（电气工程专业论文）内蒙古500kv变电站仿真培训系统设计与研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文内蒙占5 0 0 k v 变电站仿 真培训系统设计与研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在 导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：芝2 = = 2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或f m 弼；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用f i 同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名粹例 日 期：坦2 二! 二? 日 期：1 2 ：生：! 口 华北i u 力大学工氍硕i ：专q k 学位论文 1 1 论文的意义及来源 第一章绪论 1 1 1内蒙古5 0 0 k v 电网的现状 近年来内蒙占电力工业发展迅速，随着电网及电源点项目的建设，内蒙占电网 容量不断扩大，到2 0 0 6 年年底，内蒙占电恻装机容量达1 7 9 4 4 7 8m w 。西起内蒙 占阿拉善盟，东至锡林郭勒盟的5 0 0 k v 长链碰双回路主网架已初步形成。到目前为 止，已投入运行1 0 座5 0 0 k v 变电站，今年将开工建设3 座5 0 0 k v 变电站，均计划 于年内投产。 1 1 2 论文的意义 通过对近年来电力系统发生事故的分析，不难看出；由于运行人员走错间隔导 致的误操作事故、因为设备缺陷和异常未能及时发现造成的事故以及事故发生后处 理不当使事故范h 司扩大等情况较多。所有这些情况都反映了变电运行人员的技术水 平与实际运行要求存在差距。 目前，变电运行人员的技术培训主要依赖于长期的- 亡作实践，而现场的运行设 备足不能随意操作的，并且仅有的一些技术工作大多由生产骨干来完成，这使多数 运行人员得不到足够锻炼机会。当事故发生后，变电运行人员由于情绪紧张、手忙 脚乱，容易造成误判断，甚至会发生由于误操作而造成事故扩大化的可能。为了降 低电力系统的事故率，并在事故发生后能够迅速、准确地处理，而不至于扩大事故 范围，就要大力提高变电运行人员的运行技术水平。 现在对变电运行人员的培训基本上足采取理论学习和在变电站跟班学习的方 法进行。这种方法虽然足必要的，但是由于变电站中的事故和不正常现象出现的土】 期长，运行人员遇到的机会不多，更不用说有多次机会来积累处理事故经验了。受 训人员一旦真正担负起值班运行人员的l | ： 责，往往对一些临时操作和事故处理显得 束手无策，时常出现误操作和事故扩大等严重后果，造成不可挽回的经济损失和人 身伤亡等恶性事故。 变电仿真培训系统把先进的计算机技术和电力系统仿真技术相结合。运行人员 _ | ；北电力大学t 砟硕上业学位论文 可在仿真系统上接受培训，对于正常操作和在实际设备上很少发生的而又必须准确 无洪进行处理的故障，都可以在变电培训仿真系统上灵活地反复操作练习，使受训 者在短期内成为合格运行人员。变电培训仿真系统可以比较完整地逼真地实时模拟 各种现象、环境气氛、参数状态变化等，使受训者如同亲l 晦其境，临场感强，特别 是可以复现变电运行人员难以遇到的事故现场，这一点对培养变电运行人员事故处 理能力尤其可贵。同时，变电培训仿真系统可以实时反映变电站正常操作和事故对 整个电力系统的影响，这对培养运行人员的系统概念、全局概念是很有帮助的。因 此，使用变电培训仿真系统，可以高效率地培养合格的变电运行人员。 1 1 3 课题来源 论文研究的内蒙古5 0 0 k v 变电站仿真培训系统是内蒙占超高压供电局2 0 0 4 年 向内蒙古电力公司申报的项目，2 0 0 5 年获得批准立项，经过可行性研究、项目论证 等程序，于2 0 0 6 年年初开始实施。 1 2 变电培训仿真系统的现状及特点 变电站仿真培训系统的研究开发己经有多年的历史，在查阅了国内外相关文献 并研究分析电力系统变电仿真培训系统的发展现状可以看出，按仿真系统的规模和 复杂程度主要可分为三种类型变电仿真系统：孤立变电站型的变电培训仿真系统、 考虑简单电网的变电培训仿真系统、考虑复杂电网的变电培训仿真系统。按仿真系 统有无硬件屏盘可分为二种类型变电仿真系统：硬仿真系统和软仿真系统。 1 ) 孤立变电站型的变电培训仿真系统 优点是造价相对较低。缺点是系统方式变化时不能反映相应电气量所进行的变 化，线路保护配合无法完成，无法考虑电网调度员与变电站运行人员综合训练，包 括术语、规范、汇报、执行命令训练等；不能完整地仿真整个变屯运行生产过程。 2 ) 考虑简单电网的变电培训仿真系统 优点是功能比孤立变电站型的仿真系统功能略强。缺点是电网模拟不真实，系 统运行方式变化时，只能反映直接相关设备的电气奄变化趋势，为避免出现错误结 论彳1 j 时需要程序对运算结果进行修正；并且简单电网的变电培训仿真系统无法考虑 系统故障后的动态过程；同时孤立变电站型的仿真系统的缺点它也存在一些。 