（电力系统及其自动化专业论文）电网仿真培训支持系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了电网仿真培训支撑系统的总体设计和实现方法，并研究了与 e m s 电力系统高级应用软件数据共享、电网拓扑知识表示方法以及自动生成 仿真培训数据信息的方法。针对目前存在的电网拓扑知识表示方法，以 i e c 6 1 9 7 0 标准中c i m 模型的思想为原则，设计适合电网仿真培训支撑系统的 电网拓扑知识表示方法，并建立了电力系统一次设备连接关系数据信息。 本文对保护模型模板、自动网络搜索以及自动纠错等技术进行深入研究， 从而实现了电网仿真培训系统的数据信息的自动建立。该系统应用在兰州地区 电网仿真培训系统中，成功地建立了故障仿真系统需要的数据。 关键词：仿真培训，数据平台，电网知识表示 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nd a t ap l a t f o r mo ft h ep 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 mi s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ee m p h a s i so ft h er e s e a r c ha r et h e m e t h o d ss u c ha sh o wt os h a r et h ei n f o r m a t i o nw i t he m ss y s t e m 、t h ek n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o no fp o w e rs y s t e m st o p o l o g ya n da u t o m a t i cb u i l d i n gp o w e rs y s t e m s s i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e md a t a t h ec h o i c eo ft h ec i mm o d e li ni e c 6 19 7 0 c r i t e r i o na st h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o no fp o w e rs y s t e mn e t w o r ks t r u c t u r e k n o w l e d g ei nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea p p l i c a b i l i t yo fa c h i e v e m e n to ni m p l e m e n t o f d a t ap l a t f o r mo f t h ep o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e m t h em e t h o do fa u t o m a t i c b u i l d i n g t h ep 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 md a t a ，w h i c hi st h ek e yt ot e c h n i q u es u c ha sa u t o m a t i cn e t w o r k s e a r c h 、t h et e m p l a t eo fm o d e li n f o r m a t i o nf o rp r o t e c t i o ne q u i p m e n ta n da u t o m a t i c c o r r e c tm i s t a k eo fd a t a ，i sr e s e a r c h e d t h ed a t ao fl a n z h o ua r e ap o w e rs y s t e mi s f o u n d e do np o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e m d ax i a o f e n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gd o n g y i n g 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 ，d a t ap l a t f o r m ，p o w e rs y s t e ms t r u c t u r e k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于分岔理论的电力系统电压 稳定性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导i i i i 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i i i i 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：邀日轧出生 日 期：型! ：3 ：坐 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：达口羞。