（电力系统及其自动化专业论文）基于com技术的变电站仿真培训系统组件化.pdf

华北电力大学硕士论文 d a t a b a s eo fe q u i p m e n tg r o u p w a r e ，a n dm a k e st h em o d e lc o m b i n i n gw i t ht h e f u n c t i o nt oc o m p l e t et h ed e s i g no fc o mg r o u p w a r e t h i sm e a s u r es o l v e dt h e p r o b l e mw e l l ，a n ds u c c e s s f u l l yu s e di nt h e5 0 0 k vp o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o na n d t r a i n i n gs y s t e mo f n o a hc h i n ap o w e rg r i dc o m p a n y k e yw o r d s ：s i m u l a t i o na n dt r a i n i n g ，c o m d c o m c o m + ，c o m p o n e n t 2 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c o m 技术的变电站仿真 培训系统组件化，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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：i 塑 日 期： 渺珥捌，严 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借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 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： 日期： 育剪导师签名： 日 期： 监 硼1 华北电力大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 电力系统中输送电能的一个重要环节就是变电站，它在电力系统的安全、 经济和优质运行中有着举足轻重的地位，虽然目前各地基本都已实现变电站综 合自动化及远程监控，但是变电站的网络潮流及出力控制还是需要集控站运行 人员及调度人员的调控实现。出于安全性考虑，一些重要的综自站还是需要运 行人员现场监视及操作，因此变电站运行人员的岗位操作技能也就成为影响变 电站安全运行的重要因素。由于电力系统运行的特殊性，使得新进员工难以在 电力系统的正常运行中获得充分的训练及处理事故的经验。而变电站仿真培训 系统通过虚拟系统能够模拟变电站各种正常及事故状态，并且能够对运行人员 的操作做出正确评估和指导。因此研制功能齐全，仿真效果逼真和使用方便的 变电站数字仿真培训系统是一项重要的工作。在详细分析研究变电站仿真培训 系统之前，有必要介绍一下有关变电站仿真培训系统的一些基本内容。 1 2 变电站培训仿真系统 1 2 1 变电站培训仿真系统介绍 ( 1 ) 变电站培训仿真系统发展历程 2 0 世纪8 0 年代，美国出现了基于计算机的电力系统运行人员培训系统。9 0 年代以后我国也成功研制多套仿真培训系统。这些仿真培训系统大多是物理仿真 与数字仿真相结合的产物，在当时，已经能够满足培训运行人员的需要。最先出 现的变电站仿真系统主要采取带盘台的模式，该系统包括模拟控制盘、模拟继 电器保护盘、配电装置、主接线模拟操作盘和计算机控制仿真系统几部分。早 些时候在各网、省局建成的变电站仿真培训系统绝大部分是这样的模式。该模 式占用空间较大，一般集中布置在培训中心内【1 0 ，1 1 l 。 ( 2 ) 变电站培训仿真系统发展现状 国家电网的不断完善和发展，电压等级不断提高，网架结构越来越趋于复杂 化，与此同时，变电站自动化水平不断提高以及无人值班变电站的投入，使得 变电站系统正朝着集保护、测量、控制和遥测、遥信、遥控、遥调于一体的综 合自动化方向发展。在这种情况下，当前的仿真培训系统对于仿真模拟复杂的综 合自动化变电站已经存在困难：首先，由于变电站结构可能发生的变化，比如变 电站内增加或减少一台变压器，增添或减少一条支路等，目前存在的仿真培训系 华北电力大学硕士论文 统难以根据这些变化做出相应的修改和增添；其次，目前系统开发过程中，由于 开发人员的疏忽，系统数据输入存在大量错误，差错、纠错比较困难；最后，系 统中各设备模型及功能模块复用性低，系统开发周期长，这都是仿真系统需要迫 切解决的问题。 为了改善仿真培训的效果，近两年兴起了使用三维界面仿真变电站一次设 备的方法，而最近新开发的基于虚拟现实场景的变电站综合自动化仿真平台更 是兼容一、二次设备的仿真，这是对仿真培训系统的重要发展。为了使三维变 电站仿真培训系统能够更加真实、有效地模拟实际变电站，提高系统开发效率， 必须对原有的后台程序进行相应的修改，这就对广大仿真培训系统开发人员提 出了更高的要求。 