3 ) 考虑复杂电网的变电培训仿真系统 优点：可以考虑电网和变电站之问的相互影响，可以实现伞网保护，自动装置 配合：可以对整个电力生产过程进行全仿真，符合变电运行的实际生产过程；可以 对变电站运行人员和地区电网调度员进行综合训练。缺点是电嘲参数收集困难，开 华北电力大学工程硕j ：号业学位论文 发工作量大，技术难度高，开发周期相对较长；另外由于计算复杂，对计算机硬件 要求很高，投资高。 4 ) 硬仿真系统 优点：有实际的现场设备，比较直观，现场感强。缺点：由于有大量的硬件设 备，工程造价高，维护工作量大，运行费用高；同时，不易于扩展、升级；另外， 由于受硬件的制约，有一些功能不易实现；无法模拟所有电气设备，户外一次设备 只能采用替代品。若使用生产改造中替换下的设备，则系统中已无或仅有少量此类 设备运行，在此类设备上培训对运行指导意义不大，且因设备即将淘汰，学习人员 缺乏兴趣，培训效果差。 5 ) 软仿真系统 镑安击于软仿真系统晦毒箱制车是采用计算机的图形图像、多媒体技术和虚拟 现实技术将变电站的主控制室和户外一次设备呈现在计算机的显示器上，设备控制 及逻辑关联都是由软件实现。优点是系统的工程造价低，运行费用低，维护工作量 小；易于扩展、升级，适应性强。缺点是由于采用全软件的仿真形式，直观性相对 较差，现场感相对不够强烈。但随着计算机i 圣 肜图像、多媒体技术和虚拟现实技术 的发展与进步，使得仿真程度极大提高，较大程度弥补了这方面的不足。 电力系统仿真技术经过多年的研究发展，不同的研究机构及应用部门开发了一 些系统，并形成许多成果，各自具有不同的特点，其中有些方面对本论文有借鉴意 义。以下为部分文献特点： 文献l 中所介绍的5 0 0 k v 变电站仿真系统采用微机交互式分时一嘲络软硬件结 合的体系结构、随机状态网络拓扑和故障分布系数实时算法，研制j r 建立在l i n u x 环境下的多用户仿真支撑系统，运用多媒体、图形画面技术实现了对变电站一、二 次设备和就地设备的全仿真。 文献3 、1 2 中在分析电网仿真培训系统发展现状和存在问题的基础上，提出了 建设结合电刚的变电站综合仿真系统的必要性以及仿真培训系统的发展趋势；文献 1 2 中构想的仿真系统采用先进的分布式软件支撑平台技术，硬件应采用一体化方式 设计，能保证将变电站仿真系统和地区电网调度仿真系统有机地结合起来，使系统 能够真实地反映电刚和变电站监控系统的相互作用关系，能够同时对电网调度员、 变电站监控运行人员进j j 联合培训。 文献1 3 中介绍了电力系统仿真技术的现状，讨论了现有电力系统数字仿真软 件和系统的发展趋势。认为随着电力系统的发展和f a c t s 等新技术的应用，电磁 暂念与机电暂态混合仿真、全过程动态仿真和大规模实时仿真系统将是我国电力系 统仿真技术的主要发展方向。 文献1 5 中结合应用在南京、苏州的2 套仿真培训系统的研制，阐述了变电运 华北l 过j 大学t 程硕j j 专业学位论文 行仿真培训系统的开发方向、基木功能和章要需求。并指出了变电运行培训软件仿 真系统歼发要以2 2 0 k v 及以f 变电站监控中心和5 0 0 k v 变电站为仿真对象；提出仿 真要细腻逼真，充分反映现场设备的逻辑关联同时要具备远程培训功能。 文献1 7 中介绍了应用三维i 圣i 形技术为变电站仿真系统构造虚拟环境能大大提 高变电站场景的真实感。文章研究了基于三维图形技术的变电站交互场景仿真的关 键技术，给出了基于电气连接特性构造虚拟场景树型层次组织的方法。 文献2 3 中分析了新形势下5 0 0 k v 变电站仿真系统的功能要求，讨论了变电站 仿真系统几个主要问题的解决方案，提出了将实时仿真这一新的仿真模式应用到变 电站仿真系统的设想。 文献2 6 介绍了一种通用的基于a c t i v e x 技术的变电站多媒体仿真培训系统构 建平台。文中介绍该平台具有通用性强、易维护、实用性强等特点，利用该平台用 户可以根据需要容易地构建针对某一具体变电站的仿真培训系统，大大缩短了变电 站仿真培训系统的开发周期。 1 3 本文的主要工作 本文在综合分析了国内变电仿真培训系统的现状及特点的基础上，以内蒙古目 前运行的5 0 0 k v 变电站为对象，从变电运行人员对5 0 0 k v 变电站仿真培训系统的应 用需求出发，完成了内蒙占5 0 0 k v 变电站仿真培训系统的总体设计方案，该方案已 通内蒙占电力公司审核，进入实施阶段。论文的具体工作如f ： 1 ) 仿真系统以内蒙占5 0 0 k v 变电站为主要对象，并兼顾内蒙占5 0 0 k v 电刚的 软仿真模式。针对实现变电运行人员全过程培训的目的和应用需求，提出仿真培训 系统的设计原则和仿真范围，同时制定仿真系统中各元件的模型选择模式。 2 ) 为降低维护及扩充成本，采用模块化的典型站组态工具的设计理念，系统 采用图模库一体化仿真支撑平台。 3 ) 采用3 d sm a x 进行现场设备三维建模，通过o p e n g l 软件调用3 d sm a x 形成的模型来实现虚拟场景( 包括一、二次设备) 和人机交互，提高仿真逼真度。 4 ) 引入实时数据的变电站仝工况仿真和远程培i j i l 提高了仿真系统性能和培i ) i i 方式的灵活性。 