盘 日 期：赴! ：i ：止 导师签名： 日期： 碰立：墓 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 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天重要，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【1 , 2 , 3 1 。 因此，一方面需要不断地采用先进的设备制造技术和控制技术，提高电网 调度系统以及集控站、变电站的自动化程度；另一方面，还要加强对运行人员 的技能培训，提高他们运行操作和事故处理的能力。为了达到对电力系统运行 人员实施培训的目的，科研单位以及高校已经根据不同的需要开发了调度员仿 真培训系统、变电站仿真培训系统、集控站仿真培训系统，用以实现对运行人 员的技能培训p 4 ，5j 。目前的电网调度系统以及集控站、变电站的仿真培训已经 取得了长足的发展，但仍然存在不少问题【6 j 。 1 2 培训仿真系统的发展现状 随着经济的不断发展，电力系统在国民经济中的作用越来越重要，为了提 高运行人员的技术水平，陆续推出了调度员仿真培训系统和变电站仿真培训系 统。 1 ，2 1 调度员培训仿真系统介绍 ( 1 ) 调度员仿真培训系统简介 调度员仿真培训系统d t s 主要是能模拟电力系统的静态和动态响应及事 故恢复过程，使调度员在与实际控制中心完全相同的调度环境中熟悉电力系统 的基本操作、事故紧急处理和恢复控制，并且掌握能量管理系统( e m s ) 的各项 功能，从而更好地完成系统在正常和故障情况下的操作任务。d t s 主要功能为： 调度室工具使用的培训：开关操作步骤及有关安全事项的培训：正常状态下运 行的培训以及事故状态下运行的培训【”。 ( 2 ) 调度员仿真培训系统发展现状 调度员仿真培训系统与e m s 实现一体化是d t s 的发展方向，目前已经 丌发出的e m s d t s 一体化的电力系统应用软件，更加有效地服务于电力系统 的安全可靠运行【9 l 。 华北电力大学硕十学位论文 1 2 2 变电站培训仿真系统介绍 ( 1 ) 变电站仿真培训系统简介 变电站仿真培训i 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。 ( 2 ) 变电站仿真培训系统发展现状 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 已经丌发出了纯软件模式的变电站仿真培训i 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【i2 1 ，满足具体变电站仿真培训内容的要求。 1 2 3 培训仿真系统存在的问题 ( 1 ) 仿真培训系统之间不能嵌入调用 这些仿真培训系统是不同的单位在不同的时期，根据不同的需要研究开发 的，所以彼此不能兼容，数据信息不能共享，系统间也不能嵌入调用。 ( 2 ) 仿真培训系统之间信息不能共享 各个厂家高校以及和研发单位根据电力系统需求，自行设计研发满足培训 目的的仿真培训系统，彼此之间数据没有统一格式，信息不能共享，系统之问 不能兼容。 ( 3 ) 开发联合仿真培训系统必要性 独立的调度员仿真培训系统或独立的变电站仿真培训系统已经不能满足 对运行人员培训的需要。 目前我国地区电网的运行管理基本上由调度中心、集中监控中心和变电站 三部分构成。它们在地区电网运行过程中密不可分，互相之间既有分工又有联 系，任何一个环节出现问题都将直接影响到地区电网的安全和经济运行，独立 地对任何一个进行模拟，都不能真实反应实际电网的运行状况【1 3 1 。但目前的仿 真培训系统都是独立研发的，没有实现三者联合进行仿真培训，不能全面再现 地区电网的生产过程，开发能够真实反应电网运行的联合仿真培训系统是必要 的。 华北电力人学硕士学位论文 1 3 支撑平台的发展现状 软件系统支持平台的优劣将对软件系统功能的扩展和软件系统的生命力 有很大的影响力。系统支持平台性能强大，通用性好，对软件系统功能的拓展 和完善有促进作用。电网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，但目前还没有行之有效的电网仿真培训支撑平台 1 4 , 15 , 1 6 , 17 , 18 。下面介绍变电站仿真培训支撑平台的开发情况。 1 3 1 变电站仿真培训一次数据的支撑平台 文献【1 9 】提出一种建立变电站仿真培训一次设备数据的支撑平台，该平 台有两大主要功能，介绍如下。 ( 1 ) 功能之一：以模板形式快速建立一次设备拓扑关系数据。 以间隔作为支路、其它设备作为节点表示电网知识的方法以及利用动态模 板实现批量创建间隔数据知识的形式建立一次设备数据。该支撑平台根据电力 系统一次部分结构的层次性，把电力系统设备分为厂站设备和输电线路两类。 厂站及用户之间由输电线路构成的连接关系构成了网络层拓扑关系；厂站内电 气设备之间的连接关系构成厂站层拓扑关系。厂站设备主要包括发电厂和变电 站，厂站设备以间隔设备和外部设备来表示。其中间隔设备抽象为模板，以模 板形式快速建立一次设备拓扑关系。该支撑平台建立间隔模板工作量大，实际 应用不太方便，原因如下： 1 ) 同类型的间隔内部接线方式存在差别。例如，如图1 1 所示的1 0 0 母联 间隔和1 l o o 母联间隔，1 1 0 0 间隔比1o o 间隔多两个接地刀闸，但为满 足实际需要必须创建不同的、日j 隔模板。 2 ) 同类型的间隔内设备命名规则不同。例如，如图1 1 所示的1 1 0 0 母联 开关间隔和3 1 1 l 母联开关间隔，1 1 0 0 间隔中与母线相连的隔离开关命 名规则是开关号1 1 0 0 加后缀2 和开关号1 1 0 0 加后缀1 ，3 1 1 l 问隔中与 母线相连的隔离开关命名规则是丌关号3 1 1 1 加后缀3 和开关号1 1 0 0 加后缀2 ，两个间隔中接地刀命名规则也不相同，必须创建两个间隔模 板。 警“1 博 1 1 l 。21 1 。1 、l1 3 1 1 1 33 1 1 1 2 i 图1 i 单母分段母联间隔 南 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 功能之二：自动建立五防逻辑数据信息 这种以逻辑表达式的形式表述防止误操作的五防逻辑比较复杂，难于维护。 目前的变电站仿真培- i ) l l 系统的防止误操作的五防逻辑的实现是通过程序对电 网结构进行分析和判断，从而分辨操作是否违反五防，这样实现的防止误操作 方法无需维护数据部分，实现方便，更加符合实际的需要。 ( 3 ) 存在的不足 因为变电站的设备间隔总会有细微差别，运用变电站仿真培训系统一次设 备数据平台建立仿真培训数据，建立模扳工作量也不小，模板重用的几率不大。 所以用该平台建立仿真培训一次数据，工作量也没有节省太多，没有达到快速 建立一次设备数据的目的。由于仿真培训系统功能的开发完善，使得该支撑平 台的第一：大功能防止误操作的五防逻辑实现已经没有必要。 1 3 2 变电站仿真培训二次设备数据的支撑平台 文献【2 0 】提出一种建立变电站二次设备数据的支撑平台它是基于文献 【1 9 提出的变电站一次设备数据的支撑平台设计开发的，现介绍如下。 ( 1 ) 功能介绍 该平台主要功能是通过界面创建变电站二次设备数据，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。另外还需要通过界面填写各种保护投入逻辑和跳 闸逻辑。 ( 2 ) 存在问题 该变电站仿真培训数据平台需要输入和填写大量数据信息，需要进行逻辑 公式编写工作，自动程度差，和手工建立仿真培训二次设备数据相比，工作效 率提高很有限。 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 1 2 2 1 。 1 4 电网拓扑知识表示 很多大型软件系统都离不开数据库的支持。对于一个软件系统来说，数据 库的建立过程就是对研究对象进行知识表示的过程 2 3 , 2 4 , 2 5 】。它包含了如何将数 据表示出来、如何实现数据的关联性、完整性、一致性和冗余性等一系列的内 华北电力人学硕士学位论文 容。 14 1 变电站电网拓扑表示的选择标准 变电站仿真培训系统的研究对象是变电站，它在丌发时必须完成一个很大 的静态数据库的填写，而填写这个静态数据库的过程其实就是对变电站( 也就 是仿真对象) 进行知识表示的过程1 1 9 , 2 0 j 。变电站一次部分的知识主要包括电网 结构、设备运行参数。选择变电站仿真培训的电网拓扑知识表示的标准有： ( 1 ) 适用于表达各种一次设备在主接线中的拓扑关系。例如在大电网分 析中经常将刀闸、接地刀闸和互感器等电器设备从主接线中化简掉，但在变电 站仿真中需要分析开关、刀闸、接地刀闸之间的闭锁关系，需要确定互感器的 安装地点。 ( 2 ) 适用于表达各种一次接线形式。不管系统采用什么接线方式，该电 网拓扑知识表示方式都可以方便地对其进行表示。 ( 3 ) 便于与调度自动化系统共享数据，以实现调度变电站一体化仿真培 训系统。 1 4 2 变电站数据模型的知识表示的研究现状 对于变电站数据模型的知识表示，以前已经有很多人在这方面做过工作： 文献【2 5 】通过分析电网结构的层次性特点将电网结构和设备运行参数分 为网络层拓扑知识、厂站拓扑知识和设备属性知识三部分，分别用框架表示法 表示。其中网络层拓扑知识将网络等值成了以厂站( 发电厂或变电站) 为节点， 联络线路为支路的拓扑模型；厂站层拓扑知识将网络等值成以设备为节点，连 接设备的丌关作为支路的拓扑模型。