1 2 2 培训仿真系统存在的问题 虽然目前变电站仿真培训系统较以前已经有了长足的进步和快速的发展， 但是仍然存在种种缺陷与不足，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 仿真培训系统数据初始化的方法和内容没有形成一定的规范 这些仿真培训系统是不同的单位在不同的时期，由不同的工作人员根据不 同的需求研究开发的，系统所需数据的内容及调用方法存在差异。当制作新平 台或开发新功能时，数据信息难以共享，因此有必要形成统一的数据内容初始 化规范。 ( 2 ) 仿真培训系统通用性不足 目前国内已有多家科研机构及院校实验室开发了变电站仿真培训系统，这 些仿真培训系统侧重点各有不同，但是有个共同的缺点就是他们一般都是针对 某一特定的变电站开发，而且其中各个设备及功能模块通用性比较差，开发新 站时需耗费大量的人力进行重新设计和开发，即使使用了一些新技术提高了网 络潮流及某些设备模型的通用性，但是没有从根本上解决整个系统设计、开发 和调试过程中大量的重复性工作。 ( 3 ) 已有变电站培训仿真系统模型陈旧，设计思想落后 近年来随着国家电网的发展，电压等级不断提高，配备的一、二次设备越来 越趋于复杂化和智能化，早期开发的仿真培训系统绝大部分都是沿用以前旧的模 型和程序设计思路，难以满足目前综合自动化变电站仿真培训的需要。 根据仿真培训系统的特点：追求正确的动作和准确的动作时间以及较好的显 示效果。从这些方面考虑，目前的系统在界面和程序两方面存在缺陷。界面上， 大部分变电站图形化界面二维图形系统，比如使用l a b v i e w 开发变电站仿真界面， 虽然能够实现变电站一、二次系统设备显示，但界面的美观性、真实性和逼真度 华北电力大学硕士论文 不够强；程序方面，目前仿真培训系统中采用的都是逻辑实现，这在很多方面有 较大优势，但是当开发物理仿真和数字仿真相结合的混合仿真培训系统时，这种 实现方式就会出现困难；随着对仿真正确性和精度要求的不断提高，必然采用定 值仿真实现，这是仿真培训系统发展的方向。 1 3 仿真培训系统平台发展现状 任何软件的设计开发都是建立在一定开发平台基础上的，软件开发平台的优 劣将对开发的软件系统功能及软件的生命力产生很大的影响。软件开发平台功能 强大，通用性好，对软件系统功能完善和扩展有着强大的促进作用。变电站仿真 培训系统的开发，工作量主要集中在设备数据初始化、界面开发以及设备功能的 建立上，但目前仍然没有简洁高效的变电站仿真培训系统的开发平 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 。 下面介绍变电站仿真培训系统一般所使用的软件开发平台的情况。 1 3 1 变电站一次系统设备模型开发平台 文献【1 5 11 1 6 1 提出一种变电站仿真培训系统一次设备开发平台，该平台有 以下主要功能及特点： ( 1 ) 以三维虚拟现实场景开发平台代替二维图形软件开发平台。 三维场景开发平台基于虚拟现实技术开发，它充分利用文本，图形，三维 影像，三维动画和声音等多种媒体表现形式，通过刺激学员的视觉、听觉神经， 调动起学员的学习积极性，明显提高仿真培训效果；能非常方便的反映真实变 电站的变化。基于虚拟现实技术变电站仿真培训系统可以有助于解决不可视、 不可摸、不可入、危险性场所的仿真与培训等问题，解决仿真培训设备不足、 型号落后，难以更新换代跟上电力发展要求的困难，能提高仿真培训的技术水 平。 ( 2 ) 采用模块化思想设计仿真培训系统及其功能。 根据不同的设备及其功能需求，设计仿真培训系统时分为电力系统仿真、 信号处理、输入判断、输出判断、用户交互等模块，在开发时分别设计各个模 块的实现及功能，同时要考虑各个模块间的控制及通信。采用三维虚拟技术设 计变电站时也通过模块化思想快速建立一次设备拓扑关系数据。以间隔作为支 路，电气设备作为节点表示电网结构，采用模块化思想建立变压器、断路器、 电流互感器、电压互感器及隔离开关等作为节点的电力网络拓扑结构，大大提 高了系统仿真的真实性，在设置各类故障时也增加了故障类型的选择。 ( 3 ) 该平台存在的不足： 如上所述，由于变电站仿真培训一次系统采用三维虚拟场景设计开发，网 华北电力大学硕士论文 络拓扑采用三维场景设备作为网络节点的结构，这虽然提高了仿真培训系统的 真实性和培训效果，增加了可设置故障的种类。但是这种设计思路建立设备模 型及网络拓扑工作量大，实际应用不太方便，原因如下： 线路、间隔间的差异导致模型建立复杂，必须针对每一个不同的线路、 间隔分别进行设计实现。不同的变电站采用的接线方式可能存在差异。目前对 于母线接线方式有单母，单母分段，单母分段带旁路，双母，双母分段，双母 分段带旁路等等接线；对于各个间隔内部接线也存在差异，如存在带旁路与不 带旁路两种接线，以及存在刀闸有接地刀与无接地刀两种。由于存在这些差异， 为满足实际需要，在建模时都必须重新设计完整的线路及间隔模型。 不同间隔内部相同设备命名规则不同，设备数据初始化重复性大。