5 ) 制定了仿真系统软、硬件配置方案，并提出了硬件设备选型建议和软件系 统的配置参考。 华北电j 大学t 程硕i ：号业学位论文 第二章变电站仿真培训系统总体方案设计 2 1 仿真对象概述 2 1 1内蒙古5 0 0 k v 电网简述 截止2 0 0 6 年年底，内蒙占电网永圣域、乌海等l o 座5 0 0 k v 变电站先后投入运 行，初步形成西起阿拉善盟，东至锡林郭勒盟的5 0 0 k v 长链璎双回路主网架，并通 过5 0 0 k v 丰万双回线同华北电网联网。内蒙占5 0 0 k v 电网地理接线如图2 1 所示： 图2 - 1 ：内蒙古5 0 0 k v 电网地理接线 2 1 25 0 0 k v 变电站基本情况及特点 内蒙占电网目前投入运行或已开工建设的5 0 0 k v 变电站均为综合自动化站，分 5 0 0 k v 、2 2 0 k v 、3 5 k v 三个电压等级：5 0 0 k v 系统为3 2 接线方式，2 2 0 k v 系统为 双母线双分段( 或单分段) 接线方式，主变压器3 5 k v 侧为单母线带无功设备及一 台站用变接线方式，另外引3 5 k v 线路带0 挣站用变作站用电备用电源。 华北i b 力大学工程硕 业学位论文 2 2 仿真模式的选择及仿真范围考虑 开发5 0 0 k v 变电站仿真培训系统的主要目的是培训5 0 0 k v 变电运行人员，使其 全面了解和掌握变电的生产运行知识、实际操作技能，提高正确快速处理变电事故 的能力。基于电网5 0 0 k v 变电运行人员仿真培训的实际需要，同时考虑内蒙占5 0 0 k v 电网及变电站的特点，内蒙古5 0 0 k v 变电站仿真培训系统采用全软件的仿真模式实 现。 本仿真培训系统是以内蒙占5 0 0 k v 变电站为主要对象，并兼顾内蒙占5 0 0 k v 电 网进行仿真。主要有三方面内容：一是从已运行的l o 座5 0 0 k v 变电站选取5 0 0 k v 永圣域变电站进行详细仿真；二是建立典型站组态仿真工具，可用其搭建成用户所 需的任意复杂的5 0 0 k v 变电站仿真模型；三对内蒙占电网5 0 0 k v 电网进行整体仿真， 实现全网继电保护和自动装置的实时配合。本仿真系统设计原则如下： 1 ) 本仿真系统按照统一规划，分步实施的设计原则进行，可以逐步扩充系统的 容量和功能；能随着变电站一二次设备的改变而灵活改变；采用设备级的模块化组 件，根据实际需要进行灵活方便的组态，可形成内蒙占电网目前运行的5 0 0 k v 变电 站以及国家电网公司5 0 0 k v 变电站典型设计中所列典型5 0 0 k v 变电站的仿真模 型。 2 ) 仿真系统的变电一、二次设备，要以其实际工作原理制作数学模型，制作成 标准化的仿真设备模块，同类模块具有相同类型的输入输出参数，具有图模库体 化功能，可不通过编程进行搭配、组合，可根据变电站的接线方式，搭建出标准配 置的5 0 0 k v 变电站的初期、中期及远期建设规模。 3 ) 采用图模库一体化建模方式，具备方便、灵活的修改、扩充、升级功能，根 据新建和改造变电站的具体实际情况，能对仿真培训系统的仿真范围和功能进行灵 活、方便的修改和扩充，以随时跟踪变电站实际运行情况。 4 ) 具备完善的变电运行人员全过程培训考核功能，提供智能的培训评价考核系 统，满足变电运行和管理等相关专业人员理论和技能考核、比赛要求。 5 ) 仿真系统应具备多种方式的培训功能，当地主站集中方式和异地分站分散方 式。 6 ) 系统所有模块接口符合规范标准，满足不同厂家进行远期内蒙占电网整体仿 真培训系统的开发要求。 华北t 乜力大学t n 硕l 争业学何论文 2 - 3 变电站仿真 5 0 0 k v 永圣域变电站位于呼托公路4 l k m 处，是内蒙占电网第一座5 0 0 k v 综合 自动化变电站，分为5 0 0 k v 、2 2 0 k v 、3 5 k v 三个电压等级：5 0 0 k v 系统为3 2 接线 方式，当前出线6 回，远期规划1 0 回：2 2 0 k v 系统为双母线单分段接线方式，当前 出线8 回，远期规划1 2 回；l 台7 5 0 m w 主变压器，远期规划为3 台7 5 0 m w 主变 压器；主变3 5 k v 侧为单母线接线方式带3 组低抗及1 台站用变，另外引3 5 k v 线路 带o 撑站用变作站用电备用电源。永圣域站是内蒙占电网重要的枢纽变电站，主接线 图见附录图a l 。 2 3 1一次设备 一次设备模型包括变压器、开关、刀闸、互感器、电容器、电抗器、阻波器、 母线、避雷器、耦合电容器、结合滤波器、站用变压器等设备。一次设备采用三维 模型进行仿真，设备外观、瓷套、引线、油位、表计、指标等都进行仿真，其中可 观测是和可操作把手、开关均与二次设备及监控系统等相关环境关联。例如当断路 器、隔离开关的操作把手切换置就地时从监控系统不能操作，操作机构发生故障或 异常时，该设备不能正常操作或拒动；变压器温度随负荷和环境温度的变化；冷却 系统的投入或退出对变压器温升的影响等。 2 3 2 继电保护 继电保护采用分敞布置方式，就近没置= f5 0 0 k v 保护小室、2 2 0 k v 保护小室、 主变及无功保护小室等。