（电力系统及其自动化专业论文）变电站仿真培训系统开发与调试工具的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变电站仿真培训系统开发与调试 工具的研究，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 任何贡献均己在论文中作了明确的随明并表示了谢意。 学位论文作者签名：童：3 璺墨整日期： 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阕；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文： 同意学校可盼用不同方式在不 厨媒体上发表、传播学位论文盼全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 朝韶睿 日期：弘0 7 羊_ 专日“口 导师签名：丕量亟墓 日期：勿卵； 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 电力是工业生产的主要能源，电力运行的可靠性及供电质量的优劣直接影响工 业生产的经济效益和安全性，因而作为电力系统重要组成部分的电网调度系统以及 集控站、变电站，其安全运行对维持电力系统的稳定至关重要，所以保证电网调度 系统以及集控站、变电站的可靠供电具有十分重要的意义“。 2 1 世纪的今天，我国电力发展步入了大电网、大机组、高参数、超高压和自动 化、信息化的新阶段。随着电网规模的不断扩大，电网结构的日益复杂，先进的自 动化设备的变电站不断投入运行，使得变电站对运行人员的技术水平提出了更高的 要求。由于电力运行的特殊性，运行人员培训和反事故演习往往在现场受到很大限 制，变电站仿真已经成为变电运行人员培训的有效手段。利用此培训系统能够对学 员进行正常操作培训及反事故演习的训练等，以增强运行人员对实际系统的操作控 制能力和对事故的判断处理能力”。 1 2 变电站仿真培训系统概述 1 2 1 变电站仿真培训系统的发展 变电站仿真培训系统的发展已经有十余年历史了，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。目前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 。 随着变电站自动化水平的不断提高、先进自动化设备的变电站以及无人值班变 电站的不断投入使得变电站正朝着集保护、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，许多变电站已经取消了控制屏，目前已经开发出了 纯软件模式的变电站仿真培训系统，整个系统只有计算机硬件、仿真软件和网络组 成。该种方式更加灵活，可直接安装在现场，将更符合现场实际情况”“”，满足具 体变电站仿真培训内容的要求。 华北电力大学硕士学位论文 变电站仿真培训系统的发展与计算机技术、变电站监控技术的进步有着密切的 关系，不同技术水平时期建造的系统有其各自的特点。 文献【9 】采用基于面向对象的仿真技术开发的变电站就地多媒体仿真培训系 统，是将面向对象与多媒体仿真技术集于一身的软仿真，从经济技术和实用性方面 看，有着广阔的推广规模和应用前景。 文献【1 0 1 介绍了虚拟变电站仿真培训系统的结构及虚拟变电站的建模方法， 采用虚拟现实建模语言建立了三维虚拟电气设备及虚拟变电站，将基于m a t l a b 的 电力系统仿真软件与虚拟变电站连接起来模拟变电站的各种运行状态。该系统不仅 具有三维显示、实时交互及动态仿真等特点，还可以在p c 机和w i n d o w s 操作系统 环境下运行，因此具有经济、高效、便于使用等优点。 文献【1 1 】介绍了变电站仿真系统在纯数字仿真与真实的二次结线、二次设备、 远动装置和监控装置相结合的新发展及需要解决的技术问题。此变电站仿真系统可 方便地推广应用于2 2 0 k v 变电站和5 0 0 k v 变电站等不同的仿真对象上，具有可进行 电气人员的运行值班、无人值守运行方式的巡检、二次回路检修、继电保护维护调 试的岗位培训和远动人员的岗位培训的五大功能，它大大地扩展了常规数字仿真系 统的概念及使用范围，提高了利用率。 文献【2 】以南昌5 0 0 k v 变电站仿真培训系统仿真环境为例，采用复制与虚拟 相结合的仿真形式，建立了变电站仿真培训系统的仿真环境。利用面向对象编程、 分布式数据库、局域网实时通信及多媒体技术构筑系统。通过人机交互界面、操作 开关、表计和显示设备，全面观察系统运行状态。系统所采甩的仿真环境及培训效 果，充分说明了建立半实物仿真环境培训系统的优越性。 i 2 2 变电站仿真培训系统的分类比较 变电站仿真培谢系统的发展与计算机技术、变电站监控技术的进步有着密切的 关系，不同技术水平时期建造的系统有其各自的特点。下面将分类介绍目前在现场 投入使用的变电站仿真培训系统的具体特点“1 2 - 1 7 j o 1 按仿真的范围和复杂程度，主要分为三种类型： ( 1 ) 孤立变电站型变电站仿真培o i i 系统。仿真范围仅包括变电站内部的一、 二次系统和装置，变电站电源和负荷在其进出线上等值连接。优点是造价相对较低。 