对于 三维一次场景来说，真实逼真是一个重要方面，对于不同的变电站，对于相同 的间隔来说有可能采用不同厂家的断路器设备、刀闸开关及接地设备；另一方 面，不同变电站对于设备命名可能也存在差异，这对形成统一设备节点网络拓 扑也存在困难，因此，对于不同的变电站一般都必须重新建立设备模型以及设 备拓扑关系数据，而这些都必须通过人工重新建模及设计数据初始化方案，存 在大量的重复性工作。 1 3 2 变电站二次系统设备模型开发平台 文献【2 0 1 提出一种建立变电站二次设备模型的平台，它是基于文献【1 9 1 提出的变电站一次设备模型平台设计开发的，现介绍如下。 ( 1 ) 功能介绍 该平台主要功能是通过二维界面初始化变电站二次系统设备数据，代替原 来手工建库的过程。例如：配置线路保护时，通过界面操作，选择保护类型， 组装成相应的保护装置；配置保护装置应该保护的线路设备；配置保护装置取 用的c t 设备、p t 设备；配置保护启动时应跳闸的开关设备；配置各故障点应 查询的保护装置代码等保护配置信息。另外还需要通过编辑界面填写各种保护 投入逻辑和跳闸逻辑。 ( 2 ) 存在问题 该交电站仿真培训数据平台需要输入和填写大量数据信息，需要人工进行 逻辑公式编写工作，对于存在相同二次设备的不同变电站需要重新人工输入填 写数据，基本属于完全重复性工作，工作量大。综合以上两个变电站仿真培训 数据平台系统的特点以及目前使用情况，变电站仿真培训系统的数据库的建立 仍然只能根据不同站的不同要求，由研发人员根据要求进行专门设计开发，这 种方法不仅耗时，存在大量重复性劳动，而且数据库建立的准确性不高，查错、 华北电力大学硕士论文 纠错比较困难【2 1 2 羽。 文献【2 3 】【2 4 【2 6 1 提出了二次系统设计平台及二次保护设备建模实现。 目前二次系统的开发设计采用的实现平台多种多样，各个研究机构及公司根据 不同的需要或引进国外优秀仿真软件平台开发，并在此基础上不断改进，如 l a b v i e w ，m a t l a b 等国际著名的系统仿真软件平台；或采用自主研制开发平台 的二次系统仿真平台，使用c + + 等语言编写平台界面及后台，拥有自主知识产 权，灵活性较强。所有这些方式目前仍然采用二维界面方式显示，界面显示及 程序控制比较简单，操作及事故现象仿真效果不直观，不能满足目前仿真培训 系统发展的需要。如果采用像仿真培训系统一次系统那样的三维场景显示，则 能极大的增强仿真真实性，提高仿真培训效果。 1 4 仿真培训系统中二次系统功能实现 如果说平台是一个软件设计开发的基础，那么软件的功能实现则是软件的 生命。因此，如何实现仿真培训二次保护系统，使之既具有真实保护设备类似 的强大功能，又能够提高软件设计开发效率，便于客户使用，是实现变电站仿 真培训系统的关键问题。 仿真培训系统设计开发的目的就是为了培训变电站运行人员，系统设计的 真实程度及功能的完整性关系到仿真培训的效果的好坏。对于实际保护系统来 说可能包括许多保护，如相间距离i 、i i 、i i i 段，相间零序i 、i i 、i l i 段，高频 距离、高频零序，过流保护i 、i l 、1 1 1 段，重合闸、后加速、非全相等，所有 这些保护都必须实现，然而实现的方法多种多样，现介绍如下： 在仿真方法上，目前继电保护和安全自动装置的仿真主要有两种方法：逻辑比 较法和定值比较法。逻辑比较法由于其很好的实时性，满足了保护所要求的速动 性要求在目前仿真培训系统中广泛应用。但是逻辑判断法与故障计算无关，其逼 真度不如定值判断法。 文献【2 7 利用数字动态实时仿真装置d d r t s 模拟电力系统保护装置、 安全自动装置及测量和控制装置。通过模拟现场保护设备动作及现象实现设备 的保护功能。这种属于理论仿真范围，而且对于保护功能实现采用“黑盒”实 现，同样只能实现指定的故障及事件，仿真范围有限；另一方面，由于对内部 实现不了解，有时不能正确反应实际现场的现象，并且不能根据需要进行调整 和修改。 文献【2 8 根据实际保护设备的内部实现机制来设计保护功能。通过面向 对象技术，对实际装置面板，保护屏，继电器控制插件按照其功能类型进行分 析，得到相对独立的各个部分，每个部分有自身的属性和方法，再由各个部分 华北电力大学硕士论文 逻辑组合形成仿真系统面板。这里是将界面同功能组合于一体，逻辑判断按照 实际保护设备的电子元件与非门技术实现。这种实现特点在于按照实际保护设 备完全仿真。但是对于仿真培训系统来说功能及显示的正确是最重要的，这种 仿真方法实现延时较大，有时不能完成复杂网络的事件及事故处理。 文献【3 2 1 采用逻辑比较的方法仿真保护系统。文中根据不同设备的保护 采用不同的方法进行仿真。对于变压器保护，由于其存在有纵差保护，过流保 护，零序电流保护，过励磁保护等电气量保护以及瓦斯保护等非电气量保护， 对于要求故障后瞬时动作的主保护采用逻辑比较法，对于有一定动作条件和动 作延时的保护，根据应用的需要，采用定值比较法或逻辑比较法。这种仿真方 法特点在于通过设定从故障点向外围的开关逻辑和继电保护装置动作时延来 反应选择性，易于满足速动性的要求，但是不能反应保护装置的灵敏性要求， 必须依靠教练员设置保护的拒动和误动来满足灵敏度的不足。 文献【3 3 采用定值判断法实现继电保护仿真的数学模型及其实现方法。 