（电气工程专业论文）500kv变电站仿真培训系统的应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着大量新变电站和新设备的投入运行，对运行人员的素质提出了更高的要 求，提高运行人员素质有着极其重要的意义。仿真机是进行企业培训的有力工具。 培训效果不仅与仿真培训系统的功能有关，更有赖于培训教师如何有效地利用这一 工具。为此本文完成以下主要工作： 1 测试变电站仿真培训系统的功能，保证仿真结果正确、系统运行可靠，满足培 训要求。 2 提出新增电网与变电站联合仿真和微机保护装置仿真功能，完善已有故障仿真 功能，并设计故障仿真原理、培训要求和实现方法。 3 研究利用仿真机辅助课堂教学的方法及在多媒体远程培训系统培训课件制 作中的应用，使理论知识讲解与实际操作培训紧密结合，提高培训效果。 关键词：变电站仿真，性能测试，故障设置，培训应用，多媒体教学 a b s t r a c t w i t hp l e n t yo fn e ws u b s t a t i o n sa n de q u i p m e n t sg o i n gi n t or u n n i n g ，h i g h e r d i a t h e s i so p e r a t o r si sr e q u e s t e d i ti si m p o r t a n tt oi m p r o v eo p e r a t o r s d i a t h e s i s o p e r a t i o nt r a i n i n g i sa ne f f e c t i v em e t h o d t r a i n i n ge f f e c ti sd u et ot r a i n i n g s y s t e m sp e r f o r m a n c ea n dh o wat r a i n e rc a nm a k eu s eo ft h i st 0 0 1 t h i st h e s i s d i s c u s s e ss o m er e s e a r c hw o r kw h i c hi n c l u d e st h r e ep o i n t sm e n t i o n e db e l o w 1 t e s t i n gp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n i n s u r i n gr e l i a b l es i m u l a t i o nr e s u l ta n d t r a i n i n gd e m a n d o fs u b s t a t i o ns i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ， c r e d i b l es y s t e mr u n n i n g ，t oc o p ew i t h 2 a d da s s o c i a t e ds i m u l a t i o nb e t w e e np o w e rg r i da n ds u b s t a t i o n s ，c o m p u t e r p r o t e c t i n gi n s t r u m e n t ss i m u l a t i o n ；c o n s u m m a t i n gf a u l ts i m u l a t i o np e r f o r m a n c e ， p r i n c i p l e ，t r a i n i n gd e m a n da n dr e a l i z i n gm e t h o d f o rf a u l ts i m u l a t i o n 3 r e s e a r c h i n ga n dp r a c t i c i n gt h em e t h o dt ou t i l i z es i m u l a t i o ns y s t e mf o r a s s i s t a n tt e a c h i n g ，s t u d y i n ga p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o ns y s t e mi nm a k i n g m u l t i - m e d i at r a i n i n gc o u r s e w a r ei no r d