虽然很好地分析和利用了电网的层次性， 但是以开关作为基本连接设备，不具有普适性，并且不能很好地反映出可操作 的开关、刀闸、接地刀闸之间的关联关系，以及这些可操作设备的组合关系的 相似性。 文献【2 6 】将可操作的开关、刀闸、接地刀闸设各组成的集合称为间隔， 并把间隔的电压等级、间隔名、元件名、元件描述、元件状态和元件的可操作 性等知识用关系型数据表格表示出来。在间隔知识的获取方面，作者采用动态 模板的办法把用户的知识输入转化为知识库的存储结构。在知识的表示方面， 陔方法考虑到了可操作的开关、刀闸等设备之间的关联关系，充分利用了间隔 的相似性，用同样的知识结构表示出了间隔设备的属性知识。但是该方法只重 点考虑了间隔的知识表示，没有上升到电网的角度分析间隔在整个厂站拓扑连 接方面的作用。在知识的获取方面，该方法把间隔作为一个整体结构进行处理， 华北电力大学硕十学位论文 用动态模板自动将用户输入转化为知识库的存储结构。动态模板的采用很好地 利用了间隔的相似性，但是，该模板仍然需要逐一输入所有阳j 隔设备的名称， 不能实现批量创建模板数据。 文献【2 7 】提出一种以隔离开关或用来代替特殊设备的虚拟隔离丌关作 为基本连接设备表示网络连接关系的通用表示法，并用框架表示法表示出了以 隔离开关连接出的厂站结构框架。该方法通过用虚拟的隔离_ 丌关代替一些不容 易表示的知识，实现了某种意义上的通用表示法。但是，这样表示具有一定的 片面性，对于没有隔离丌关的支路或不能作为设备单元的节点设备只能特殊处 理，而这样的特殊处理并不能保证在任何情况下都满足实际工作的需要。 文献【2 8 】是i e c 6 1 9 7 0 标准中的公共信息模型部分。i e c 6 1 9 7 0 标准在美国 电力科学院控制中一t ：, a p i ( 简称c c a p i ) 研究项目的基础上提出的。其目的是为电 力系统软件定制了一个电力系统信息标准。其原则是提供一系列总则和标准， 以方便在中心控制环境下不同厂商的应用程序问的集成。 i e c 6 1 9 7 0 标准的核心部分c i m 定义覆盖了各个应用的面向对象的电力系统 模型，是i e c 6 1 9 7 0 标准的灵魂，它表示包含在e m s 信息模型中的电力企业的所 有主要对象 2 9 , 3 0 】。通过提供一种用对象类和属性及它们之间的关系来表示电力 系统资源的标准方法，c i m 方便了实现对不同卖方独立开发的e m s 应用进行集 成，对多个独立开发的完整e m s 系统进行集成，或对e m s 系统和其他涉及电力 系统运行的不同方面的系统进行集成【3 “。 c i m 中描述的对象实质上是抽象的，可以涵盖电力系统的所有设备，c 1 m 表达的是一种建模思想和指导原则，其具体实现是灵活多样的，可以根据实际 需要达到的目标选择易于完成目标任务的表达方式，进行电网的知识表示。目 前国内外很多厂家已经根据i e c 6 1 9 7 0 标准来改进和开发自己的产品f 3 2 , 3 3 , 3 4 , 3 5 j 。 本标准应当理解为一种能够在任何领域进行集成的工具，只要该领域需要一种 公用电力系统模型，使得便于在几种应用和系统之间实现互联运行和兼容插 入，而与任何具体应用无关。 1 4 3 结论 综上所述，以c i m 模型来描述电力系统设备信息，不但具有灵活的形式， 又具有和其它软件兼容的优点。要求c i m 模型不但能够清晰、快速地表示出 电网拓扑知识，而且可以方便地用于仿真电网运行状况。因此，本文结合仿真 培训系统的需要，研究以c i m 模型为基础的电网知识表示方法，并进一步研 究自动建立仿真培训数据的方法。 华北电力大学硕士学位论文 1 5 网络搜索 对于那些没有成熟方法可循的问题领域，或者说是没有直接的数学解的 方法来求解的领域，必须通过逐步的探索来求得解，这种探索的过程就是搜索。 搜索是人工智能中的基本问题。搜索策略就是在搜索过程中如何选择扩展节点 的次序问题。搜索策略的适当与否决定着系统的搜索速度，它是实现问题求解 时要考虑的重要问题。 1 5 1 对网络搜索的需求 ( 1 ) 便于在已经存在的电网拓扑中增加新设备。 存大电网拓扑分析中，常常化简掉c t 设备，但c t 设备的安装信息是变 电站仿真培训不可缺少的一次设备数据信息，因此必须根据c t 设备的配置原 则，在已有的电网拓扑知识表示中自动增加c t 设备安装信息。 ( 2 ) 便于自动建立二次设备数据信息。 二次设备数据信息是变电站仿真培训系统必不可少的数据信息，但这部 分信息在e m s 数据中基本没有，所以必须通过网络搜索方法和保护配置原则 自动建立二次设备数据信息。 1 5 2 网络搜索介绍 一般来说，搜索策略就是采用试探的方法【3 6 l 。它有两种类型：一类是回 溯策略，另一类称为图搜索策略。对于图搜索策略又可分为两种：一种称为盲 目的图搜索策略，或称为无信息的图搜索策略：而另一种称为启发式搜索策略， 又称为有信息的图搜索策略。 ( 1 ) 回溯策略 这是一种往返试探性的搜索策略，它可以根据某些知识或任意地选择一 个操作( 或一组操作) 进行试探，当达到一个新的状态后，如果发现此状态达 不到目标状态或出现与以前重复的状态，则回到应用这个操作之前的状态去， 再挑选另一个( 组) 操作进行试探。回溯策略适用于搜索量较少或有一定信息 引导来帮助选择操作的问题，它可以达到较高的效率，且比下面介绍的图搜索 策略要求较少的计算机存储信息。 ( 2 ) 盲目的图搜索策略 图搜索策略把搜索过程中所有应用过的操作及生成的状态描述用搜索图 的形式记录下来。整个问题求解空间可以用初始状态和操作集合所决定的隐含 图表示。因此，搜索过程就相当于在隐含图中寻找一条路径这条路径从初始 华北电力大学硕十学位论文 状态出发，到目标状念结束。最常用的两种盲目的图搜索策略是宽度优先搜索 和深度优先搜索。它们在选择操作时是盲目的，且采用穷举的办法。 ( 3 ) 启发式搜索策略 前面的方法都属于盲目的、无信息引导的探索，他们对找到一个问题的解 答( 如果问题有解的话) 提供了保证，但是在实际问题中，由于搜索的盲目性， 或多或少地增加了计算时间和存储空间，有时候这是不能接受的。而对于特定 的问题领域的信息常常能有效地引导我们去简化搜索、避免采用穷举的办法， 这类信息称为启发信息。利用启发信息的搜索方法称为启发式搜索。 1 5 3 结论 这三种搜索策略的特点各不相同，如果能根据不同的实际条件恰当地选择 不同的搜索方法，那么将能够很好地实现所需要达到的搜索目的。 1 6 本文的工作 综上所述，尽管仿真培训系统已经兴起了十多年的历史，但依然存在不足， 针对以上小节分析的问题和现有的仿真培训系统，本文将设计实现一个仿真培 训系统支撑平台，该平台具有与现有e m s 系统共享数据、并且能够实现仿真 培训数据的自动转换和自动建立工作。本文将维护数据库的工作分成两部分， 即先从e m s 系统获取一次设备数据信息，作为基础数据，再对其应用电网拓 扑知识表示方法，并以此为基础对基础数据进行再加工、处理、转换，建立仿 真培训系统需要的各种仿真数据，以最少的基本数据自动建立仿真培训数据信 息。 在数据获取和转换、自动生成过程中，将做如下的工作： ( 1 ) e m s 转换为仿真数据的功能需求深入详细的分析，设计e m s 转换 为仿真数据的数据流。 在了解e m s 和变电站仿真培i j i i 系统各自发展状况基础上，发现目前存在 的问题，对e m s 转换为仿真数据的功能需求深入详细的分析，对其实现的途 径进行探索。对e m s 系统和变电站仿真培训系统的数据种类、数据结构设计 模式要进行详细分析和比较以此为基础，设计e m s 转换为仿真数据的数据流。 ( 2 ) 研究并设计了便于生成仿真数据的电网拓扑知识表示。 为了有效地自动建立仿真培训数据，对以往使用的电网拓扑知识表示以及 e m s 系统电网拓扑知识表示进行研究比较以及对目| j i 的国际标准i e c 6 1 9 7 0 中 定义的c i m 模型进行详细深入学习，选择和设计适合本文功能实现的电网拓 扑知识表示。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 研究并实现了自动生成仿真数据的关键技术。 本文重点研究如何自动建立仿真培训系统数据，深入透析变电站仿真培训 数据层次结构关系、关联系统以及继承关系，研究变电站仿真培i j i l 数据自动生 成机理，探索生成仿真数据的关键技术。 ( 4 ) 开发并实现了一个较实用的仿真支撑平台系统。 可将e m s 数据转换、生成为仿真需要的一次和二次数据，快速准确地自动 建立仿真培训数据库。 华北电力大学硕士学位论文 第二章仿真培训平台模型分析及其功能需求设计 2 1 模型分析 2 1 1 c i m 简介 c i m 是i e c 6 1 9 7 0 标准中的公兆信息模型部分，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“泛的 应用。根据完整的c i m 大小，c i m 中的对象被分成9 个包，如图2 1 所示，每个 包都代表了整个电力系统模型中的一部分。箭头方向表示各包之间的继承关 系，核心包是所有和域包是其它所有包的父类。 图2 1c i m 包 c i m 表达的是一种建模思想和指导原则，其具体实现是灵活多样的，可以 根据实际需要达到的目标选择易于完成目标任务的表达方式，进行电网的知识 表示1 3 7 1 。 2 1 2c i m 在e m s 系统中的应用 e m s 系统中的一次设备数据经过可扩展语言x m l 转为e m s 标准数据阻3 9 i ， 这些一次设备的建模方式符合i e c 6 1 9 7 0 标准中的c i m 模型，下面介绍符合c i m 华北电力大学硕士学位论文 数据模型的标准e m s 数据结构。 ( 1 ) 厂站参数表( e m s r t u p ) ：描述发电厂、变电站等属性信息 表2 1 厂站参数数据结构 域名数据类型备注 编号字符串 名称中文 厂站类型i n t 厂站号 i n t 电压等级 n t ( 2 ) 电压等级表( e m s v o l g r a d e ) 描述电网存在的电压等级种类及其属 性信息 表2 2 电压等级数据结构 域名数据类型备注 编号 字符串 名称中文 电压等级i n t 额定值 f l o a t 基准值 f l o a t 电压上限f l o a t 电压下限 f l o a t ( 3 ) 线路参数表( e m s l i n e p ) 描述联络线的名称、中文描述以及端点代 码等信息 表2 3 线路参数数据结构 域名数据类型 备注 编号字符串 名称中文 线路始端厂站名字符串 线路始端元件代码 字符串 用于拓扑分析 线路末端厂站名字符串 线路末端元件代码字符串用于拓扑分析 线路正序电阻标么值f l o a t 线路正序电抗标么值 f l o a t 线路正序电纳标么值 f l o a t 线路零序电阻标么值 f l o a t 线路零序电纳标么值 f l o a t 华北电力大学硕+ 学位论文 ( 4 ) 变压器参数表( e m s t r a n s p ) 描述变压器的属性信息 表2 4 变压器参数数据结构 域名数据类型备注 编号字符串 名称中文 厂站名字符串 变压器类型i n t 高端元件代码字符串用于拓扑分析 中端元件代码字符串用于拓扑分析 低端元件代码 字符串用于拓扑分析 中性点无件代码字符串用于拓扑分析 高端电压等级i n t 中端电压等级 i n t 低端电压等级 i n t ( 5 ) 开关刀闸参数表( e m s s w i t c h p ) 描述开关刀闸的名称、中文描述以 及端点代码等信息。包括接地刀闸。 表2 5 开关刀闸参数数据结构 域名数据类型备注 编号字符串 名称中文 厂站名字符串 开关类型 i n t 左端元件代码 字符串用于拓扑分析 右端元件代码字符串用于拓扑分析 电压等级 i n t ( 6 ) 母线参数表( e m s b u s p ) 描述母线的属性等信息 表2 6 母线参数数据结构 域名 数据类型各注 编号字符串 用于设备标识和拓扑分析 名称中文 厂站名 字符串 电压等级 i n t 华北电力人学硕士学位论文 ( 7 ) 负荷参数表( e m s l o a d p ) 描述负荷的属性等信息 表2 7 负荷参数数据结构 域名 数据类型备注 编号字符串用于设备标识和拓扑分析 名称 中文 厂站名 字符串 负荷类型i n t 始端元件代码字符串 未端元件代码 字符串 电压等级 i n t 有功f l o a t 无功 f i o a t ( 8 ) 发电机参数表( e m s w g p ) 描述发电机的属性等信息 表2 8 发电机参数数据结构 域名数据类型备注 编号 字符串用于设备标识和拓扑分析 名称 中文 厂站名 字符串 发电机类型 i n t 电压等级i n t ( 9 ) 电抗器参数表( e m s d k q p ) 描述电抗器的属性等信息 表2 9 电抗器参数数据结构 域名 数据类型各注 编号字符串 名称 中文 厂站名 字符串 电抗器类型i n t 左端元件代码字符串i e j 于拓扑分析 右端元件代码 字符串 于拓扑分析 电压等级i n t ( 1 0 ) 电容器参数表( e m s c x p ) 描述电容器的属性等信息 表2 1 0 电容器参数数据结构 华北电力大学硕士学位论文 域名数据类型备注 编号字符串 名称中文 厂站名字符串 电容器类型 | n t 左端元件代码字符串用于拓扑分析 右端元件代码字符串用于拓扑分析 电压等级 i n t 21 3e m $ 系统数据模型的创建 e m s 系统数据模型的创建可通过如下两种方式，如图2 2 图2 2 模型的创建 ( 1 ) 对于e m s 应用系统需要的数据模型一般是通过e m s 自带的图模一体化 建模平台，在创建一次主接线图的同时，录入并生成相应的一次设备数据信息。 ( 2 ) 对于需要共享e m s 数据的其它应用系统( 如仿真培训系统) ，可通过可 扩展建模语言x m l 将e m s 数据转化为符合c i m 的e m s 标准数据，再从e m s 标准 数据中提取、转换为需要的数据内容和格式。 2 1 4 互感器的c l m 模型 e m s 系统中的电网一次设各数据模型没有描述电流互感器和电压互感器的 信息，但互感器信息是变电站仿真培训系统不可缺少的数据。本文按照c i m 标 准原则，对e m s 系统一次数据进行扩展，建立c t 、p t 设备的c i m 模型 4 0 , 4 1 , 4 2 】。 对c t 、p t 设备进行建模的数据结构见表2 1 l 、表2 1 2 。 表2 11c t 参数数据结构 域名 数据类型备注 编号字符串 名称 中文 华j 匕电力大学硕士学位论文 厂站名 字符串 左端元件代码字符串 用于拓扑分析 右端元件代码字符串 用十拓扑分析 电压等级 i n t 表2 1 2p t 参数数据结构 域名数据类型备注 编号字符串 名称中文 厂站名 字符串 左端元件代码字符串 用于拓扑分析 电压等级 i n t 2 2 仿真支撑系统的功能需求分析 仿真支撑系统应具有如下功能：与e m s 共享数据、数据转换、配置二次保 护、必要的人机交互和自动检查数据错误。下面将详细阐述设计这些功能的必 要性和具体存在的问题。 