文中建立数学模型时将保护分为距离保护及零序电流保护两大类， 为了减少仿真程序的执行时间，提高实时性，文献【3 4 采用时间、空间 混合变步长的技术以及采用“窗口”的网络搜索策略来减少运算与搜索时间， 这种方法在处理单重及简单故障时存在优势，但是当系统内存在两重以上的复 杂故障时，网络搜索无法确定故障点，网络计算量仍然很大。因此，采用定值 判断法比逻辑比较的方法存在优势，但由于故障类型的差别，需要迸一步进行 故障分析。 在平台开发技术上，文献【1 4 1 利用a c t i v e x 技术整体开发系统平台及后 台功能，将保护系统功能作为一个模块加以开发，设计成一个个可以任意输入 与修改的编辑平台，即设备关联关系定义平台，倒闸操作规则库编辑平台，事 故现象编辑平台以及事故处理模块。当需要建立新的规则时，须将各个操作及 响应按照一定的步骤输入规则库中，用户就可使用相应的功能。这种将整个保 护系统分成各个部分输入，特点在于功能分工明确，实现过程清晰，便于培训 人员理解原理。但是这种实现方法只能设定特定的简单事件及故障，所有事件 及故障都必须手动添加设计修改，操作非常繁琐和复杂。 文献【2 9 1 采用了基于组件的软件开发技术，为变电站中的各种一二次设 备开发了相应的仿真组件。利用各个仿真组建，可以。搭建”整个变电站仿真 软件系统。利用组件技术将变电站虚拟设备应用软件各个部分制作成独立的、 可复用的组件，再将组件装配成完整的变电站仿真应用系统，其结构更加简洁。 易于调整，开发更加容易，质量更有保证。由于组建具有相当高的封装程度， 所以系统升级可以透明进行，一旦需要，可以增加接口来扩展软件的功能，而 不必过多地改动原有组件；并且组件技术遵循统一的接口标准，这也使得软件 6 华北电力大学硕士论文 具有良好的开放性和易扩展性。 使用c o m 技术设计二次保护系统是实现仿真培训系统的比较方便的方 法。c o m 技术已经在电力系统中某些领域中使用，比如继电保护整定计算中 已经广泛使用组件技术；在电力系统数字仿真中也有许多论文使用c o m 甚至 c o m + 来达到仿真的目的，可以说，c o m 技术已经在电力系统仿真中得到广 泛应用。不仅如此，在电力系统培训仿真中也逐渐开始利用c o m 技术来完成 图形界面程序及数据库设计，如上面文献【2 9 】中提到的。 c o m 技术将实现的保护功能程序封装成d l l 动态链接库，同时根据各 种不同保护功能预留出相应的接口，当在构建变电站二次系统保护时，根 据保护设备所拥有的特定保护类型的保护功能，调用相应的保护功能接口， 这样保护设备就可以直接使用动态库中的保护功能程序了。这样实现的保 护功能组件能够满足所有保护设备的需求，同时已经做好的保护功能不用 再调试，大大减少了工程的工作量和重复性劳动，极大地提高了工作效率。 与此同时，当需要增添新的保护功能时，只需要在保护组件程序中添加相 应的功能，增加相应的接口即可使用，不需要考虑已有的保护以及对整个 仿真培训系统的影响，极大地提高了程序的适用性和移植性。 1 5c o m 技术介绍 c o m 组件技术已经在电力系统的某些领域内使用，如文献【3 3 】中继 电保护整定计算使用组件技术；文献【3 9 】在电力系统数字仿真中使用c o m 甚至c o m + 来达到仿真的目的，可以说c o m 技术已经在电力系统仿真中 得到了广泛的应用。不仅如此，在电力系统培训仿真中也逐渐开始利用 c o m 技术来完成图形界面程序及数据库设计。即使在设计变电站仿真程序 时，也是经常不由自主地使用到组件技术的思想，只不过涉及到的内容的 深度有所不同，最突出的例子就是d l l 动态链接库。 c o m ，即组件对象模型，是一种以组件为发布单元的对象模型，这种模型使 各软件组件可以用统一的方式进行交互。c o m 技术是继模块化、结构化和面向对 象方法之后发展起来的又一新的软件开发方法。将原来整块的应用程序分割成组 件( c o m p o n e n t s ) ，从而实现像制造汽车一样，将组件“装配”起来完成新的应用程序的 开发。然而，c o m 又与面向对象的编程语言不同，它所采用的是一种二进制代码 级的标准，而不是源代码级的标准。在面向对象编程( o o p ) 语言定义的对象，只能 在同样的语言中被重复使用，这就大大限制了对象的重用。c o m 对象把o o p 语 言中的对象封装起来，并提供一致的接口，使得它可以被各种不同的语言所使用。 华北电力大学硕士论文 1 5 1 c o m 实现机制 c o m 是关于对象交互作用的一个二进制标准。包括规范和实现两大部分，规 范定义了组件与组件之间的通信机制，这些规范不依赖于任何特定的语言和操作 系统：实现部分就是组件程序和客户程序通过c o m 库对组件的操作。 c o m 接口的定义和实现是分开的，c o m 对象通过接口成员函数为客户提供 各种形式的服务，应用程序只能通过接口来实现对对象的操作，而不关心其具体 实现，这与c + + 中的只有纯虚函数的抽象基类类似。为了保证对象和接口的唯 一性，c o m 采用g u i d ( g l o b a l l yu n i q u ei d e n t i f i e r ) 机制，用唯一的g l s i d ( c l a s s i d e n t i f i e r ) 进行对象的创建和初始化，每个c o m 接口也使用一个g u l l ) 来标识， 称为r i d ( i n t e r f a c ei d e n t i f i e r ) 。 