e rt oi m p r o v et r a i n i n ge f f e c t l ix i a o m i n g ( e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di t sa 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 u b s t a t i o ns i m u l a t i o n ，c a p a b i l i t i e st e s t i n g ，m a l f u n c t i o n s e t t i n g ，t r a i n i n ga p p l i c a t i o n ，m u l t i m e d i at e a c h i n g 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章概述 1 1本课题研究的背景和意义 随着电力系统的发展、变电设备的更新和高新技术的应用，地区电网的规模也 在不断扩大，电网的监控与运行技术日新月异，使对有丰富运行经验的运行人员需 求增加，电网与变电站运行人员的素质急待提高。但随着电力系统自动化技术的迅 速发展和变电设备制造技术的不断提高，实际电网运行中出现事故和异常的几率较 以前大为减少，运行人员实际处理事故和异常的机会很少，运行人员很难在实际运 行过程中积累异常事故的判断和处理的经验，更无法反复操作，强化训练，而出现 问题时就会手忙脚乱。因此采取行之有效的培训方式提高运行人员素质有着极其重 要的意义。 以往对地区电网运行人员进行培训基本上采取理论教学、实训室实践操作培 训、课件教学等方法。理论培训虽然是基础，但是单纯的理论学习往往不能与和生 产实践紧密结合，不利于运行人员的实际操作技能水平的提高；实训室设备有限， 投资大；现场跟班实践也是提高运行人员素质的重要手段，但是由于运行中事故和 异常现象出现的周期长，运行人员可以实践操作的机会并不多，无法积累处理事故 经验，对事故的处理也无法反复进行以达到熟练的程度。仿真机的出现，不仅可以 进行电力系统的运行分析与研究，更为运行人员的培训提供了有效手段，仿真培训 系统不仅可再现电网一、二次设备及其运行，更具备可反复操作的特点，其结构与 功能也随着电力系统的发展而不断完善。经过多年的实践与探索，变电站仿真培训 系统在企业培训中的应用日益广泛，仿真系统的仿真范围与应用功能也随着电网规 模的不断扩大，变电设备的快速更新和电网运行与监控中高新技术的应用而不断扩 展。为适应培训需要，大连培训中心引入了5 0 0 k v 变电站仿真培训系统，进行仿真 操作培训。仿真培训系统是培训的工具与平台，引进该系统是传统的理论教学方法、 实践教学方法及课件教学方法的重要补充，根据实际的培训经验，将仿真操作培训 与其他的教学方法相结合，取长补短，使仿真培训系统的应用功能得以拓展，是引 入仿真培训系统的目的。因此结合实际的培训需求，深入研究与完善已有的5 0 0 k v 仿真培训系统，发现其不足之处并加以改进，增强系统的真实性与可靠性，提高应 用的灵活性与方便性，扩展应用功能，充分利用仿真系统能将理论与实践相结合的 强大优势，发挥其很强的操作与培训灵活性的特点，研究与拓展该系统在培训方面 的实际应用，充分发挥仿真机的优势，提高培训效果，具有重要意义。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 国内外发展现状及趋势 1 2 1 变电站仿真培训系统的发展现状 采用仿真培训系统对电力行业运行人员进行培训，在国外2 0 世纪6 0 年代开始 研制并投入使用。2 0 世纪9 0 年代以来，相继开发出各种不同类型的变电站运行人 员培训仿真系统。仿真培训系统的出现，可以模拟实际系统的工作状况和运行环境， 以避免运用实际系统时可能带来的危险性及高昂的代价。变电站仿真培训方式使变 电运行人员的培训手段大大更新，提高了培训效率，缩短了培训周期，进一步提高 了运行人员的正确判断和处理事故的能力，确保电网安全、可靠、经济运行。从目 前变电仿真培训系统发展现状来看，仿真培训系统的形式各异，组成与功能上各有 优劣。综观各种文献所述可以看出，现有的仿真培训系统大致可分为以下几种类型。 从仿真培训系统的组成模式上看，大致有三种类型n 引： 1 、硬屏盘变电仿真培训系统 该系统是用物理实物的方式1 ：1 仿真变电站的控制盘、保护盘、操作盘、模 拟盘，为节省投资，一般只模拟屏盘的面板部分。这种系统的优点是操作监视直观， 现场氛围强，但投资和占地面积大。 