网络传输时延；可以用来测量和分析时钟、交换机、合并单元、保护、测控装置、智能表计的精确时间误差、报文传输时延，显示、分析报文内容。

该仿真系统可以按照智能变电站仿网络拓扑结构图搭建网络测试环境，组网后对智能变电站过程层、站控层等网络(SV网、GOOSE网、MMS网)经过采样数据流、分析数据流、构造数据流，分别发送极限流量和常规流量，测试出整站系统级的网络数据交换性能和功能，确保关键组网设备的功能和性能满足要求。

例如，如果在全智能变电站环境下对某类型数字式母线保护进行测试，根据本实用新型实施例搭建智能变电站仿真系统，将被测母线保护接入到该仿真系统中，在RTDS的变电站一次仿真系统中设置母线区内、区外各种故障，通过网络报文分析仪及录波器记录电压、电流波形及保护跳闸波形，检测该母线装置逻辑功能。

通过本实用新型技术方案，能够模拟全智能变电站环境，并能够根据具体需要灵活设置变电站一次系统结构，以及适应不同类型的合并单元，同时，应用本技术方案能够对不同类型的智能变电站二次设备进行全面的仿真测试，为保证智能变电站的安全稳定运行提供有力的技术支撑。

综上所述，本实用新型实施例的智能变电站仿真环境，构建了可调整的变电站二次设备接线方式，可以实现光纤网络随接线方式灵活变换，克服了现有技术中的接线方式单一的问题，可以实现不同主接线方式的仿真环境，能够提高对智能变电站二次设备的测试能力，增加仿真系统的测试范围。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能变电站仿真系统，其特征在于，所述的系统包括：

实时数字仿真装置、合并单元、智能终端、光电隔离装置、保护装置、监控装置，

所述实时数字仿真装置与所述的合并单元连接，所述光电隔离装置分别与所述实时数字仿真装置与智能终端连接，所述的合并单元、智能终端分别与所述的保护装置连接，所述的保护装置与所述的监控装置连接，

所述实时数字仿真装置模拟实际电力系统并输出二次电压、电流信号至所述合并单元，所述实时数字仿真装置输出电位信号、并经过所述光电隔离装置转换为节点信号后输出至所述智能终端，所述合并单元和所述智能终端分别输出报文，并通过光纤跳线方式将所述的报文输出至所述保护装置，所述保护装置根据所述的报文生成保护动作信号并输出至所述监控装置，所述监控装置根据所述保护动作信号监测仿真系统中各设备的状态，所述保护装置根据所述报文生成跳闸信号并发送至所述智能终端，所述智能终端根据所述跳闸信号跳开所述实时数字仿真装置中相应的断路器模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

功率放大器，分别与所述的实时数字仿真装置和合并单元连接，所述功率放大器对所述实时数字仿真装置输出的二次电压、电流信号放大后输出至所述合并单元。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的实时数字仿真装置通过如下方式输出所述二次电压和电流信号至所述合并单元：

所述的实时数字仿真装置将所述二次电压和电流信号转换为交流小信号电压量输出至所述合并单元；或者

所述的实时数字仿真装置将所述二次电压和电流信号转换为SMV报文输出至所述合并单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的保护装置包括：母线保护单元、变压器保护单元、线路保护单元、母联保护单元、电抗器保护单元、断路器保护单元，分别与所述合并单元、智能终端采用点对点模式进行信息传输，其中，

母线保护单元，用于保护母线；

变压器保护单元，用于保护变压器；

线路保护单元，用于保护线路；

母联保护单元，用于保护母联；

电抗器保护单元，用于保护电抗器；

断路器保护单元，用于保护断路器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

交换机，与所述的合并单元、智能终端、保护装置、监控装置分别连接，用于传输所述合并单元、智能终端与所述保护装置之间的交换报文、以及所述保护装置与所述监控装置之间的交换报文。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

报文分析仪，与所述的交换机连接，用于获取所述交换机传输的报文，并根据所述报文进行实时记录分析。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

故障录波器，与所述的交换机连接，用于在系统故障时获取所述交换机转发的来自合并单元、智能终端的报文，并根据所述报文形成录波文件进行故障分析。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

光纤转接盒，分别与所述合并单元和所述智能终端连接，用于以光纤跳线方式实现所述合并单元和所述智能终端、与保护装置之间的信号传输。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

主时钟装置，分别与合并单元、智能终端、保护装置、监控装置连接，用于为所述仿真系统提供对时功能，以保证各设备的准确运行。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的监控装置包括：多个主接线电路，用于分别对应所述实时数字仿真装置模拟实际电力系统中的多个一次接线方式。

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