所有的c o m 对象都至少包含一个i u n k n o w n 接口，所有的接口都从i u n k n o w n 接口继承而来。它为c o m 的接口查询和生存期控制提供了3 个基本函数： o u e r y i n t e f f a c e ，a d d r e f ，r e l e a s e 。 1 5 2c o m 特性 面向对象系统的三个最基本的特性分别是：封装性、多态性和重用性。c o m 分别在不同的部分体现出了这些特点，但是，c o m 的特性并没有这么简单。c o m 技术引入了不同于继承的重用机制一包容和聚合。包容是指外部对象作为内部对 象的客户调用内部对象的方法实现自己的功能；聚合实质是外部对象将内部对象 的接口暴露出来，就像是它自己的接口一样。 对象b 接口 对象嗾口 包容模型 1 5 3c o m 技术特点 对象喉口 对象a 接口 对象b 7 铜 聚合模型 图1 一l c o m 技术实现机制 ( 1 ) 语言无关性 c o m 采用的是二进制代码级的标准，其规范定义不依赖于特定的语言，因此， 编写组件对象所使用的语言与编写客户程序使用的语言可以不同，只要他们都能 够生成符合c o m 规范的可执行代码即可。 ( 2 ) 进程透明性 华北电力大学硕士论文 运行在客户端的代码和运行在服务器端的代码既可以在同一个进程中，也可 以在不同的进程中。 ( 3 ) 可重用性 c o m 对象的客户程序只是通过接口使用对象提供的服务，它并不知道对象内 部的实现过程，因此，组件对象的重用性可建立在组件对象的行为方式上，而不 是具体的实现上。c o m 使用包容和聚合来实现其二进制的重用。 1 6 本文的工作 综上所述，尽管仿真培训系统已经快速发展了十多年，但依然存在不足， 针对以上分析的问题和现有的仿真培训系统，本文将设计一个新型变电站仿真 培i j i i 系统的后台保护功能及控制程序组件化实现。该后台保护功能、控制程序 能够实现同变电站三维一、二次系统界面进行相互控制、数据信息交互以及现 场保护设备状态信息的正确显示及动作，将功能组件同设备模型进行一体化设 计，形成设备组件库，实现了设备界面及其功能的便捷调用、使用，极大地提 高了培训仿真系统的仿真效果。 在设计实现变电站二次保护系统的后台程序中，本文主要做以下工作： ( 1 ) 分析变电站三维一、二次系统模型场景平台的特点，设计实现三维平台 中设备及其控件的数据初始化方案。 目前来说，变电站三维二次系统平台属于新开发平台，设备界面及 内部控制比较复杂，数据初始化的方式和内容是实现系统设备准确、快 速响应的基础。本文根据c o m 组件化思想的特点，通过设备数据初始 化功能的组件化设计，实现了设备数据初始化功能组件，形成了统一的 数据存储格式和内容，提高了系统开发效率。 ( 2 ) 研究并实现了新的保护装置保存形式，大大提高了设备的复用率。 根据目前仿真培训系统中设备通用性差的问题，利用c o m 组件技术思 想设计开发了设备功能组件，开发了新的仿真设备保存模式，即形成设备 组件库，整体保存保护设备模型及其功能组件，如同现实中的设备整体， 需要调用时，直接选取则可以使用。 ( 3 ) 设计并实现了保护装置的各种保护功能，采用c o m 组件技术思想实现保护 功能组件程序，减少了工程设计开发工作量。 针对保护设备功能实现过程中复杂的设计和调试，采用c o m 技术实现 了标准化的保护功能，并采用标准化的设备功能实现填写顺序，实现保护 功能的相对固定的程序实现，减少程序设计和调试工作量。 华北电力大学硕士论文 第二章仿真系统平台分析及其功能需求分析 2 1 三维变电站仿真系统特点 变电站是电力系统的重要组成部分，提高变电站操作人员的技术水平对于保证 电力系统安全、经济、优质的运行具有十分重要的意义。由于电力系统的特殊性， 在变电站运行人员的岗位培训中既不能在运行着的系统或设备上进行实际操作试 验，也不允许人为地设置事故让学员观察处理，这就使得学员难以在变电站的短 期运行中得到充分的锻炼，运行人员的操作、事故处理能力绝大部分来自于长期 实际运行经验。因此，建立一个与实际变电站运行状况相似的仿真培训系统，模 拟变电站的正常运行及各种故障状态，使学员通过培训获得运行及事故处理的经 验，是十分必要的。 为了提高仿真培训效果，使仿真培训系统能够更加直观、真实地显示在培训 人员的视野中，国内外仿真系统发展的趋势表明，采用基于虚拟现实技术的三维 场景显示能够很好地解决这一问题。 目前的仿真培训系统一般只有二维画面，无法给使用者以真实的三维感 觉，与以往的仿真培训系统相比，基于虚拟现实技术的三维变电站仿真培训系 统具有以下优点： ( 1 ) 充分利用文本、图像、三维影像、三维动画和声音等多媒体表现形式刺 激学员的视觉、听觉神经，调动学员的积极性和主动性，从而改善了培 训效果。 ( 2 ) 能够便捷地反映变电站运行状态的变化，同时能够对学员的操作作出评价， 从而实现规范化操作。在三维变电站场景中，所有设备都使用3 dm a x 建 模，v l r t o o l 工具渲染，所有设备都能够像真实设备那样观察和操作，同时 也能精确模拟设备的各种状态和故障。 ( 3 ) 有助于实现对于不可视、不可摸、不可入等危险场所装置的仿真。使用三 维变电站场景显示，能够显示、观察所有设备状态，如变压器、高压母线 等，都能实现近距离、全方位观察，大大提高了仿真培训效果。 2 2 三维变电站一次系统 2 2 1 仿真培训一次系统场景平台介绍 由于一次系统为系统主要的可视化操作部分，同时设备类型较少，模型相对 华北电力大学硕士论文 固定，因此最先开发三维一次系统。 变电站中一次系统的设备主要有变压器，母线，母线侧刀闸，断路器，开关， 出线侧刀闸，接地刀闸，母联开关，母联刀闸，c t ，p t ，电容器等，三维界面不 仅可以直观显示变电站现场的整体设备，而且对于每个设备都可以进行全方位的 观察和操作，以某站2 2 0 k v 某一间隔为例，如下图所示： 图2 1 一次系统开关侧刀闸状态示意图 由图2 1 可以看到，对于变电站中每一个设备的微小细节，在三维场景中都 可以通过调整视角和位置进行详细而又直观的观察。不仅如此，该平台还可以真 实地显示每一个设备的状态及其变化，甚至变化的过程也能清晰的显示在三维界 面上。 2 2 2 仿真培训一次系统场景平台功能需求分析 目前，变电站仿真培训一次系统平台中使用的虚拟现实场景建模技术发展已 经比较成熟，能够仿真模拟各种一次设备和线路的正常及故障状态，甚至各种极 限状态也可以较好的模拟出来。 为了能够实现变电站一、二次系统的联合仿真，需要对一次系统的设备及线 路数据进行初始化，同电网及二次系统的数据正确对应。本文在三维一次系统中 的工作主要是对一次系统设备数据初始化的方法和内容进行分析和研究，利用 c o m 组件思想实现便捷的数据保存方式，与电网系统数据结构数据对应，能够进 行正确的倒闸操作及故障显示，最大程度上提高系统仿真的真实性。 华北电力大学硕士论文 2 3 三维变电站二次系统 2 3 1 仿真培n - - 次系统场景平台 对于变电站的二次系统来说，设备类型众多，设备接线复杂，是仿真培训中比 较复杂和繁琐的一部分。目前，二次系统仿真平台主要有以下几种： 文献【3 0 】和 3 6 1 均采用c i m 公共模型开发仿真系统模型，c i m 是i e c 6 1 9 7 0 标准中的公共信息模型部分，c i m 模型的定义覆盖了各个应用的面向对象的电 力系统模型，c i m 中描述的对象是抽象的而且可以广泛的应用，这种模型的特 点在于能够促进模型交换，减少增加新功能所需的费用和时间，但是这些仍然 是建立在二维平面场景模型基础上的，同时，只能实现仿真系统中一部分设备 功能的重用，对于大部分设备仍然需要不断重复地设计开发和调试，综合功能 仍然不足。 文献 2 9 1 中，对于一次系统采用了三维场景构建系统，但对于二次系统 仍然采用二维平面实现二次设备，文献中采用目前比较流行的仿真系统软件 l a b v i e wc v i 来设计二次系统，采用这种方式的特点在于设备复用性较高，同 时由于l a b v i e w 提供了一些常用的设备模型和类库，使得开发二次系统相对容 易实现，便于维护和调试。但是这个系统也存在一些问题：就是软件一般采用 动态库存储，某些设备模型实现只提供了使用接口，无法进行修改或增添新功 能；最后就是仿真软件和三维场景平台的兼容问题。 基于以上问题的存在，为满足电力系统培训仿真的需要，新开发了一套三维 虚拟现实场景二次系统场景开发平台，下面是某保护装置的三维场景最佳观察位 置图： 华北电力大学硕士论文 图2 2 三维二次系统设备界面显示 从图中可以直观、详细地观察屏盘上的各种装置及控件，对于它们的状态和位置 也一目了然，就如同置身于真实变电站中一样，仿真效果立体、逼真，是仿真培 训系统发展的方向。 2 3 2 仿真培训二次系统场景平台功能需求分析 上节中介绍的本文设计开发仿真培训系统所使用的平台，是本文需要优化的对 象。上述培训仿真三维一、二次系统存在一个问题：系统开发工作量大，设备复 用性差，数据初始化方式和内容没有统一的规范，从而功能程序设计只能针对具 体的系统、设备进行开发，通用性不强。因此如何设计二次系统设备，使之既 能够较好的仿真不同厂家、不同类型的的各种设备，最大程度减少工作量， 提高仿真系统开发效率，又能够满足最新三维平台仿真的需求，是本文要 着重解决的问题。 本文针对现有的变电站仿真培训系统适用范围窄、移植性差的缺陷， 利用基于c o m 的思想和方法对二次系统保护设备进行了系统的分析和设 计，给出一套通用的变电站保护设备组件模型，利用面向对象的思想对这 些保护设备的模型进行组件化设计，将变电站中的各种二次系统保护设备 开发成一个个可复用的仿真组件。利用各个仿真组件，由小到大的构建整 个变电站仿真软件系统，其结构更加简洁、易于调整，开发更加容易，质 量更有保证。 华北电力大学硕士论文 具体实现方法是，对设备模型、功能及模型数据进行一体化组件设计，形成 通用的设备模型组件库，当需要同一类设备时，直接从组件库中调用设备模型和 模型数据，调整至合适位置即可使用，这种方法的优点在于：用户可以按照需要 从组件库选择设备组件搭建变电站，并且自动形成模型初始化数据，实现了设备 模型及模型数据的一体化输入，不仅增强了仿真建模的灵活性，还大大提高了模 型的复用率，减少了大量重复性工作，提高了系统开发效率。 