2 、软屏盘变电仿真培训系统 该系统属纯软件模式，组成灵活，应用计算机技术在屏幕上绘制变电站的一、 二次设备，用鼠标操作代替人手操作，其优点是投资小、占地少，配置灵活，并可 采用先进的计算机技术，如一机多模、虚拟现实技术、多媒体技术、三维立体技术 等，提高仿真培训的效果，缺点是操作显示没有硬屏盘直观，现场氛围弱。 3 、软硬屏盘变电仿真培训系统 该系统综合了上述两类系统的优点，在软屏盘方式的基础上，按培训的具体要 求，用硬屏盘实现个别回路的控制、保护等装置，或将真实的控制、保护等装置接 入仿真系统。这将是仿真系统的发展方向之一。 按仿真系统的规模和复杂程度看可分为心0 1 ： 1 、孤立变电站型的变电培训仿真系统 孤立型变电站仿真系统的仿真范围仅包含变电站内部的一、二次系统和装置， 变电站电源和负荷在其进出线上的等值连接等，即将变电站作为孤立系统来仿真。 优点是投资费用较低，但其潮流分布、电压变化及无功分布、同期操作等不真实； 保护配合无法完成、无法考虑故障后的动态过程，因此无法完成电网调度员和变电 站运行人员的综合训练。 2 、考虑简单电网的变电培训仿真系统 华北电力大学工程硕士专业学位论文 考虑简单电网的变电站仿真培训系统的仿真范围除了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解决孤立型变电站仿真系统的不足，但由于电网模拟不 真实，发电机、负荷、线路、变压器、电容器的投切和分接头的调节在简单电网中 的反映与实际电网差距较大，往往给运行人员以错误概念。 3 、考虑复杂电网的变电培训仿真系统 考虑复杂电网的变电站仿真培训系统将仿真变电站所在地区电网或省级电网 整体保留，可以考虑电网和变电站之间的相互影响；可以实现全网保护配合；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培训。但开发难度大，技术难度高。 在变电站仿真培训系统的发展与完善的过程中，以下几项仿真技术的采用大大 提高了仿真培训系统的真实性、可靠性、互动性、灵活性等特点。 l 、三维视景仿真技术 它是在计算机图形学基础上发展起来的一种仿真应用技术。视景仿真技术是计 算机仿真技术的重要分支，是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、 信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用。 2 、虚拟现实技术( v r ) 虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境( 如飞机驾驶舱、操作现场等) ，通 过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互 的技术。v r 是2 0 世纪末发展起来的一种涉及众多学科的高新实用技术。它是一种 全新的人机交互系统，集成了先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微 电子技术于一体，利用计算机生成虚拟环境，它能对介入者产生各种感官刺激，如 视觉、听觉、触觉、嗅觉等，给人以身临其境的感觉，并且人还可以以自然的方式 与环境进行交互，强调了人在虚拟环境的主导作用。 文献 2 5 ：基于v r 技术的变电站仿真培训系统，采用v r 、人工智能等诸多高 新技术，具有以往许多仿真培训系统所没有的独特优点。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和主动性，明显提高仿真培i ) l i 效果：大大降低培训系统的硬件投 资：非常方便地反映真实变电站的变化。虚拟变电站仿真培训系统将有助于解决不可 视、不可摸、不可入、危险性场所的仿真与培训等问题，解决仿真与培训设备不足、型 号落后、难以更新换代跟上电力发展的困难，提高仿真与培训的技术水平，其应用前景 十分广阔。 3 、多媒体技术 多媒体仿真( m u l t i m e d i a s i m u l a t i o n ) 直观地讲就是将计算机图形显示、图像重 华北电力大学工程硕士专业学位论文 现、声音回放、网络视音频流等手段在仿真系统中嵌入应用，从而达到“实体见物、 动静结合、实时交互的逼真效果，使仿真的结果更有成效。 文献 1 7 提到多媒体技术在变电站仿真培训中的应用，即将计算机图形显示、 图像重现、声音回放、网络视音频流等手段在仿真系统中嵌入应用，从而达到“实 体见物、动静结合、实时交互”的逼真效果，使仿真的结果更有成效。 