缺点：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。 ( 2 ) 考虑简单电网的变电站仿真培训系统。仿真范围除包含变电站内部的一、 二次系统和装置外，还将与变电站相连的局部电网简化后作为变电站运行的外部环 境。这种系统虽能不同程度的解决孤立变电站型存在的不足，但由于电网模拟是不 2 华北电力大学硕士学位论文 真实的，发电机、负荷、线路、变压器、电容器的投切和分接头调节在简单电网中 的反映与实际电网有较大的差距，它往往带给运行人员的是一个错误的概念。 ( 3 ) 考虑复杂电网的变电站仿真培训系统。它将仿真变电站所在的地区电网 或省级电网整体保留，考虑电网和变电站之间的相互影响，实现全网保护配合。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。但开发工作量大，技术难度高，开发周期相对较长。 2 按仿真系统对监控屏盘仿真的方式，也可分为以下三种类型： ( 1 ) 硬屏盘变电站仿真培训系统。使用物理实物的方式仿真变电站的控制盘、 保护盘、操作盘、模拟盘。但为了节省投资，一般只i ：i 地仿造这些屏盘的面板 部分，包括仪表、光字、信号灯、控制开关等。这种系统的优点是操作、监视直观、 现场氛围强，缺点是投资大，占地面积大。 ( 2 ) 软屏盘变电站仿真培训系统。采用在计算机屏幕上绘制变电站屏盘，用鼠 标代替人手操作屏盘上的控制开关、按钮、保护连接片。这种系统的优点是投资小、 占地少、配置灵活、易于实现一机多模。缺点是操作、监视不直观、现场氛围弱。 ( 3 软硬屏盘结合的变电站仿真培训系统。结合了上述两类方式的优点。在 软屏盘方式的基础上，按培训的具体要求，用硬屏盘方式实现个别回路的控制、保 护等装置的仿真，或将真实的控制、保护、开关装置接入仿真系统。近年来，随着 计算机多媒体技术、虚拟现实技术的发展，交互式、多视角、可漫游的三维立体画 面在配电装置的仿真中已有应甩，并成为变电站仿真培训系统的发展方向之一 3 按选择变电站和系统的方式，又可分为以下三种类型： ( 1 ) 综合式的典型站。所仿真变电站的主接线不是一个特定变电站的接线方 式，而是综合了本地区各电压等级的典型接线，是一个虚拟变电站，站外等值为无 穷大系统或一个虚拟的小网络。一般盘台模式的仿真系统选则此种模式。 。 ( 2 ) 详细仿真一个变电站的独立站。选择一个实际盼变电站进行详细仿真， 站外与一个地区电网连接，地区电网按实际接线仿真，电网中每个站简化为1 至2 个节点。由于实际变电站的保护屏较多，选用盘台模式时，需要对保护屏进行简化， 或选择用软件仿真保护屏。 ( 3 ) 与地调仿真相结合方式。选择l 至2 个实际变电站详细仿真，站外与一 个地区的电网相连，地区电网按实际接线仿真。当一个仿真系统中要详细仿真2 个 变电站时，不适宜采用盘台模式。 1 2 3 变电站仿真培调系统的硬件配置 变电站仿真培训系统的硬件系统是一个以“以太网”为中心的开发式系统，具 3 华北电力大学硕士学位论文 有易于扩展及全网资源共享的优点。包括计算机设备、网络通信设备和仿真屏盘等 设备。随仿真系统类型不同、研制单位不同，硬件配置也有所不同n2 1 8 - 2 2 。 图1 - 1 所示是s t a r - 9 0 系统带硬屏盘的变电站仿真系统配置图。s t a t - 9 0 用专 用接口板驱动屏盘上的光字、仪表和信号，并采集屏盘上的操作信号。接口板通过 r s 2 3 2 串行通信接口与主机连接。 另有一些仿真机系统采用工控机完成屏盘与模型主机的通信任务，如图1 - 2 所 示。工控齐j 具有i o 板卡通用、高级语言编程、可与以太网相连接、维护方便、价 格低量等特点，在有硬屏盘和真实设备的仿真培训系统中广泛使用。 图卜3 所示是软屏盘变电站仿真培训系统硬件配置图。当采用软屏盘方式时， 为了便于监视变电站运行状态，一般配置投影仪，将屏盘画面或监控画面输出到大 屏幕上。 仿真主机以往用小型机，后来甩工作站。随着微机计算能力的增强，仿真系统 中的所有计算机使用廉价的微机已成为可能。 图卜1s t a r - 9 0 硬屏盘变电站仿真系统配置图 4 华北电力大学硕士学位论文 援翳群辫 图i - 2 采用工控机的硬屏盘变电站仿真系统配置图 生橇 敦蝽爨禽 图卜3 软屏盘变电站仿真培训系统硬件配置图 5 慑铲盘 华北电力大学硕七学位论文 1 2 4 变电站仿真培训系统的软件配置 变电站仿真培训系统的软件除操作系统外，主要由模型软件、教练员台软件、 操作台软件和通信软件等组成，这些软件协同工作，完成仿真系统的运行、操作和 管理。有些变电站仿真培训系统还提供多媒体教学软件乜1 2 2 3 , 2 4 。 1 模型软件 模型软件采用数字计算机仿真技术实现对变电站及其所在地网的一次设备及 由它们组成的电网，二次设备及由它们组成的各种装置、操作人员及运行管理制度 的模拟。模拟软件一般在主机上运行，变电站仿真培训系统的模拟软件包含以下几 部分； ( 1 ) 一次设备和电网模型软件 一次设备可分为静态设备和动态设备。静态设备是指输入输出之间的关系可用 代数方程式描述的设备；动态设备是指输入输出之间的关系可用微分方程式描述的 设备。