保护装置设立的仿真模型包括目前内蒙占5 0 0 k v 变电站内 用到的线路保护、母线保护、变压器保护、电抗器保护、电容器保护、断路器保护 等各种类型保护、断路器辅助操作箱等。 i ) 采用定值启动仿真方式及保护动作原理建立继电保护设备的仿真模型：能实 现保护定值的修改及打印输出功能； 2 ) 根据每种保护的输入量、输出量及工作原理建立其仿真模型，正确反映保护 的启动、动作、复归、时间等特性； 3 ) 保护的动作行为应符合保护定值整定和压板的投退，例如，当一套保护装置 退出运行( 电源关闭或压扳退出) 时，发生故障，该保护装置拒动； 4 ) 保护装置的出口回路、信号湿示及跳闸报告的内容能正确反映保护的启动、 动作行为； 5 ) 继电保护及自动装置应保证其动作特性、复归特性和时间特性与实际装霞一 华北t 乜力大学工f 2 硕l 专、i k 学位论文 致： 6 ) 继电保护或自动装置的运行操作、启停、切换、定值调整和信号复归( 小开 关、压板、端子、键盘、按钮等) 与实际装置一致； 7 ) 在正常、异常或事故情况下装置的信号、表计和液晶显示与现场一致，并引 发后备或上一级保护动作： 8 1 模拟保护通道故障、t v 回路断线等故障保护能正确显示告警信号； 2 3 3 故障录波器及安全自动装置 故障录波器及安全自动装置模型包括内蒙占5 0 0 k v 变电站内用到的各种类型故 障录波器( 南京银山y s 一8 8 、成都府河l r 2 0 0 0 、武汉中元z h 一2 、南京能发r f w 2 0 0 等) 、失步解列、主站区域切负荷装置等安全自动装置。装置所采集的各种模拟量、 开关量应来源于相应回路电压、电流及开关变位、保护出口信号，通过装置可以显 示、查询、打印输入量数值和故障波形，并实现定值启动录波，安全自动装置动作 后可发出相关切负荷信号或跳相应开关信号及命令。 2 3 4 监控系统 变电站监控系统实现北四方c s c 2 l o o 或南瑞n s 2 0 0 0 系统的仿真，具备相应监 控系统的监测、操作、报警、报表存储打印等所有功能和一致的人机界面，并可根 据需要增加新类掣监控系统的仿真。 2 3 5 防误闭锁系统 防误闭锁系统包括微机五防系统、相应电脑钥匙、程序锁和有关电脑钥匙验电 接口等组成，仿真实际操作及电脑钥匙验电解锁功能及步骤。其中微机五防系统能 实现内蒙占5 0 0 k v 变电站目前运行珠海优特u t - 2 0 0 0 微机五防系统的完全仿真，具 备相应的闭锁逻辑、开操作票及闭锁解除等所有功能和一致的人机界面。 2 3 6 通信系统仿真 具有对线路保护、安自装置等通信通道状态的监测功能，并能进行通道的正常 及故障状态( 通道断开、通道衰耗大误码率离) 模拟。 2 3 7 站用电系统仿真 站用电系统模型包括站用变压器、站用高低压母线、高低压开关、刀闸、t a 、 负倚及所属控制、测量和信号刚路。能够正确反映站用变各侧的电压、电流关系； r 华北电力大学丁手几顺l 专业学位论文 正确反映站用电系统开关、刀闸操作，站用电失电及备用电源投入等情况。 2 3 8 直流系统仿真 直流系统模型包括直流屏、蓄电池、高频开关电源、充电设备和直流系统绝缘 监察装置。高频开关电源、浮充电设备的运行特性与实际设备相同；能进行操作切 换，模拟对蓄电池组均充电和浮充电运行方式；调节直流母线电压、蓄电池充放电 或断路器合闸等，表计显示正确；能反映直流系统运行情况；设置直流系统故障( 直 流回路断线、直流接地等) 时，绝缘监察装置表计指示正确。 2 4 典型站组态仿真工具 通过仿真模型软件，建立目前内蒙占电网2 2 0 k v 、5 0 0 k v 系统主要的一、二次 设备模型组件库，利用任意设备的组件建立一个5 0 0 k v 典型站，并通过对其增减或 更换设备组件，可组态形成内蒙占现有和将来耍投运的典型5 0 0 k v 变电站，并对一 次和二次设备及安全自动装置等进行方便灵活多样的配置，以满足不同需求的培训 要求。 典型站设计形式包括内蒙占现运行5 0 0 k v 变电站及国家电网公司5 0 0 k v 变电 站典型设计要求，其中主接线肜式及规模如下： 5 0 0 k v 系统：采用一个半断路器接线，远期规模7 串，主变1 4 台( 其中2 组进串，后2 组经断路器上母线) ，最终出线1 0 1 2 回。 2 2 0 k v 双母线双分段接线，最终出线1 6 回。 无功补偿装置：5 0 0 k v 线路可设l5 0 m v a r 并联电抗器+ 中性点小电抗器，考虑 母线高压电抗器。每组变压器3 5 k v 单母线接线，配置2 3 组6 0 m v a r 并联电抗器、 2 3 组6 0 m v a r 并联电容器。 站用电系统：终列规模没2 台3 5 k v 站用工作变压器，电源分别取自2 台进串 的主变压器低压侧，另设1 台3 5 k v 站用备用变压器，备用电源取自站址附近l l o k v 或2 2 0 k v 变电站。对于每台站用变压器设一段3 8 0 2 2 0 k v 工作母线，备用变接入备 用段母线，备用段母线通过2 台分段断路器分别与2 段工作母线相连，正常运行时 断开，当工作段母线失压，分段断路器自动投入( 通过备自投装置) 。 