2 4 本章小结 1 ) 介绍了变电站仿真培训系统三维一次场景模型平台特点及其功能需求； 2 ) 介绍了变电站仿真培训三维二次场景模型平台特点及其功能需求； 3 ) 在分析目前变电站仿真培0 ) 1 - 次场景模型平台功能需求的基础上，指出目 前二次系统开发方法存在的不足与缺陷，提出采用c o m 组件技术进行系统改 进。 华北电力大学硕士论文 第三章仿真系统模型知识表示及其初始化 3 1 变电站一次系统设备种类及属性分析 变电站仿真培训三维一次系统主要是负责仿真一次设备的正确状态及动作行 为，为了与电网系统相配合，能够对电网系统状态、动作指令做出正确的响应， 因此必须对三维设备数据进行初始化，其中需要初始化的设备内容包括线路、负 荷、母线、电容、变压器、机组、交直流及开关等，此外，还包括各设备上的各 类控件在初始化的同时，完成设备数据初始化的合理性校验，以避免多设备填 数造成的失误。 3 1 1 系统模型知识表示 首先是系统类，即变电站类( s t a t i o nd a s s ) ，这里变电站列表用于显示存在的变 电站，电压等级指该变电站存在的电压等级，站内设备即指该变电站的设备种类， 变电站名称作为变电站的唯一标识。下表3 - - 1 为变电站类的描述： 表3 - - 1 变电站类模型知识表示 变电站类( c l a s ss t a t i o n ) 数据成员( p r o t e c t ) ： 变电站列表( 变电站链表指针) ； 电压等级( 电压等级列表) ； 站内设备( 链表设备指针) ； 变电站名称( 字符数组) ； 工作方式( 运行、挂牌、编辑、输入等) ； 成员函数( p u b l i c ) ： 构造函数( 变电站初始化构建) ； 获取设备( 获取站内设备列表) ； 查询变电站( 通过变电站名称查找) ； 定位设备( 通过设备名称定位) ； 添加设备( 在设备列表中加入新设 备1 ； 场景设置( 编辑已存在的设备) ； 输出( 输出设备、节点数据) ； 华北电力大学硕士论文 其次就是设备类( c l a s ss t a t d c v ) ，设备类是三维系统数据初始化的关键，其中需 要初始化的设备包括开关、刀闸、c t 及p t 等。下表3 2 为设备类描述： 表3 2 设备类模型知识表示 再就是线路类，这里包括各个间隔的线路及母线。线路类中用于网络拓扑的所 有数据成员和成员函数都直接来自设备类，不用添加任何新数据和函数即可完成。 表3 3 线路类模型知识表示 华北电力大学硕士论文 最后就是其他设备类，除了以上提到的设备外，系统中还存在一些其他设备， 如负荷、电抗器、电容器等。它们都是网络的终端设备，统一用负荷类( c l a s sl o a d ) 表示，属单开关设备。尽管这些设备各具特色，但根据它们在网络连接中的一致 性，完全可以用目前的类构造这些特殊对象。负荷类由下表3 4 表示如下： 表3 4 负荷类模型知识表示 负荷类( c l a s sl o a d )基类变电站类( s t a t i o n ) 数据成员( p r o t e c t ) 设备名称( 设备所在厂站、设备名) ； 设备类型( 链表设备指针) ； 变电站名称( 字符数组) ； 电压等级( 设备所在电压等级) ； 设备位置( 设备所在间隔) ； 成员函数( p u b l i c ) ： 构造函数( 构造对象) ； 操作( 分、合闸) ； 定位( 快速定位到设备所在位置) ； 设备填数( 设备数据初始化) ； 添加设备( 在设备列表中加入新设备 或控件1 ； 3 1 2 自动检错功能 变电站仿真培训系统的建立，工作量大部分主要集中在数据库建立和界面 开发工作上。设备数据的初始化是变电站仿真培训系统的支柱，是保证仿真培 训系统正确可靠运行的关键。只有数据初始化建立正确，仿真培训软件才能准 确有效地进行变电站模拟，才能为受i j i l 人员提供一个逼真的培训环境，才能真 正达到培训运行人员的目的。但目前变电站仿真培训数据信息的校验功能还存 华北电力大学硕士论文 在以下问题。 ( 1 ) 目前还没有行之有效的数据初始化方法，其数据库的建立仍然只能 由专门人员手工完成，这种方法不仅耗时，而且数据库建立的准确性不高，查 错纠错比较困难。 ( 2 ) 人工查错工作量庞大，对工作人员的专业性要求高，修改比较困难。 变电站仿真培训系统的数据是相当庞大的，一个常规变电站一次设备数据 和二次设备数据项总和一般会有一万多项，如此庞大的数据要保证每一项数据 都准确无误，若靠人工校验，其工作量相当巨大。 ( 3 ) 查出错误，把错误彻底改掉比较困难。 当校验出错误数据时，也并非修改这个错误数据就能够达到目的。因为变 电站仿真培训数据并非都是孤立的，可能会和其它数据相关，这就要求对仿真 培u i l 的数据非常熟悉，才能够完成校验工作 ( 4 ) 数据维护困难。 由于变电站仿真培训系统开发中对工作人员的专业技能要求非常高，这延 长了开发周期，无论用户或者开发人员对系统维护也比较困难。 本文研究设计数据初始化的自动差错功能，在分步分类建立的基础上，对 每一步数据信息的建立工作进行查错，对每一阶段的数据建立进行校验，保证 每一步的数据的可靠性，便于当仿真中出现异常时，可以通过该功能检验数据 的可靠性，使用户和开发人员对仿真培训系统的维护易于实施。