一般在培训仿真中开关等设备采用静态模型；带有自动转速、电压调节的发 电机应采用动态模型。 电网动态模型包含拓扑分析、潮流计算和故障计算子模块能够连续地处理不可 预见的电网事件，实时准确的计算电网在各仿真时刻的运行状态。 ( 2 ) 二次设备及其装置模型软件 这部分模型软件仿真的对象包括：保护装置、备用电源自投装置、电容器自投 装置、变压器分接头调节装置、直流系统、各种互感器及回路等。 ( 3 ) 操作人员及运行管理制度模型软件 当操作人员发生误操作时，模型软件能正确反映误操作造成的后果。模型软件 还应提供按照变电站运行管理制度，操作人员进行正常或故障情况下的巡视、检查 工作的功能。 2 教练员台软件 教练员台软件在教练员台上运行，主要起控制模型运行和提供培训功能的作 用。 3 操作台、就地操作站和监控站软件 操作台软件在学员操作台的计算机c r t 上绘制变电站控制室内的控制盘、保护 盘等控制盘台的面板画面。模型结果按实际盘台的方式在绘制的面板上显示，操作 员用鼠标操作，实现对仿真变电站的控制。 就地操作站软件提供控制室外手动控制的设备或系统的操作监视界面。一般在 就地操作站的计算机c r t 上绘制系统的系统接线图。如主接线图、站用系统图、直 流系统图。 6 华北电力大学硕士学位论文 监控站软件全面监视仿真变电站的运行状况，应具有参数监视、曲线管理、报 警管理、事件顺序记录等功能。 4 通信软件 通信软件的作用是在组成仿真变电站培训系统的各应用软件之间交换信息。如 主机模型通信软件将运行结果发送到操作台、就地站、监控台或屏幕盘上显示数值 或状态；学员在操作台、就地站的操作通过通信软件发送到主机模型。 1 2 5 变电站仿真培调系统的仿真范围和仿真程度 仿真系统建立前必须首先确定仿真范围和仿真程度。仿真范围是指在仿真系统 中要对那些设备或系统建立数学模型；仿真程度是指数学模型要模拟设备或系统的 哪些物理学、数学和电力科学的基本规律。仿真系统的目的不回，其仿真范围仿真 程度也有较大的差别。对以培训运行操作员为目的的变电站仿真系统而言，一般要 求饷仿真范围和程度简述如下l 1 2 j = 现代变电站仿真培训系统的数学模型中要求包括仿真变电站的运行环境及周 边电网。变电站一、二次系统的数学模型的运行以周边电网的仿真结果为基础，所 以周边电网的仿真是整个仿真系统的关键。 根据要求的不同，周边电网仿真范围可大可小。一般要求保留变电站所在地区 的电网，而对地区电网以外的部分作相应简化和等值处理。电网仿真应能正确计算 各种正常和故障运行方式( 短路、断线、断路器三相位置不一致，或它们的组合) 下的电气参数，以及由一种运行方式过渡到另一种运行方式的过程中电气参数变化 的动态过程。上述电气参数一般应包括节点电压、节点频率、支路电流、发电机功 角等。 1 2 6 变电站仿真培训系统培训功能 变电站仿真培训系统真实地模拟了电力系统的运行特性。在正常运行和发生事 故时，操作人员感受到的仪表、音响及灯光变化也与实际一致。训练员通过下达操 作任务，或借助教练员的功能设置设备故障和各种故障组合、修改外部参数、选择 初始状态是先培训功能“”1 。 1 、正常运行工况培训 正常运行工况是指各种电气参数及设备状态都在安全运行所允许的范围内的 运行工况。在正常运行工况下能作如下培训：运行监视、切换操作、巡视。 2 ，故障运行工况培训 7 华北电力大学硕士学位论文 仿真系统能实施地仿真各种故障工况，这时系统和自动控制系统均能反映真实 的故障过程。仿真系统模拟的故障可以由误操作自然引发或由教练员加入。在故障 运行工况时，操作员依据声光报警信号、仪表指示和保护动作信号判断故障的性质 和位置，通过合理操作隔离故障设备，恢复供电。 1 3 本所开发的仿真软件相关介绍 i 3 1 软件运行原理和功能模块 我们开发的仿真软件主要包括仿真程序工程文件和多个不同功能的模块以及一 些辅助功能的程序，如图l 一4 所示，仿真程序和各模块互协调工作，实现仿真培训 的各项功能。具体可分为如下两方面： 图1 - 4软件运行原理图 ( 1 ) 人机对话 相关人员运行该程序时，首先进入主程序提供的人机交互界面，通过选择系统 自动弹出工具条的相关选项，将指令发给系统主程序。主程序接受人员指令后，将 在后台运行，并将结果通过屏幕显示，对话框，报警音，文件输出等多种形式反馈 给人员。人员根据这些现状进行下一步操作。 ( 2 ) 主程序运行 主程序f z m 根据被操作人员选中的工具条所传递的指令，进行运算，并调用相 8 华北电力大学硕士学位论文 关的具有特定功能的动态链接库文件，通过这些动态库文件对各个模块进行处理， 完成所需的功能。 下面将具体介绍仿真程序及各个功能模块： 1 仿真程序工程文件 仿真程序工程文件运行原理是：通过主程序，调用多个动态连接库( d l l 文件) ， 主程序是仿真软件的核心部分，可执行文件名为s i m u e x e 。软件正常运行时，所显 示在电脑屏幕上的工具条和下面的状态条，是主程序的人机界面，通过对这些菜单 的调用，可以实现程序的所有仿真功能。 2 数据模块 变电站仿真系统的基本功能有：网络拓扑、潮流计算、故障计算、保护动作特性 模拟等，其数据结构的设计为实现仿真培训系统功能而设计的，数据模块用来提供系 统仿真所需要的各种一次、二次数据。 