2 2 1 能够与e m s 共享数据 ( 1 ) 与e m s 共享数据，可以避免数据重复录入，减少数据维护工作。 目前已经丌发出了能量管理系统调度员培训i 系统( e m s ，d t s ) 一体化系统， 并且已经作为调度自动化的辅助和培训仿真的核心系统之一。而且e m s d t s 生成的图形、模型数据是电力企业的核心信息，它为我们提供了比较完整的一 次设备数据信息1 4 3 】。由于调度培训仿真系统( d t s ) 一般与e m s 捆绑在一起， 可取实时数据断面。变电站仿真培训系统是离线的，其数据库也是独立的，无 法实现与d t s 的数据兼容和信息共享功能。而且软件实现信息共享和标准化进 程也是电力系统软件的未来发展方向。 不同厂家的e m s 目前可通过x m l 交换静态数据。因此，如果能将e m s 数据 转换、生成电网变电站仿真系统的数据内容和格式，不但能将第三方的仿真 系统嵌入现有e m s ，还可大大减少仿真系统的数据维护工作。 ( 2 ) 与e m s 共享数据，为将来丌发调度中心、变电站集中监控中心和变电 站一体化的综合仿真培训系统提供了数据接口。 若再开发一个与e m s 数据结构一致的变电站仿真培训系统，是不现实也不 经济的。因为仿真培训软件已经发展了近1 0 余年三历史，同时这个时期也是该 软件不断改进不断完善的过程，而其数据结构的设计也是为了仿真培训中各项 华北电力大学硕士学位论文 功能的便捷实现，而同时数据结构根据最少化、最有效的数据结构方式来设计 和实现的【4 4 1 。一个软件的功能实现是以其后台支撑数据结构为基础的，所以要 改变仿真培训数据结构是不可能也是不现实的。 电网变电站仿真培训i 系统是用于培训调度员和变电站值班员的有效手段。 调度、集控站和变电站仿真系统一体化是当前的一个发展趋势，要实现变电站 仿真培训与调度员仿真培训系统能够实现联合故障仿真，则两种仿真培训系统 的数据必须可以兼容，才能够实现联合仿真时数据的一致性 4 5 1 0 2 2 2 具有数据转换功能 仿真支撑系统需要将e m s 数据处理后才能使用的主要原因有以下几方 面： ( 1 ) e m s 系统与变电站仿真培训功能不同，彼此需要的数据信息以及数 据信息的结构设计不同，e m s 系统的数据不能直接应用于变电站仿真培训系 统。 本仿真培训支撑平台需要具有与e m s 软件实现数据共享功能。e m s 系统 的图型建模功能已经有了一定的发展历史，积累了不少经验，而且图型建模部 分技术也在不断地发展和完善。目前e m s 系统的图型建模已经能够为我们提 供详细准确的一次设备数据信息，但e m s 数据是围绕其功能的实现而设计的， 目前的基本功能有：网络拓扑、状态估计、调度员潮流、静态安全分祈、负荷 预测、无功优化等【46 1 。这些应用都是基于稳态的计算，需要的数据信息是电力 系统的一次设备的属性、一次设备的连接关系、一次设备模型参数以及电网的 运行状态等信息。 这些一次设备数据的数据结构不适用于直接用于仿真培训系统，因为电网 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不能直接 用e m s 系统中的一次设备数据信息，必须对于e m s 中已有的一次设备数据信 息进行过滤、转换和扩充。 ( 2 ) 仿真系统只需要e m s 中的一次设备部分数据信，其它无效数据信息 必须过滤掉。 比如e m s 中的一次设备线路的数据信息，e m s 中线路属性信息非常全面， 如表2 1 3 ，但其中“相关线路名信息”、“线路状态”等信息是仿真培训系统 不需要的线路属性信息，应该过滤掉，否则，仿真培训系统数据的冗余度将大 大增加。 华北电力大学硕士学位论文 袭2 1 3 线路属性信息 域名 数据类型备注 编号字符串线路编码 名称 中文中文描述 线路类型 i n t 线路始端厂站名 i n t 线路始端元件代码字符串 线路末端厂站名 字符串 线路末端元件代码 i n t 相关线路名 字符串与木线路相关的线路代码 线路状态 i n t 运行，榆修 ( 3 ) 仿真系统需要的某些一次设备信息不能直接从e m s 一次设备数据信 息中得到，必须经过数据格式转换才能使用。 例如仿真培训系统中的支路参数信息，它描述的是电力系统中一次设备经 过换算和等值以后的等效电力系统模型，如表2 1 4 是仿真培训系统的支路参 数信息，其中的“支路类型”在e m s 的支路参数属性数据中是不存在的，必 须以e m s 其它一次设备信息为基础，生成仿真培训需要的数据。 表2 1 4 支路参数属性信息 域名数据类型备注 支路类型 i n t 变压器2 ，其它1 支路编号 i n t 始端元件号 i n t 末端元件号 i n t 电阻 f l o a t 电抗 f l o a t 变压器原边字符串变压器接线方式 变压器副边 字符串 变压器接线方式 零序电阻 f l o a t 零序电抗 f l o a t 支路名中文 所在厂站名称 中文 ( 4 ) 生成e m s 中没有的互感器属性信息。 