本仿真系统中设置的典型站以内蒙占电嘲现运行5 0 0 k v 变电站的中后期规模设 置。主接线图见附录图a 2 。 华北电力大学1 ? 硕i 。专业学似论文 2 5电网仿真 电网仿真按照2 0 0 6 年内蒙占电网5 0 0 k v 系统主网架进行仿真，构造与实际系 统相一致的仿真电网，其中的5 0 0 k v 变电站利用典型站组态仿真工具进行搭建。仿 真范围包括： 1 ) 内蒙占5 0 0 k v 电刚的全部电气系统； 2 ) 与5 0 0 k v 详细仿真站相连的2 2 0 k v 变电站； 3 ) 对于内蒙古内部的其它厂站进行等值处理，对于内蒙占外部电网进行动态 等值形成外部等值电网； 4 ) 仿真范围内的各电气元件的继电保护和自动装置的仿真。 2 65 0 0 k v 变电站的全工况仿真 利用变电设备仿真模型实现内蒙占电网5 0 0 k v 变电站的实际主接线及二次设 备配置进行组态并以相应的5 0 0 k v 输电线路( 以简单的线路参数制作数学模氆进行 仿真) 相联接形成内蒙占电网5 0 0 k v 变电站的全工况仿真，系统要求具备很强的适 应性和灵活性。 1 ) 仿真系统通过路由器和通信服务器与5 0 0 k v 变电站s c a d a 监测系统联接， 并接收其5 0 0 k v 变电站实时信息。 2 ) 采集的运行5 0 0 k v 变电站数据应包括模拟量、开关量，并增设 三设备保护 跳闸及保护通道告警的信息。 3 ) 仿真系统可在正常情况下提供与实际运行变电站情况相同的工况画面( 只 包括2 2 0 k v 及5 0 0 k v 系统) ，满足变电运行人员的正常监盘培训。 4 ) 仿真系统在机理上与实际系统一致，无论在正常操作或事故状态下仿真模 型中电流、电压、潮流等数据的计算结果均符合电路定律及电力系统暂态、稳态变 化趋势。发生的现象与变电站实际设备情况相符。 5 ) 5 0 0 k v 线路相联系的变电站模璎，系统在正常情况或运行方式发生变化( 正 常操作或事故跳潮等) 时，两侧模璎动作情况及潮流变化情况符合实际。 6 ) 具有相关联变电站培训及联合事故演习功能。 f 北电力大学工f 7 硕l 专、l k 学位论文 3 1概述 第三章变电站仿真培训系统模型设计 对于客观事物的仿真，为了真实的描述事物本身的客观特性不仪对于被仿真对 象本身的建模是非常重要的，对于事物本身所处在的环境的模拟同样重要，否则不 足以描述被仿真对象的动态特性，这是仿真系统应该重点考虑的一个问题。 被仿真电网( 以下称为内网) 实际也不是独立的，而是整个电网的一部分，外 部电网也会影响到内部电网的动作特性，为了准确描述内部电网的物理特性也必须 在一定程度上保留外网的关键部分。 同样变电站作为电网中的一部分不足孤立存在的，主要作用是服务于电网的稳 定、安全运行，其动作与操作的根据都来源于电网的状态，所以电嘲信息的准确与 否也真接影响了变电站内各种设备或装置动作是否正确，变电站的操作及动作状况 也会直接影响电力系统运行状态，所以电网与变电站间是一个有机的整体，不能分 开。 所以整体设计模型在详细模拟内部电嘲的基础上，应保留外部电网的 三网架结 构和邻近的及重要的出力和负荷，保证电网计算的准确性。通过电网内的开关、刀 闸与t a 、t v 模拟完成电网与变电站电气设备的联接，形成实际意义的整体结构。 3 2 电网模型设计 电网仿真是整个仿真培训系统的基础和关键，为变电站仿真提供正确的潮流数 据和保护动作信息，并反映各变电站之间相互作用和相互影响，同时电网仿真还担 负着整个仿真系统的时问推进的任务。在电网仿真中，采用动态等值方法对外网进 行化简，保诅：整个电嘲仿真的准确性，并建立电力系统各元件的动态数学模型，采 用暂态、中期、长过程一体化计算方法，实现对电网的全动态模拟。采用定值比较 和逻辑判别相结合的方法进行继电保护和自动装置的模拟，实现全网保护和自动装 置的实时配合。 华北i 乜力大学工 7 硕l 专业学位论文 3 2 1电力系统模型 发电机模型：直接接入本网的均为火电厂，常规火力发电机组的模型能在经典 到五阶模型之间切换，系统内的每台机组可以分别选择不同的计算模型。对于本网 的发电机和对本网影响比较大的发电机采用高阶动态模型，对于外网中对本网影响 比较小的发电机采用低阶动态模型。 负荷模型：考虑负1 奇的电压特性和频率特性，其定值可以由用户根据实际情况 自由修改。 线路采用集中参数模型：采用经典的n 型线路模型，对于5 0 0 k v 线路考虑其并 联高抗及容升效应。 母线模型与实际电网中的各种母线( o h3 2 接线、双母线分段、单母线等) 有相同 的结构，并保留实际母线的编号。 开关、刀闸模型：开关、刀闸用无阻抗支路模拟，而不是采用小电阻支路的方 法，能计算所有开关刀闸上流过的三相潮流。主要参与网络拓扑结构变化。 可设置和模拟开关非全相操作，计算各栩电流和电压。 变压器模型：采用兀型等值电路，考虑变压器有载无载调压特性。 电抗器电容器模型：都用一个接地支路来模拟，其电抗值为正值负值。 故障模型：线路及母线故障分为单相接地、两相接地、两相短路、三相短路、 单相断线、两相断线以及各种复故障。变压器及高压电抗器的故障，发电机故障。 故障的定义应灵活方便，故障点可以选在系统的任一节点，或支路上的某一点( 位 置可以任意设定) 。 