4 面向对象的建模技术 图模库一体化仿真支撑系统，是目前在仿真平台技术方面达到国内领先水平的 仿真技术，它采用面向对象的设计结构，实现了电网一次主接线系统的图形建模和 通用保护、二次回路等逻辑模块的图形化建模，并且可以完成一次模型和二次回路 模型的图形连接，使用户能够方便地完成所有电网仿真和变电站仿真模型的图形化 建模工作，并且修改、扩充、升级十分方便。 5 网络与通信技术 网络与通信技术是实现变电仿真培训系统各组成部分信息传递与共享的关键 技术。充分利用该技术，建立基于企业网硬件平台的仿真培训系统和多媒体远程培 训教育系统的结合将具有广阔的发展前景。 文献 3 提到变电站仿真培训的远程教学系统。阐述了将基于微机局域网的变 电站仿真培训系统扩展成为广域网上的远程教学系统，分析了变电站仿真培训对远 程教学系统的需求及根据现阶段多媒体和网络技术的发展现状，综合应用多种技 术手段，进行系统集成，详细介绍了这些远程教学的方法和技术在变电站仿真培训 中的具体应用，实施方案和特点。 1 2 2 变电站仿真培训系统的发展趋势 目前国内外对仿真培训系统及其应用进行的研究不断深入，采用的仿真技术与 手段不断发展j 功能不断完善。目前对仿真培训系统的功能与应用方面的研究动态 可归纳为以下几点t l 、地区电网中的调度中心、变电站集中监控中心和变电站三个部分是一个密 不可分的有机整体，不是一个个简单的孤立系统，因此建立地区电网仿真、变电站 集中监控系统仿真和变电站仿真相结合的一体化地区电网综合仿真培训系统，对地 区电网生产运行过程实现全仿真，对地区电网运行人员进行全面完整的培训n4 1 ，是 仿真培训系统的发展趋势。 2 、变电站集控中心仿真，满足集控中心站值班员的培训需要。已经成功投运 的变电站集中监控系统( s c a d a ) 有多种类型，整体功能各有特点，长期共存是必 然的。因此，只针对某种类型s c a d a 的仿真不全面，变电站集中监控仿真培训系统 应能适应多种集中监控系统( s c a d a ) 仿真，具有较强的适应性。 矗 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 、强化系统的应用功能，增强系统的智能性，强化地区电网中正常、异常和 事故处理功能，并将仿真机与多媒体远程培训教育系统有机结合，提高培训效果口1 。 4 、针对一次设备的故障和异常情况，仿真培训系统更应充分利用多媒体技术、 三维图形技术和虚拟现实技术，对变电站一次设备进行仿真，满足运行人员对变电 站一次设备的巡视、检查培训的需要，利于运行人员直观了解、学习现场设备口0 | 。 5 、供电公司企业网( i n t r a n e t ) 已达到实用化标准，基于企业网硬件平台的仿 真培训系统和多媒体远程培训系统的结合将具有广阔的发展前景。 6 、采用面向对象建模和组件建模仿真技术、图模一体化仿真技术等增强仿真 系统开发的灵活性。 7 、进一步提高仿真系统运行的真实性和一致性，利用实时参数进行数字与物 理混合仿真。 1 3 本课题的主要研究内容和工作 1 3 1 主要研究内容 1 、研究提高仿真培训系统运行的真实性、可靠性 本系统采用全软件仿真，系统规模大，需要多个专业技术人员的分工配合。为 保证系统运行正确，仿真符合实际生产情况，与软件开发技术人员一起对仿真培训 系统的正常运行操作过程和事故及异常故障的类型、设置、故障现象及处理方法等 都进行了相当长时间的全面、反复的测试，提高仿真培训系统运行的真实性与可靠 性，在仿真系统运行调试的过程中，发现系统存在的问题并加以改进。 2 、研究提高系统的智能性 根据实际的运行经验和培训需求，增加故障类型和故障现象与处理的仿真真实 性是提高仿真性能的重要课题；为提高培训的可控性，在学员操作时应能进行操作 记录，判断学员操作的正确性；建立仿真系统用户管理及评分系统，利用教员主控 条上的评价按钮调出仿真评分界面，选择进行考试的用户并做出仿真培训记录，针 对一些特定项目建立学员评分系统，用于职业技能鉴定考试及培训考核；引入操作 票专家系统，根据系统当前状态和所要求的操作任务，自动生成标准操作票，自动 解决问题，生成解答为学员操作提供指导。 3 、变电仿真培训系统辅助课堂教学的研究和实践 研究如何将仿真培训系统与多媒体教学手段相结合，充分利用仿真系统的运行 操作界面与操作功能，利用各种动画软件、课件开发软件等开发运行操作动画短片， 提高培训效果。研究利用仿真机进行课堂教学的实践方法。对于理论知识部分的讲 华北电力大学工程硕士专业学位论文 解，可结合仿真操作界面，开发内容丰富的多媒体远程培训软件，采用基于w e b 的 多媒体远程培训方式，实现远程教学和考核功能，以达到“分散培训、集中考核 的培训思想等。 