主程序通过动态链接库d b l o a d d l l 读入初始数据、加载相关数据，实现对数据 的调用及处理等，为计算分析程序( 接线分析，潮流计算，故障计算) 提供数据来源。 3 图形界面模块 图形界面模块是用来模拟变电站的室内设备，提供仿真工作环境，主要包括变电 站监控微机上的主接线，光字牌等，以及保护控制室内的各种保护屏柜。 图形界面模块是运用w i z c o n 的作图和动态显示功能开发的仿真系统所需要的一、 二次设备的图形。界面图中包括静态图和动态图，动态图经过动画定义后能够很好的 仿真变电站的在运行当中各种动态电气设备诸如开关、刀闸等的开合动作，以及各种 指示灯的亮灭，保护信号的闪烁等。通过对图形组合及设置各种链接，基本能够实现 模拟现场这些屏柜及微机监视界面的所有功能。 主程序通过动态链接库i n t 嘲i d l l 实现对图形界面的调用及处理等。 4 巡视模块 巡视模块主要用来提供变电站室外设备巡视的工作环境。仿真巡视时，调出相应 站的设备巡视导航图，然后进入需要巡视的设备，查看设备巡视点的状态，判断设备 是否有缺陷。 巡视模块是由a u t h o r w a r e 多媒体软件开发工具所生成的。a u t h o r w a r e 多媒体软 件主要用来开发变电站室外设备巡视的工作环境。首先根据现场实况，将需要巡视的 主变、断路器、隔离开关、避雷器、中性点地刀、c t 、p t 等几乎所有一次设备的图片 链接到设备巡视导航图即该变电站的主接线图上。然后根据需要，将每个设备的所有 巡视点的高分辨率的局部图片链接到设备主图上。 主程序与巡视程序i n s p e x e 直接进行数据交换，采用d d e ( 动态数据交换) 方式。 不仅能够实现不同图片之间的切换，并能完整地记录人员对设备的具体操作以及设备 运行的状况和参数。 9 华北电力大学硕士学位论文 5 故障设置与管理模块 故障设置与管理模块用来提供实现模拟现场事故环境的功能。我们的培训系统是 通过建立一个完善的由该变电站内不同元件可能发生的各种类型的故障教案逐条组 成的数据库，培训时由教员任意加载一条或多条故障教案，实现模拟现场事故环境的 功能。随着故障的发生，相应的保护就会动作，事故信号开始报警，相应的光字牌开 始点亮。学员可以在相应的屏柜里对保护进行复归。对于整个仿真系统，可以点击培 训管理中的“恢复为初始状态”来进行复归。 所依据原理是故障触发后，在经过故障计算、保护仿真计算后，仿真软件便可模 拟出故障发生后变电站内监控系统、保护屏等实际反映的各种现象。学员依据声光报 警信号、仪表指示和保护动作信号判断故障的性质和位置，通过合理操作隔离故障设 备，恢复供电。同时，后台的智能辅导系统则根据当前的故障现象，模拟人类专家的 思维，用专家系统推理，诊断出对应的故障地点和类型，并给出相应的处理原则，以 指导学员掌握诊断和处理故障的方法。 g 操作票模块 对学员进行倒闸操作培训是变电站仿真培训系统的一项重要功能。在培训系统对 学员刀闸操作培训时，可以通过调用操作票模块进行开票操作，生成标准操作票并返 回到仿真培训系统中，作为对学员操作是否正确作出判断或提供帮助的依据。 “变电站操作票专家系统”是变电站使用的僦闸操作票的智能处理系统，它根 据电力系统对倒闸操作的防误操作要求和现场设备的状态，按照“五防”闭锁规则和 变电站现场运行规程等进行判断，开出完全实用的包括二次设备操作项的倒闸操作 票。开票系统可以和变电站仿真培训系统结合起来，利用自动开票的功能为其提供准 确的操作序歹i j 。由于本系统具有在异常情况下的开票功能，所以除了能对学员进行正 常的操作指导之外，还能进行异常情况下的操作指导。 7 其他辅助功能程序 除以上基本模块软件还有打印模块、故障教案仿真保护装置跳闸报告等一些辅助 功能模块协调工作，实现变电站仿真培训软件的基本功能。 1 3 2 开发流程 软件平台是介于计算机操作系统和应用系统之间的桥梁，它丰富和扩充了操作 系统的服务和功能，为应用系统提供了更友好、更方便、更强有力的数据存储和数 据处理的综合服务机制。所以在软件平台出现后，应用软件的开发者可以在某个通 用软件平台的基础上进行二次开发来实现不同系统的用户要求。这样，开发者可以 集中精力面向具体应用进行需求分析和软件开发，一方面可以大大缩短开发周期， 华北电力大学硕士学位论文 另一方面用这种方法开发出的软件容易进行维护，版本升级和移植也很方便。同时 由于软件平台已经经过很长时间的考验而成为成熟的软件成分，在平台上进行二次 开发而形成的整个软件的可靠性也大大提高。我们将基于通用工控软件平台w i z c o n 和a u t h o r w a r e 进行变电站仿真培训系统的开发“。具体流程如下： 1 收集现场资料，主要包括一下步骤： ( 1 ) 整理用户对此培训系统的需求。 ( 2 ) 采集用于开发巡视模块的变电站室外设备的信息。主要包括主变、断路 器、隔离开关、避雷器、中性点地刀、c t 、p t 等几乎所有一次设备各个角度的全景 照和主设备上各个巡视点的局部特写照片。并收集设备异常、事故时的现场照片。 ( 3 ) 采集用于开发界面模块的变电站室内设备的信息。通过现场拍照方式记 录变电站监控微机上所显示的主接线，光字牌等信息；通过录像、拍照、画图等方 式记录保护控制室内所有保护屏柜的布置图和每一屏柜上的具体装置。