3 2 2 网络拓扑模型 在培训仿真中，不断有开关和刀闸的操作，某些开关和刀闸操作后，可能会引 起网络结构的变化，即网络的独立节点数发生变化，并可能分解成若干子网络。快 速准确地跟踪网络的结构变化，为系统的潮流和频率计算准备合理的数据，是至关 重要的。 本模型采用快速广度优先搜索的方法f 22 1 。该方法基于图论原理以母线为顶点， 母线间或线路两端开关为边构成的图来描述，建立反映罔顶点和边关系的三个单维 数组，进而建屯起节点一开关的分配表，并以此为基础建立搜索表。在实时网络拓 扑时，先在每个厂站内部根据开关状态归并各原始结点为新节点，然后在系统范围 内根据各元件与新结点的连接情况决定网络的结构。 根据各刀闸与开关的操作( 包括投入、退出等倒闸操作和事故跳闸等) 对新旧 结点关联表所产生的影响，对每一次开关和相应刀闸动作做相应的检查和判断。若 华北电力大学工柠硕l ：专业学位论文 开关动作对新旧节点关联表没有影响，则小必进行后山i 的全网搜索；否则，表示开 关动作后网络结构发生变化，则需要进行全网搜索。根据新旧节点关联表来削断各 母线与线路的联通状况并判断解列情况，将系统中节点按解列情况分成不同的子系 统，判断各子系统中电器元件的连通情况以及各个独立子系统是否有源，以便在动 态模拟中加以处理，其中有源与无源独立子系统的存在不影响动态计算。 3 2 3 外部电网等值 由于内网不是单独存在的，是整体电劂的一部分，外网对于内网有很大的影响。 从整个电网运行上看，外网操作与故障会波及本网，本网操作与故障也可能影响外 网。在电气计算上不模拟外网，不计外网的发电、负荷与网络，会导致本网内频率 和联络线潮流计算结果的失真。本系统采用动态等值技术将外部网络进行化简。等 值原则如下： 对内蒙古5 0 0 k v 电网系统影响比较大的外部电网全部保留，而影响比较小的外 部电嘲部分采用动态等值技术进行化简；等值发电机组考虑各被等值机组的电气参 数与转动惯量：等值负荷考虑各被等值负荷的有功、无功及负荷综合特性。 采用上述的等值原则，可以逼真地模拟内蒙占电网与其外网之间的相互作用和 相互影响，并能够正确对内蒙占5 0 0 k v 电网在各种运行方式下进行仿真、分析和研 究。 3 3 变电站模型设计 5 0 0 k v 变电站，站内没备以元件为单位，元件个体功能独立通过二次设备相互 联系形成一个整体。根据这种性质，将变电站各元件分为两部分：一为以个体结构 为主的结构部分，一为以动作联系为主的整体逻辑部分。 i ) 个体结构部分：是元件本体结构为主，以多媒体为表现手段，根据相关工 作特点建立巡视、操作点，仿真工作环境与处理环境。 2 ) 逻辑部分：根据各元件间的配合关系，通过基本原理算法，由模块自由搭 接，形成满足动作要求的动态逻辑系统，这种方式可以适应电力系统的发展与变化， 使系统能长时间满足培训的需要，避免了过去系统刚开发完成便被淘汰的局面。 3 ) 建模方法：使用算法模型按元件原理建立元件的独立模型，并给出相应的 输入与输出接口。用通用算法按实际动作逻辑连接各种元件接口形成有机动作的整 体。 通过算法建立的设备模型可以客观表现出设备应有的动作行为，保护及自动装 置会根据模璎的计算结果的正确动作。这样的仿真方式是以实际装置原理为蘑础 l3 华北i 乜力大学丁拧顺：0 业学f 节论文 的，保护及自动装置启动采崩定值比较法，满足客观实际情况，避免了采用逻辑启 动的缺点。 3 4电网和变电站模型整体解决方案 3 4 1实际系统的电网与变电站间的交互情况 电网与变电站之间的交互如图3 一l 。电网结构的改变是通过二次设备的自动装 置产生的跳闸令或经过操作令将开关或刀闸跳开，即改变了电网结构。二次设备中 的保护及自动装置是根据电网状态量进行动作，产生报警、动作等行为。 图3 1 ：电网与变电站之间的交互关系示意罔 3 4 2电网模型实现 隰 隹圈 1 ) 电网计算模型以节点导纳矩阵为基础，可以直接提供任何个计算节点的 序嘲电压量、序网电流量及频率最，通过电流互感器( t a ) 、电压互感器( t v ) 等 电网状态量传递给站内保护及自动装置，这些装置将会根据原理和其之间的配和正 确动作。 2 ) 电网中的开关和刀闸以双端元件的方式存在于电网计算模型中，并且可以 通过编号准确无误的访问指定的开关或刀率j ，并且改变开关或刀闸状态生成新的电 网拓扑结构。 从上述两点可满足一次、二次系统问配合的需求。图3 2 为电网拓扑结构发生 变化时，相关模型数据联接解决方法框图。 华北电j 大学i ：拧硕l # 业学位沦文 图3 2 ：电网模犁与变电站模型联接解决方法框图 3 4 3 变电站内元件模型的实现 1 ) 通过装置原理建立的站内设备模犁与变电站电气接线型式形成一个有机整 体。通过直接与电压互感器和电流瓦感器相连接的设备( 保护或自动装置的输入接 口) 取得电网中任意一点的状态量作为站内装置动作的根本依据。 2 ) 对于一次元件分为两部分进行描述，一部分为表述元件本身机构特点、结 构特点的非电气麓部分，这部分表现元件的操作特性、设备本身结构和操作的特性； 另一部分是与电刚状态和二次设备状态紧密相关的电气部分，它既是电网状态改变 的参与者也是二次设备及自动装置驱动电嘲变化的直接执行者。