220 kV智能变电站混合式仿真系统的研究与实践

摘

要：对220kV智能变电站数字混合仿真进行了研究与实践探索，将电网数字化模型与真实的变电站二次设备相结合，在断路器、刀闸全部采用真实一次设备的基础上，采用信号转换箱将光纤信号转换成模拟信号，经功率放大器送入合并单元。真实的智能终端连接断路器，开关量信号转换箱可以采集断路器、刀闸开关信号，并经高速光纤通信系统返回调试主机，从而实时改变一次系统的拓扑结构，构建与真实电网运行场景一致的实践教学系统。关键词：220kV智能变电站；数字化模型；混合式仿真系统；实践教学

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引言我校于2018年投产建设了220kV雁园智能变电站，变电站一次系统包含220kV、110kV、10kV3个电压等级，其中220kV、110kV设计为双母线接线方式，10kV设计为单母分段。变电站包含1台容量180MVA（220kV/110kV/10kV）的主变压器，220kV进线一回，110kV出线三回，10kV无功补偿电容器组两回，站用变一回，变电站二次系统采用北京四方变电站综自系统。由于智能站仅用于教学，无法和真实的电网一次系统并网，因此二次系统也无法获得与运行工况一致的实时数据。为更真实地模拟电网一次二次运行工况，更大范围地提高培训人员的专业技术技能水平，研究面向继电保护、自动化和远动系统等专业技术人员的电力系统仿真领域的实训平台，笔者团队设计建立了以数字物理混合仿真为基础，采取电网数字化模型与真实变电站二次设备相结合的混合仿真系统，实现了变电站一次二次系统的运行仿真与教学功能。

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设计思路在数字仿真系统中，变压器、断路器、输电线路、电容器等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准确计算，实时输出与变电站相同的电压、电流波形；可以通过图形界面对电网结构和元件参数进行修改，并可灵活改变系统一次接线方式，从而对变电站运行情况进行完整的仿真模拟。本设计方案主要特点是全部合并单元采用模拟信号输入方式，断路器、刀闸全部采用真实一次设备。利用信号转换箱将光纤信号转换成模拟信号，经功率放大器送入合并单元。真实的智能终端连接断路器，开关量信号转换箱可以采集断路器、刀闸的开关信号，并经高速光纤通信系统返回调试主机，从而实时改变一次系统的拓扑结构。

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设计方案配置选型按现场实际运行状况，需24路电压输出，38路电流输出，90路开关量。方案1：采用RTDS+功率放大器实现，进口RTDS主机1台，模拟量板卡6块（1块可输出12个信号），开关量板卡1块，电压功率放大器2台（每台12路输出），电流功率放大器3台半（每台12路输出）。方案2：5台测试仪模拟全站运行。控制方案有两种：（1）一个后台控制测试仪同时输出。（2）5个后台各自控制，可实现62个量任意变化。在无RTDS的情况下可当继电保护测试仪使用，在有RTDS的情况下可切换到功放界面实现功放功能。综合资金与功能两方面进行结合选型，方案选用基于FPGA的实时数字仿真平台，利用实时数字仿真平台（FRTDS）中的FPGA解算器进行运算和通信，按照IEC61850协议发送和解析GOOSE报文与SV报文，与实际保护设备连接，完成硬件在环的变电站实时仿真。FRTDS中的FPGA解算器通过高速以太网与PC机完成数据交互，安装在PC机上的上位机软件可以监视与控制仿真过程。

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系统结构基于FPGA的实时数字仿真平台流程如图1所示。4

系统功能实现启动和停止仿真过程；系统实时运行工况显示；倒闸操作功能；电源参数设置；变压器内部故障与非电量故障设置；站用负荷有功功率及无功功率设置；站内节点故障设置，设置节点的单相、两相以及三相故障，模拟系统中节点发生短路故障的情景；线路故障设置，模拟系统中线路发生短路或断线故障的情景；组合故障设置，模拟系统中发生多个故障的情景；CT传输故障设置，模拟系统中发生CT传输故障的情景；开关动作与拒动，设置开关跳闸、合闸、拒跳与拒合状态；在用户初始化表中设置仿真初始参数，包括初始的线路、变压器、电源、负荷、CT等各种参数。

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现场运行2019年6月，变电站三期一次二次系统施工全部完成，工程进入调试阶段，结合一次设备，仿真系统对全部功能进行调试。例如：设置“线路故障”，在上位机程序中某条线路处均可设置故障，鼠标点击线路处故障设置按钮，即可启动线路故障设置菜单。如图2所示，点击箭头所指的线路处（任取一线路作为说明，其他线路同理），在线路故障设置菜单打开后可对模拟故障进行设置。在图3故障设置菜单中将“上侧故障相”“下侧故障相”后的“A相”“B相”“C相”“接地”勾选框进行勾选，完成对单相接地故障、两相短路或接地故障、三相短路故障的设置。可在“断线故障相”后的“A相”“B相”“C相”勾选框进行勾选，完成线路单相或某几相的断线设置。

参数设置完成后开始运行，在综自系统监控后台机上检查线路开关变位、事故信息及SOE保护动作信息等，检查显示分析动作结果准确、可靠。

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结语我校220kV智能变电站数字物理混合仿真系统构建了与真实电