为开发界面 提供依据。 ( 4 ) 采集用于开发数据模块的变电站内所有设备的信息，包括所有设备的相 关参数，配电容量，保护整定，潮流计算相关的电压，电流，以及设备运行状态等。 ( 5 ) 采集用于开发操作票模块的变电站操作票案例等。 2 开发界面模块、巡视模块和数据模块并进行界面调试和潮流调试 根据采集的现场资料，用w i z c o n 开发仿真系统的界面，即按实物的照片、录 像等画出主接线图和各种保护屏，开关控制屏等；利用a u t h o r w a r e 开发仿真系统 的巡视模块，即甩p h o t o s h o p 对设备照片进行相关处理后再建立其链接关系：整理 数据资料，生成仿真系统所需要的数据模块。 界面调试主要包括：主接线图上的开关、刀闸状态调试：保护屏、开关控制屏 上的重合闸保护压板以及二次小开关的状态调试；保护屏上保护装置和光子牌上各 种表记、指示灯的逻辑输出调试。潮流调试主要包括；潮流计算是否收敛，各个表 记所显示的潮流是否合乎现场实际情况，每条线路的电压、电流等等是否越线。 3 故障设置与管理模块、操作票模块的开发与调试 通过生成各种故障和异常案例完成故障设置与管理模块的开发；通过加载各种 故障和异常案例，查看故障记录并分析启动开关保护等是否合乎逻辑。 操作票模块是指利“变电站操作票专家系统”的开票功能，提前将所有相关开 关、刀闸等设备的初始状态、目标状态等录入，完成操作票模块的开发。 4 其它 通过现场演示此系统，征求变电站相关人员的意见或建议，并对系统进一步改 进。将完结版在现场安装和网络通讯测试。编写使用说明书，并对使用人员进行培 训。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 1 3 3 所实现的培训功能 本仿真培训软件可运行在w i n d o w sn t 、w i n d o w sx p 和w i n d o w s2 0 0 0 等w i n d o w s 3 2 位操作系统上。“变电站仿真培训系统”仿真了一个变电站运行人员的工作环境， 从其功能设置上看，主要有四方面的培训内容“： 1 监视记录及调整变电站运行工况模拟培训 仿真主控室内监控系统界面上按电网拓扑变化、负荷波动和主变分接头位置不 同的变化情况，并与室外主设备的巡视培训相配合，仿真事件报警信息窗口，以培 训学员对正常和异常事件的记录和处理能力。 2 正常倒闸操作模拟培训 用于培训学员开操作票和倒闸操作能力，培训内容包括模拟操作和正式操作两 部分。当学员进行操作时，后台智能辅导系统实时跟踪学员的每一步操作，通过专 家系统推理后，对错误的操作给出提示信息，指出学员错误的原因，并给出正确的 操作方法。 3 事故过程的处理及恢复供电模拟培训 在仿真变电站内和出线上设置任意故障地点、任意短路类型的瞬时故障和永久 故障，并可设置任意开关和保护拒动，组合出多种复杂故障，仿真软件在经过故障 计算和保护仿真计算后，模拟出故障发生后变电站内的监控系统、保护屏上反映的 现象。后台的智能辅导系统根据当前的故障现象，模拟人类专家的思维，用专家系 统推理，诊断出故障地点和故障类型，并给出相应的故障处理原则，用来指导学员 学习正确的诊断和处理故障的方法。 4 正常及事故巡视模拟培训 用多媒体技术仿真室外主设备及其各巡视点，做规定时间和巡视路线的正常巡 视，并与主控室内监控系统的事件报警信息窗口相配合，做特殊巡视。后台的智能 辅导系统将记录和评判学员对巡视点的情况是否判断正确，是否漏掉某些巡视点 等。 1 4 本文所做的工作 我们所使用的变电站仿真培训系统开发工具已成功开发出多个不同地区、不同 仿真类型的变电站仿真培训系统。但也存在一些问题，归结如下： ( 1 ) 已有的仿真系统数据库开发工具虽然能够生成大部分所需的数据，但由于 使用时间短，测试不充分，不同工程中电网和设备的形式有很大区别，有些情况在 已有的工具中没有考虑到，致使生成的数据不正确或不能生成，还需要后期人工手 华北电力大学硕士学位论文 动填写与校核。 ( 2 ) 目前还必须人工填写典型故障案例，该工作的工作量大，而且容易填写错 误，这类错误还必须等到故障调试时才能发现。因此，迫切需要开发一种能自动完 成该工作的工具，提高开发效率。 ( 3 ) 目前故障调试的过程是：由开发人员从故障案例中选择一个事件，启动故 障，查看故障记录中的故障仿真结果( 动作的保护和开关) 。开发人员根据故障点 的设置信息，人为预想应动作的保护和开关，并与仿真记录相比较，从而判断仿真 结果是否正确。这个工作不但要求开发人员具有较完备的专业知识，而且需要开发 人员逐条对故障案例的仿真结果进行判断，工作量也很大，使故障调试的时间很长。 因此，如果能开发一个辅助开发人员调试故障的工具，将极大提高故障调试的效率。 ( 4 ) 目前仿真培训系统中在实现故障后的设备巡视培训时，必须将故障事件和 设备异常事件进行组合，但这两类事件要分别设置，用户提出这种操作流程太复杂， 不易掌握，希望能在设置设备巡视点异常的同时，自动增加相应的故障事件。 本文针对现有的仿真培训系统工程开发和调试中的不足，做了如下工作： ( 1 ) 通过工程实践，发现已有的仿真系统数据库开发工具的多个缺陷，研究进 一步完善的方法。 ( 2 ) 研究了典型故障案例的填写规则，开发了自动生成典型故障案例数据库的 工具。 ( 3 ) 模拟人工调试故障的思维过程，研究并开发了采用逻辑规则仿真保护动作 的功能，用于快速、方便地调试保护配置中不合理的数据。 ( 4 ) 研究并开发了在主设备巡视点设置异常时由仿真软件自动添加相应的故障 事件的功能，实现了故障后的设备巡视培朗f ，简化了设备异常引发故障的设置过程， 提高了软件的易用性。 上述改进或新增的开发，调试工具和改进的系统功能模块，已应用在呼和浩特 电业局、鄂尔多斯电业局和三明电业局的变电站仿真培训系统工程项目中。实践表 明，使用方便、结果正确，与以往工程开发工作相比，大大减少了手动填写与人工 纠错工作，提高了工程的开发效率。 华北电力大学硕士学位论文 第二章仿真培训数据库开发工具的改进 2 1 已有的仿真数据开发工具 2 1 1 原理和数据流向 变电站仿真系统的基本功能有：网络拓扑、潮流计算、故障计算、保护动作特 性模拟等，其数据结构的设计为实现仿真培训系统功能而设计的。数据库开发工具 的作用是生成仿真培训数据库，提供系统仿真所需要的各种一次、二次数据“。 现有仿真培训系统的数据库开发工具是将e m s 格式的数据自动转换成变电站仿 真培训系统需要的数据内容和格式。其基本原理是根据变电站仿真数据的层次结构 关系、关联关系以及继承关系，采用保护模板技术以及网络拓扑搜索技术，实现了。 自动建立仿真培训数据的功能。 该工具包括一次设备数据建立和二次设备数据生成两部分，其相对应的数据流 是一次设备数据流和二次设备数据流图，见图2 - 1 、图2 2 。 保护攘板设计 一次设备 连接关系表 一次设备敷据 保护参数 人工置八 根据设备类型 i i 行保护配置 圆匦困 匝豳困 l 墨塾丝堡鲞望塑竺耋i 匿蚤巫噩亟垂圃 医匦查亘 = 匿匦叵噩塑 二二 区匦重亟亟夏亘匾圃 区亟亟亟霾疆巫妇 图2 - 1 一次设备数据流图 1 4 蚕 ，1_11 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 基本模块和功能 图2 - 2 二次设备数据流图 随仿真培训工具启动，依据e m s 数据格式建立的一次设备数据信息转换为本工 具的电网拓扑知识表示结构，并弹出数据建立界面。下面按一次和二次分别介绍。 1 生成一次设备数据信息 图2 - 3 一次设备数据建立界面 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3 是生成一次设备数据信息的界面。通过点击其下拉菜单的选项，实现各 项功能。具体介绍如下： 首先进行c t 设备配置工作，配置c t 设备会影响电网拓扑结构，会增加新设备 和新节点。接着进行全网节点自动编号，实现拓扑分析以及其它功能，都是基于电 网编号基础之上的。最后通过点击“生成2 4 点功率曲线”、“生成p t 设备”、“生 成支路”三个选项就可生成潮流数据信息，自动建立电网中的p t 设备信息和电网 的阻抗等效模型。 变电站仿真培训需要的其它一次数据信息通过“生成其它一次数据”和“配置 表记显示”项自动建立。其中，元件功率电压表描述电网全网编号后各节点的节点 号及其相关属性信息，表记输出数据信息表描述监控界面上的各个设备的电流、电 压、有功、无功、功率因数等信息。 2 生成二次保护配置等数据 图2 - 4 二次设备数据建立界面 图2 - 4 是生成二次设备数据的界面。首先依据设备的类型，按照线路、变压器、 母线三种情况为一次设备配置保护装置。以配置线路保护为例进行介绍：点击图2 - 4 中的“配置线路保护”调出配置线路保护界面，可以从线路名列表中选择需要配置 保护的线路，然后按电压等级选择各个电压等级需要配置保护类型。变压器、配置 母线保护的过程与此相似，不再重复说明。 一次设备保护装置配置完成后，点击“生成保护配置数据”选项可生成前面所 配置的保护装置相关数据表，具体为：保护整定数据表、保护关联c t 数据表、保 护关联丌关数据表、保护关联p t 数据表。此外通过此界面还可以建立重合闸数据 表。 华北电力大学硕士学位论文 3 、生成二次设备其它数据表 包括：保护装置的保护范围表、保护巡检范围表、元件和区域名称表、数据字 典表。 2 1 3 使用评价 变电仿真培训系统数据库开发工具，通过从e m s 系统中获取基本一次设备数据 信息，并以基本一次数据为基础生成系统所需的其它数据。此工具解决了以往开发 过程中数据录入量大、检错困难的问题，实现了与e m s 电力系统高级应用软件数据 共享，大大提高了变电站仿真培i ) i f 系统的开发速度。 通过工程实践，发现已有的仿真系统数据库开发工具虽然能够生成大部分所需 的数据，但由于使用时间短、测试不充分，不同工程中电网和设备形式的有很大区 别，有些情况在已有的工具中没有考虑到，致使生成的数据不正确或不能生成，还 需要后期人工手动填写与校核。 本文通过在呼和浩特电业局、鄂尔多斯电业局和三明电业局的变电站仿真培训 系统工程项目中使用该工具建立数据库，查找出已有的仿真系统数据库开发工具的 多个缺陷，并研究了进一步完善的方法。以下将具体介绍。 2 。2 已有工具中存在问题和解决方案 通过测试，查出并解决了几十个问题，在此不一一列出。只以其中一个问题进 行分析。 