需要检查的错 误主要有以下三种： ( i ) 设备或节点属性知识不全面，需要自动进行检错。 对全网进行编号是变电站仿真培训系统数据建立的最基本前提，是变电站 仿真培训数据正确建立的必要条件，全网编号的节点的列属性信息之一是该节 点的电压等级属性。而在电网系统中共享的数据中，某些设备属性知识里缺少 电压等级属性，比如电抗器、电容器等。全网编号完成后，则需要对节点电压 属性进行检错，若该点电压等级属性为空时，则通过搜索与该设备相连的其它 设备的电压等级属性来对该点的电压等级属性进行修正。 ( 2 ) 设备间关联属性信息不完全，需要对一次节点配置信息进行检错。 配置一次系统设备时，普通设备的开关、刀闸属性信息是必不可少的属 性信息。当建立设备属性信息后，需要设备关联开关、刀闸属性信息进行检查， 若该项为空，则该设备应该退出，则应该修改设备的关联属性信息。 ( 3 ) 填数时，由于工作人员的失误，可能会出现设备数据信息填错的情 况，会导致系统出现错误甚至中断。当人工输入设备数据信息后，能够对所填 数据进行判断，并能将错误处显示出来，从而大大减轻了工作压力。 华北电力大学硕士论文 3 1 2 系统网络拓扑 上节中介绍了变电站中的变电站类及各种设备类的模型知识表示，但是要形 成系统设备的网络拓扑不仅需要了解各类设备及其模型，还需要了解这些设备之 间的联系，怎样建立这些联系系统效率最高，失误可能性最小，当需要进行合理 性校验时工作量最小。 参考文献【4 0 】，该文采用设备库和开关库的方式存储所有网络节点及其连接 关系，通过开关确定设备间的连接关系，由于这种连接关系是一种动态关系，在 网络结构发生变化( 开关动作，刀闸分合) 时，修改开关两端设备的开关链，动 态改变网络结构。这种形成网络拓扑的方法优点在于这样的网络模型具有很强的 通用性，不是以母线或其他设备为中心展开，所有设备不分主次，不分性质，所 有规则或不规则接线都可以很容易表示出来。但是这种方法形成的网络节点过多， 受文献【4 0 】的启发，本文采用一次开关及其相关刀闸作为一个开关支路， 将所有的一次设备都作为开关的支路设备加以分类，生成网络拓扑结构时将开关 及其相关刀闸作为一个整体，形成网络拓扑，形成更多节点用于检测故障，当系 统任意一点发生故障时，该故障点造成节点间关联信息中断，从而判断出该处发 生故障，能够在一定程度上减少网络搜索的时耗，更加及时准确地定位故障点。 该方法的网络拓扑知识模型为 图3 1 变电站系统网络拓扑模型 图3 2 为变电站一次系统数据初始化流程图： 华北电力大学硕士论文 图3 2 变电站一次系统数据初始化流程图 3 1 3 设备数据初始化 设备数据初始化是仿真培训系统正常运行以及与电网、二次系统实现联合仿真 的基础。通过设备数据入库使设备模型得到初始化数据信息和线路始末端节点关 联信息，初始化完毕、形成网络拓扑以后就可以得到系统每个设备数据信息和相 应的节点信息，从而完成系统的构建。 为完成设备数据初始化，需要开发人员手动填写设备初始数据信息，这里采用 目前广泛使用的对话框形式输入数据，对于需要采集的数据信息如下表3 5 所示： 表3 5 节点设备属性信息表 域名数据类型备注 设备类型 i n t 开关名 c h 盯 中文描述 输入节点名n dc h a r节点关联信息 输出节点名z n d c ：h a r节点关联信息 电压等级 i n t 功能 i n t设备功能 初值 i n t设备初始状态 说明c h 缸对于设备的额外说明 对于一次系统支路设备属性信息，设备类型为整型，事先已定义好数字所代表 的设备类型，0 5 所代表的设备类型分别为开关，刀闸，刀闸臂，地刀臂，现场中 的切换，现场中的按钮，其中现场中的切换和按钮是指一些特殊的支路设备，比 如变压器，c t ，p t 等。输入、输出节点名( n d ，z n d ) 贝l j 指相邻节点间的关联信息， 用于形成网络拓扑。对于设备功能整型数据则指设备在一次系统中的功能，m 1 3 所代表的功能选项分别为一般开关、母联开关、旁路开关、母联刀闸、旁路刀闸、 华北电力大学硕士论文 出线刀闸、母线侧刀闸、特殊旁路刀闸、旁路旁母侧刀闸、旁母兼双母切换刀闸、 p t 与母线刀闸、接地刀闸、p t 接地刀、变压器中性点地刀。 一次系统中除了设备数据需要进行初始化之外，还需要对设备内部各类控件如 切换把手等进行初始化，下面是各类控件数据信息框图 表3 6 设备控件属性信息表 域名数据类型备注 操作按钮类型 i n t 设备类型 i n t 设备名 c b a r 保护或操作箱型号 i n t控件所属机构类型 器件名 i n t 第几套 i n t 初始值i n t设备初始状态 控件说明 c h a r对于设备的额外说明 设备控件属性信息里，操作按钮类型中0 - 8 分别为复位、压板、切换、多状态 切换控件，信号灯、光字牌、仪表、机构箱内的o u t s i d e 、现场中的o u t s i d e 。设备 类型0 - 7 分别为线路、负荷、母线、电容、变压器、机组、交直流及开关。保护和 操作箱型号分为1 0 种，分别为中央信号屏、站用电、直流系统、主变汇控箱、断 路器液压操作机构、断路器气动操作机构、断路器弹簧操作机构、刀闸电动地刀 手动操作机构、刀闸地刀手动操作机构、小车断