保护和自动装置部 分完全按照实际装置的动作原理进行模型的建立，对装置模型设置对应的电气输入 与输出量，就相当于安装于电嘲某一位置的装置了。 3 ) 电网模型和变电站内的设备模型分别建立，通过t a 、t v 和开关、刀闸的 模型将这两部分模型联系为一个整体，形成闭环系统，满足仿真系统的基本需求。 将设备模型以间隔为单元( 例如：以出线或进线串为单位的配置结构) 进行组合， 然后将其接入电网模型，即将设备间隔单元与电网模型不同的结点( 例变电站母线) 或线路模璎支路的对应关系加入电网模璎，同时将本问隔的输入( 电流，电压) 对 应于电嘲模趔的相关支路和结点。通过这种方式可以灵活的配置仿炱模型，也可以 简化建模过程。 华北电力大学工f ? 硕l = 簟业学位论文 第四章变电站仿真培训系统硬件配置 4 1 硬件系统的基本要求 硬件系统的配置遵循开放性原则，以达到系统的可扩充性和可维护性，为仿真 系统提供一个可靠、灵活的运行环境。硬件设备选用符合国际标准、具有当前世界 先进水平、在电力行业中广泛采用的设备，以保证系统运行的可靠性和完善的售后 服务。 4 2 硬件系统的组成 仿真系统的硬件系统足由主机服务器、通信服务器、教员工作站、学员工作站、 投影系统、电源系统、网络设备及打印机等部分组成。硬件系统结构示意图如图4 1 所示，虚框中部分为条件具备之后增设内容。 图4 一l ：内蒙5 0 0 k v 变电站仿真培训系统硬件结构示意图 l6 华北电力大学丁f u 硕j ：号业学位论文 4 3 硬件系统的配置 4 3 1 主机服务器 主机服务器是整个仿真系统的核心部分，主要厢于存储数学模型，数据库管理， 收录教案、试题库、典型方式案例、学员档案、操作记录、多媒体文件等，同时作 为5 0 0 k v 运行工况的w e b 服务器，并且培训系统通过该服务器经过防火墙与超高 压5 0 0 k v 变电站监测数据网相联。 4 3 2 通信服务器 通信服务器负责整个仿真培训系统与其它外部系统通信，完成数据交换等功能。 4 3 3 教员工作站 教员工作站由两台微机组成，它们可以各自独立运行，也可以按主备方式运行， 其中一台兼作系统的工程师站，用于系统维护、升级等。主要用于教案编制、运行 方式的整定、故障设置、系统维护管理、数据组织和对学员的监管等功能。 4 3 4 学员工作站 学员工作站由1 5 台微机组成，主要 j 于变电站监控系统仿真、巡视培训、五防 系统仿真、就地站操作监视和理论知识培训等。各学员工作站町独立运行互不影响， 也可以分组协调运行。 4 3 5 网络设备、打印机和投影系统 选用c i s c ow s c 2 9 7 0 g 一2 4 t s e 交换机一台( 配置l 块1 0 0 0 m 光纤网卡) 用 于仿真系统内部组网；选用天融信n g f w 4 0 0 0 一e v p n ( e ) 防火墙一台，用于隔离 s c a d a 监控系统与外部网络连接，保证s c a d a 监控系统安全；另备t o s h i b a t d p t w 3 0 0 投影仪l 台及h p 打印机用于教学培训。 7 华北e b 力大学t 程硕j ：专业学位论文 第五章变电站仿真培训系统的软件结构 5 1软件系统的组成 仿真系统的软件由计算机系统软件、仿真支撑系统软件、变电站虚拟现场系统、 变电站监控仿真系统、变电站全工况仿真软件、防误闭锁系统以及工教员系统软件 组成。它们通过交互式分布式仿真软件支撑平台的运行管理系统和数据库管理系统 有机结合在一起，构成整个培训仿真系统，仿真系统的软件结构如图5 1 所示。 一次设备算法库屯叫计算模型 屯附放稚模型 二次设备算浊席一次殴备元件模型元件帧型 控制锋浊席二次设备功能摸型 己一篓篓垒塞兰墼矍二j 通j f j 算法怍其它设备功能模型图形庠 图摸库一一体化通用仿真支撑系统 t 上 仿真对象数据实时数拶 数 人机界而 tr 图形化模型 所史数摧j 库 彳r 、，t ，t ，t ，t ， 錾屯蚍虚拟现端壁电站舱挖仿驾陲电站仝l 一况仿嗣隆误闭馈系司匿l 敦员台系雹 图5 一l ：仿真培训系统的软件系统结构 5 2 计算机系统软件 考虑投资成本冈素，仿真采用基于w i n d o w s 的体系结构。主机服务器和通讯服 务器操作系统选择w i n d o w s2 0 0 3 简体中文版标准版，教员工作站和学员工作站操 作系统w i n d o w sx p 简体中文版专业版。 l8 华北l b 儿大学t 程硕l 专业学位论文 5 3 仿真支撑系统软件 仿真系统支撑软件采用的是北京四方公司开发的图模库一体化通用仿真支撑 系统，该系统采用开放式体系结构，基于国际公认t c p i p 标准的网络环境及分布 式客户n 务器体系，提供系统设备及功能扩充环境。该支撑系统主要包括：分布式 实时数据库管理系统、图模库一体化的电力动态图形系统、二次系统模型仿真支撑 系统等。图5 2 为该仿真支撑系统开发界面： 图5 - 2 ：仿真开发平台界酣 5 3 1 分布式实时数据库管理系统 分布式实时数据库足仿真支撑平台系统的数据管理中心，由两部分组成，即支 持快速访问的实时数据库和标准的商用数据库。