该问题是这样发现的：某站2 2 0 k y 为双母线接线，配有母差保护。测试时，合 上某i b j 隔中断路器和母线侧隔离开关阄的接地刀闸后，仿真系统没有故障现象。从 事故预想方面分析，该故障应该属于母差保护的范围，母差保护应动作，该母线上 的所有断路器都应跳开。 通过调试，发现“保护巡检范围表”中的数据不正确。 2 2 1 保护巡检范围表介绍 保护巡检范围表用于保护仿真计算，由两部分组成：一部分描述每个地点( 或 范围) 中包含的端点，另一部分描述该地点( 或范围) 内发生故障时，应查询并分 析哪些设备的保护是否动作，避免对所有保护进行分析，提高仿真速度。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1 是保护巡检范围表的数据结构，对照图2 - 5 ，以“列西变l # 主变”为例 进行说明。 表2 - 1保护巡检范围表数据结构 域名数据类型备注举例 故障地点编号 i n t编码 2 7 中文 故障地点名称中文列西变1 # 主变 描述 故障地点代码字符串 z i - t 1 x 1 1 5 1 ，1 4 8 ，2 7 ，2 6 ，1 4 9 ，6 6 ，6 5 ，1 5 0 ，1 2 7 ， 始端元件号1 ，2 ，3 ， i n t 1 2 6 末端元件号1 ，2 ，3 ， i n t 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 巡检范围代码1字符串 z 1 - t 1 x 1 巡检范围代码2字符串 z l - t 1 x 2 2 1 3 l 竺习i ， 元辱号第_ + ，b p 叶劈_ f l 元栉聃1 、， l l o k y i g 臣- - 图2 - 5 列西l 号主变相关元件号图 1 8 诩 i 华北电力大学硕士学位论文 “列西变1 # 主变”由本体、高压侧、中压侧和低压侧四部分组成。本体用变压 器等值模型的中点的编号表示，其它各侧是指从该侧断路器旁边的独立c t 到主变 本体的范围，这些范围内包含的各地点用相应的端点号来描述，列于下表： 表2 2 列西变l # 主变地点与始末端点对照表 地点 始端点号末端点号 列西本体主变本体 1 5 lo 变高压侧2 1 i 断路器与2 1 1 3 隔离开关之间2 6o 1 # 主2 1 1 3 隔离开关与主变高压侧套管c t 之间2 7o 变 主变高压侧套管c t 与主变之问 1 4 8o 中压侧1 3 1 断路器与1 3 1 3 隔离开关之间6 5 o 1 3 1 3 隔离开关与主变中压侧套管c t 之间 6 6o 主变中压侧套管c t 与主变之间 1 4 9o 低压侧3 1 0 断路器与3 1 0 3 隔离开关之间 1 2 6o 3 1 0 3 隔离开关与主变中压侧套管c t 之间 1 2 70 主变低压侧套管c t 与主变之间 1 5 0o 若上述这些地点发生故障，应分析该站的1 号和2 号主变的保护是否动作，这 个逻辑由表2 - i 中“巡检范围代码”描述，z 卜t l x l 和z 1 - t l x 2 分别表示1 号和2 号主变。 假设误操作隔离开关2 1 1 3 ，仿真系统将取其任一侧的端点号，在巡检范围表中 搜索到该端点所在的故障范围，确定应查询分析的保护。否则，系统将不能仿真出 故障现象。 2 2 2 原有推理过程的缺陷 原来的推理过程大致如图2 6 所示，首先将一次设备连接关系表e m s c o n n t e m p 中的线路、负荷、变压器、母线均记录在保护巡检范围表i n s p 中。并依据元件类 型，参照保护配置表、保护整定表、接线分析开关刀闸表、保护c t 表等为其配置 故障地点的所对应的多组始末元件号及巡检范围( 即发生故障时所需巡检的设备代 码) 。具体配置过程较为复杂，不再一一详述，仅以变压器配置保护巡检范围表i n s p 为例，介绍如下。 如图2 6 所示，当读入的元件类型为变压器时，程序生成三绕组变压器总体i n s p 记录，并填入本体保护i n s p ，高压侧保护i n s p ，中压侧保护i n s p ，低压侧保护i n s p ， 华北电力大学硕士学位论文 然后通过调用函数f o r m t r a n s i n s p l i b 分别完成变压器本体、高压侧、中压侧、低 压侧故障地点的始末元件号的查找。最终输出i n s p 表时，为每一个变压器配置五 组数据，即变压器总体、变压器本体、高压侧、中压侧、低压侧，其中变压器总体 的地点范围由后四项故障地点的组合。 读入初始数据：一次设备连接关系袁：保 护配置表保护整定袭，接线分析开关刀 闸表。保护c t 表i n ti = o ； 读一次设备连接关系表巾第i 项元件 的信息，并记录左端几件号和右端元件号 获得该元件项的相关信息，并 记录到i n s p 袭中，根据保护具 体情况为其配置巡揄范崩 获得该元件项的相关信息，并 记录到i n s p 袭中，根据保护具 体情况为其配置巡榆地嘣 对以上生成的巡椅范刑进行订完 善，并输出到立本文件i n s p d a t 中 形成仿真二次n a m e c v r ? 