e m s 数据信息中缺少一次互感器配置信息，互感器信息是实现仿真培训 系统不可缺少的重要信息： 界面显示功能，因为在变电站内，变电站的监控装置显示变电站内部 各设备的工况值，包括电流、电压值、功率因数： 华北电力大学硕士学位论文 启动保护功能，即保护的启动取决于电流、电压的测量值，以此作为 直接或间接判掘，当电网方式故障时，对一次设备进行保护。 仿真培训的巡视培训，互感器设备信息必不可少。变电站运行人员的 工作之一就是进行一次设备巡视，其中对电流互感器、电压互感器的 巡视也时巡视内容之一，本功能的实现也需要互感器设备的配置信 息。 综上所述，变电站仿真培训系统必须配置互感器的属性信息。所以必须在 e m s 次数据信息的基础上，生成e m s 缺少的一次设备数据信息。 2 2 3 具有配置二次保护功能 e m s 系统缺少二次设备数据信息，而二次数据信息是变电站仿真培训不 可缺少的重要数据信息。 变电站仿真培训系统需要的二次数据信息包括： 一次设备的继电保护配置信息 保护关联c t 设备 保护关联p t 设备 保护关联开关设备 保护装置的保护范围等 这些设备属性信息是变电站仿真培训系统的关键数据信息之一。 ( 1 ) 变电站正常运行监视培训功能需要二次设备数据信息。 f 常运行监视培训：主要监控设备状态、网络潮流，保证变电站各个设备 f 常运行。 正常运行监视是变电站运行人员同常工作之一，是变电站运行人员的最基 本任务之一，主要任务是通过主控仪表及各种信号( 或监控机界面) 显示监视 系统的安全状态、电能质量是否合乎要求，一旦进入边缘状态，就加强警戒， 在条件允许时进行调整，使系统脱离警戒区。运行监控培训的目的使受训人员 熟悉变电站的监控界面、熟悉当保护装鼍动作后监控界面出现的提示信息，这 些功能的实现需要二次保护配置及其相关信息。 ( 2 ) 变电倒闸操作培训功能需要二次设备数据信息。 倒闸操作培训：当变电站内设备故障或需要进行检修时，需要进行倒闸操 作，比如某条线路需要由运行转检修状态时，必须进行正常的倒闸操作任务。 倒闸操作是变电站运行人员工作内容之一，是变电站操作人员重要的最基 本技能之一。倒闸操作培训是为了让运行人员熟练倒闸操作设备和操作顺序 防止运行人员误操作，一旦误操作，则会引发电网发生故障，保护装置就会启 华北电力人学硕士学位论文 动，开关设备应该跳闸。在仿真培训中，也必须模拟误操作引起的严重后果， 警示接受仿真培训的人员。 ( 3 ) 变电站故障仿真培训l 功能需要二次设备数据信息。 当在电网中设置故障时，仿真培训系统要进行一次拓扑分析并且通过对电 压、电流值的判断诊断电网中的故障发生地点，同时肩动管辖该地点的保护装 茕，并且发跳令到一次开关设备智能操作机构，对故障进行快速、i 叮靠的切除。 故障发生以及保护动作的信息通过保护屏柜、监控界面显示、报警。 事故处理是变电站运行人员工作内容之一，当电网有故障发生时，变电站 内保护装置、监控界面、报警装置等出现什么现象，运行人员需要根据这些现 象判断电网发生的故障类型、故障地点、故障设备、故障产生原因，并快速得 出故障处理方案进行电网故障处理，从而使故障对电网的影响降到最低。运行 人员能够根据一系列现象快速准确对故障情况做出判断是运行人员的基本技 能之一，这需要运行人员必须对故障可能引起的现象非常熟悉。这就需要准确 和全面的变电站的二次设备数据信息。 综上所述，二次保护数据信息是开发变电站仿真培训系统实现变电站对运 行人员培训的基础和前提”。1 。 2 2 4 人机交互功能 为了实现变电站二次设备信息的自动建立，必须开发人机界面，实现以最 少的必要信息的输入，完成变电站仿真培训数据的建立。 ( 1 ) 变电站的接线方式不同，配置保护的原则不同。 常规变电站内一次设备应该配置相应的保护类型，但变电站属于t 接线 时，本变电站内的联络线不应该配置保护装置，这就需要通过界面对这些线路 进行增减。 ( 2 ) 变电站的一次设备种类不同，应该为其配置的保护种类也不同。 变电站内的一次设备包括变压器、线路、母线等一次设备，不同的一次设 备配置的保护类型不尽相同，比如变压器主保护应该配置重瓦斯保护、纵差保 护等，变压器引出线侧应该配置复合电压、复合电流保护等：母线应该配置母 线差动保护。所以需要通过人机界面对不同的设备选择不同的保护类型。 ( 3 ) 变电站内同类一次设备，其应该配置的保护种类根据该设备所属的 电压等级而定。 比如一次联络线设备，当线路的电压等级属于2 2 0 k v 以及以上时，应该 配置高频保护类型；当线路的电压等级属于“0 k v 以及以下时，不需要配置 高频保护。进行二次保护配置工作时需要通过人机界面，对设备的电压等级 华北电力大学硕士学位论文 进行选择，从而确定该设备应该配置的保护类型。 ( 4 ) 变电站内一些特殊设备不需要配置保护。 比如变电站内的旁路母线设备，一般不需要配置保护装置，应该通过人机 交互界面把它从应该配置保护的母线列中删除掉。 综上所述，变电站仿真培训系统开发人员对变电站一次设备进行保护配置 时，必须结合具体变电站的实际设备保护配置情况，进行一次设备保护配置工 作。因此，系统支持平台必须拥有通用性高、灵活性好的交互界面。 2 2 5 自动检错功能 变电站仿真培训系统的建立，工作量大部