实时数据库与商j h 数据库相结合， 从而实现了数据的快速访问以及标准的数据库接口，实时数据库采用分布式结构， 可以在多台机器上配置实时数据库，并自动实现数据同步。实时数据库系统提供了 标准的实时数据访问接口以及实时数据浏览修改工具及实时数据库结构定义工具， 所以可以方便地进行系统扩展以及系统二次开发等 华北电j 大学t 千丌颂t 专业学位论文 5 3 2电力动态图形系统 电力动态图肜系统是专门针对电力系统分析应用并采h j 面向对象的方法和技 术进行设计开发的，具有强大的电力系统网络接线图的绘制功能以及非常方便的图 模库一体化建模功能，系统还具有独特的电力设备动态数据显示以及电力设备图元 动态着色功能。在变电站仿真以及电网仿真应用中，电力动态图形系统主要用于绘 制电网一次接线图、电网一次系统模型的构建、综自站监控系统仿真、电网调度监 控系统仿真、智能操作票系统仿真以及实现敦员图形化的操作豁控功能。 该系统是专门针对电力系统分析应用而使计开发的，具有方便灵活的电力设备 绘制及建模功能。其中主要的一次设备包括输电线路、变压器、开关、刀闸、接地 刀闸、负荷、发电机组、母线、电容电抗器等，每一个电力设备是由一些基本图元 构成的，并且对于每一种设备，用户都可以定义多达1 2 种图符来代表。在绘制设 备时，系统会自动生成一个缺省的设备名称并添加缺省的设备参数到数据库中，用 户可以在绘制完成后修改设备名称及设备参数。设备可以进行类似于一般图元的操 作，如移动、拷贝、删除、移至当前图层以及显示属性修改等，除此之外，因为设 备是由图元组成的，可以对构成设备的图元进行调整，也可以对设备进行分解操作。 该系统还具有设备动态数据的自动标定功能，根据设备类型及设备名称，自动 在图上添加设备动态数据，不需另外定义，从而减少了工作量并避免了可能出现的 动态数据与设备不对应错误。自动添加的设备动态数据可以进行属性调整，也可以 删除。在删除设备时，设备的动态数据也将自动被删除。 5 3 3 二次系统模型仿真支撑系统 二次系统模型仿真支撑系统用于构建各种复杂的二次设备模型，如变电站的保 护及控制模型等，其与电网一次系统模型通过实时数据库紧密联系在一起。二次系 统仿真支撑系统主要有以下部分构成： 1 ) 内核：模型数据库，算法数据库，模型的执行与调度，进程、线程的管理 与调度等。 2 ) 工程师站功能：提供各类元件模型的开发与调试，如：模型的建立、删除、 修改、插入、移动，变最的交叉参阅，动态参数监视等。 二次系统模型采用模块化建模方式构建，即一个系统由多个设备( 或功能、流 程) 组成，一个设备( 或功能、流程) 对应一个模块，个模块唯一对应一个算法。 二次系统模型与一次系统模型之问的连接通过建立一个对应表来实现，一次系 统模型数据包括各t a 的二次侧电流、t v 的二次侧电压以及开关状态、变压器分接 头位置等，数据存放在实时数据库中，支撑平台系统的通讯程序周期进行二次模型 20 华北电力大学工秤硕i = 拿业学位论文 变量数据与实时数据库中数据的交换。 5 4 变电站虚拟现场系统 本系统采用计算机多媒体技术来建立变电站三维交互式虚拟现场”5 ”j ，模拟实 际变电站的现场一次设备、保护小室等设备区域，实现变电站设备的巡视和虚拟操 作。为减少三维建模工作量，对一次设备本体、保护小室等进行三维建模；对一次 设备辅助系统及保护等二次屏柜进行简化处理，使用平面图形或照片，并对盘表、 信号及可操作部件进行可交互数字化处理。例如对断路器设备仿真，用三维图形显 示断路器外观，用可交互数字化处理后的图片表示操作机构及分合闸指示，并能对 断路器就地、远方操作进行切换。 本系统选用三维建模软件3 d sm a x 来建立整个系统的虚拟现场模型，包括现 场一次设备、保护小室及其内部二次屏柜等；在v i s u a l c + + 开发环境中，由o p e n g l 软件调用3 d sm a x 形成的模型来实现虚拟场景( 包括一、二次设备) 和人机交互。 5 5变电站监控仿真系统 变电站监控系统是变电运行人员进行日常监视和操作处理的工作平台。本系统 采用通用的监控系统仿真模型，可以利用动态菜单和动态图符技术生成多种变电站 监控系统的人机界面，即在一套监控仿真系统上通过调用不同人机界面同时实现多 种变电站集中监控系统人机界面的仿真。考虑到各变电站监控系统主要功能基本相 同，并且有几座5 0 0 k v 变电站当前使用的就是北四方的c s c 2 1 0 0 监控系统。因此监 控仿真系统采用两种方案：一种方案是选用北四方公司c s c 2 1 0 0 系统；另一种方案 是利用力控p c a u t 0 组态软件进行开发j 。 5 6 变电站全工况仿真和防误闭锁系统 变电站全工况仿真通过仿真支撑系统中内蒙占5 0 0 k v 电网仿真模型及相应设备 的二次系统模型实现，能实现全网继电保护和自动装置的实时配合。仿真系统通过 调度s c a d a 系统截取任一时刻内蒙占5 0 0 k v 变电站的运行工况断面，作为仿真系统 的初始工况，并定时截取工况与仿真系统运行工况进行比对，从而计算出一定时期 内内蒙占5 0 0 k v 电网模型修正系统，并在运行中对计算结果进行修正。 防误闭锁系统中微机五防软件利用原系统软件( 珠海优特u t - 2 0