袁，由 y e c i n s p 和v e c b p a r 共同得到 图2 - 6 形成巡检保护表流程图 通过多次测试，发现原有推理存在的多处问题，归结如下： ( 1 ) 当原始数据中含有双绕组变压器时，程序出错，流程中断； ( 2 ) 输出列表中有线路名称重复： 2 0 甲审每是 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 部分保护项的巡检范围有问题，导致故障发生在其范围时保护不动作。 如前面提到的合上某间隔中断路器和母线侧隔离开关问的接地刀闸后，仿真系统没 有故障现象。 2 2 3 改进的推理过程 问题( 1 ) ：已有工具没有考虑双绕组变压器的情况。 原开发工具中在生成巡检范围表时，忘记考虑双绕组变压器的情况，致使在开 发三明地区的变电仿真软件时，该工具无法执行，中断。后经分析，在程序中相关 的数据配置中增加双绕组的情况，并调试成功。 三绕组变压器巡视点由高压、中压、低压和中性点四点组成，基于双绕组变压 器的高压侧出线与本体侧为同一端点，工具生成巡检范围表时将以上两端点合并为 一点。 问题( 2 ) ：有线路名称重复。 针对保护巡检范围表( 数据结构见表2 一1 ) 中由于线路名称重复、以及部分联 络线路命名不正确而引发的线路与站所属关系混乱的问题，对程序进行分析并发 现：原程序是按站生成保护巡检范围表的，使得同一联络线路在不同的站里生成两 次，而原程序直接将两项删除一项，导致一些联络详细站和非详细站的线路命名由 非详细仿真站加该线路名组成。经研究决定将联络详细站和非详细站的线路的头端 点直接定在详细仿真站的原则，命名时将线路名前所随机加的站名去掉，使得线路 与站所属关系明确，解决了此问题。 问题( 3 ) ：部分保护项的巡检范围有问题，故障发生在其范围时保护不动作。 这种情况不仅仅发生在母线上，而且存在于负荷或联络线路上。下面以线路为例介 绍此问题的解决思路及改进的推理过程。 图2 7 是列江线接线图，当带电合江宾站内的接地刀闸1 4 3 4 时，仿真系统没 有故障现象。 t 爿西站缸寅坫 图2 7 列江线接线图 2 】 一上忸搿惫 丁|，k上|i l 斟 船上 耳、一 糈上。 。 剃；蚕 聪 华北电力大学硕士学位论文 通过分析可知，“列西变列江线”由它两侧断路器的独立c t 之间的范围组成， 这些范围内包含的各地点用相应的端点号来描述，如表2 - - 3 中所示。但使用原有 推理过程生成列西变列江线的地点范围缺少( 5 8 ，o ) 和( 1 6 0 ，o ) 两组。 表2 - 3 列西变列江线地点与始末端点对照表 地点始端点号末端点号 列西变列江线列江联络线路 5 81 6 0 1 3 6 断路器c t 与1 3 6 3 隔离开关之间 5 7o 1 3 6 3 隔离开关与列江线路之间 5 8 o 1 4 3 断路器c t 与1 4 3 3 隔离开关之间 1 5 90 1 4 3 3 隔离开关与列江线路之间 1 6 00 针对原推理过程中存在不足，分别对其程序进行改进。图2 8 即为元件类型 为负荷或线路时原有推理过程及改进后的推理过程。 降篓嚣嚣羹君譬荠者霎嘉煮鼻霎 上 i 墨熊堡嚣2 翟凳荐毒譬盍譬客霉某 l存在的默认设置为。 上 i 誓缝譬蓄鬈凳荐喜譬嘉警盏善票 l存在的戢i k 赶i 为o t 图2 - 8 改进前后线路配置巡检范围流程对比图 华北电力大学硕士学位论文 从图中可以看到，改进后的推理过程为联络线路的范围增加了线路两端点与所 连隔离开关之间的范围，为负荷出线增加了它与站内隔离开关之间的范围。 母线开关与母线之间的刀闸存在故障隐患，对单母线只需增加相关端点到母线 保护中即可，而双母线需考虑究竟那一条，所以应分别设置，各增加项。母联开 关与母线刀闸之间也存在类似漏洞。具体解决与线路相似，不再详述。 2 2 4 测试结果 以三明列西站仿真系统为平台对改进后的开发工具进行测试，使用新生成的数 据，仿真系统动作符合逻辑。 2 3 新增功能 本文通过研究变电站仿真培训系统所需数据的结构及原有开发工具的原理，对 程序进行改进，使数据开发工具在原有功能基础上增加一些新功能，使得更多的数 据表能够直接由数据开发工具自动生成。新输出的数据表如下： 1 l g f o r m u l a b j o u t 表记的逻辑输出表 2 l g f o r m u l a j d b h 拒动保护的逻辑输出表 3 c z p v a r 操作票变量对照表 4 s l k g失灵保护配置表 5 ：m u t i v a l u e 设备状态多值变换表 下面以s l k g 失灵保护配置表的输出为例介绍其原理及思路。 2 3 1 失灵保护配置表介绍 表2 - 4 失灵开关配置表数据结构 域名数据类型举例 故障元件 n t列西变后列i i 序号字符串 1 保护投入逻辑字符串 1 保护编号i n t7 7 0 拒动开关 字符串 k 1 x 2 1 3 2 1 所属元件代码字符串 z l l h l 华北电力大学硕士学位论文 动作时间 p l o a to 5 跳闸开关1 字符串 k 1 x 2 1 4 2 1 开关1 启动逻辑 字符串 5 6 1 5 6 5 + 5 6 2 5 6 6 ( 代码形式) 开关1 启动逻辑 字符串 s l x 2 1 3 l z l s l x 2 1 4 1 2 1 ( 字符形式)+ s l x 2 1 3 2 2 1 s d | 【 s l x