1 3 2 本文的主要工作 在学习和掌握变电站仿真培训系统的功能和操作的基础上，主要工作如下： 1 对变电站仿真培训系统的功能进行测试，保证仿真结果正确、系统运行可靠， 满足培训要求。 2 根据变电站运行人员的培训需求，提出新增电网与变电站联合仿真和微机保 护装置仿真功能，完善故障仿真功能，并设计了各种故障仿真原理、故障仿真的培 训要求和仿真实现方法。 3 研究并实践利用仿真机辅助课堂教学的方法，研究仿真机在多媒体远程培训 系统培训课件制作中的应用，使理论知识讲解与实际操作培训紧密结合，提高教学 效果。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章5 0 0 k v 变电站仿真培训系统简介 为适应企业培训的需要，提高培训效果，东北电网大连培训中心引进了中国电 力科学研究院开发的5 0 0 k v 变电仿真培训系统，并对该仿真培训系统进行了全面的 功能测试，在原系统的基础上对该系统的性能与功能加以完善与改进，使培训功能 得以扩展，更好地适应了培训需求，在培训过程中得到学员的普遍认可。 该系统集电网仿真技术、集控站和变电站仿真技术、w e b 技术、计算机图形图 像技术、通讯技术、数据库技术、多媒体三维动画技术于一体，是开放性的分布式 系统。该系统不仅可以用于变电站、综合自动化站运行人员培训，还可以用于集控 站监控人员和电网调度员培训，进一步还可以进行变电站、综合自动化站运行人员、 集控站监控人员和电网调度员联合培训，实现整个变电运行生产过程的全仿真培 训；基于3 d 技术的变电站虚拟设备形象、生动、逼真，可在三维实体模型的一次 场区完成设备的操作与巡视；在仿真机的基础上，陆续开发基于w e b 的内容丰富的 多媒体远程教育培训系统软件，以适应多媒体远程教学培训方式，可以实现网上远 程教学和考核功能，实现“分散培训、集中考核”的培训思想。 2 1变电站仿真培训系统综述 2 1 1 仿真对象及范围 1 、仿真对象 本仿真系统以河北南网为仿真对象，采用一机多模的形式，其仿真对象是5 0 0 k v 变电站、2 2 0 k v 变电站、1l o k v 变电站和3 5 k v 变电站等多个变电站及其构成的电网。 各个仿真变电站彼此为独立变电站，在电气上不联系。各个变电站的出线均有对侧 的负荷( 电源) 和负荷断路器、电源和电源断路器。 2 、仿真范围界定原则 基于变电站仿真培训的实际需要，仿真培训系统的仿真范围界定原则如下： ( 1 ) 对变电站进行整体仿真。 ( 2 ) 对于与变电站相联的电网进行简单仿真，符合实际电网运行情况。 ( 3 ) 实现全网继电保护和自动装置的实时配合。 ( 4 ) 对详细变电站进行全过程、全范围仿真，符合电网运行的实际生产过程， 严格遵守调度、变电、继电保护、通讯等相关规程。 ( 5 ) 满足变电站运行人员及相关管理人员进行单独和联合培训，并能对保护 人员进行辅助培训。 1 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 、变电站仿真 变电站仿真不仅考虑变电站的一次设备及其操作机构、交直流系统、继电保护、 自动装置和综合自动化系统的详细模型，而且考虑变电站仿真详细模型对电网仿真 抽象模型的影响。仿真变电站的典型接线方式、运行方式和二次系统配置具有充分 的代表性，可以满足学员学习掌握各电压等级变电站运行操作的需要。5 0 0 k v 变电 站以5 0 0 k v 廉州变电站为主要仿真对象，详细仿真内容包括变电站的所有一次、二 次设备及控制室的仿真、控制盘台的仿真、保护室的仿真、户外设备的操作和巡视 的仿真、五防系统的仿真、直流系统的仿真、通信系统的仿真等。 3 、变电站集中监控系统仿真 变电站集中监控系统仿真包括变电站集中监控s c a d a 仿真、s c a d a 查询工具仿 真、通道柜仿真、前置机仿真和s c a d a 系统异常故障仿真。 变电站集中监控系统仿真和电网仿真、变电站仿真是密不可分的，变电站仿真 和电网仿真是变电站集中监控系统仿真的基础，它们共同为变电站集中监控系统仿 真提供监控对象模型。变电站集中监控系统仿真的遥信量来自于变电站仿真模型， 遥测量来自于电网仿真模型，遥控操作和遥调操作首先作用于变电站仿真模型，再 通过变电站仿真和电网仿真接口作用于电网仿真。 4 、电网仿真 为满足地区电网运行人员熟悉掌握地区电网实际结构和运行方式，电网仿真 部分按河北南网实际电网结构、参数和变电站主接线等建立仿真模型，对于用户 馈线等作适当简化。仿真电网的规模包括地区电网内所有2 2 0 k v 、5 0 0 k v 网架及 重要的1 i o k v 、3 5 k v 线路和必需的电力设备( 如变压器、安全自动装置、继电保 护装置等) ，对外网作等值处理。 2 2变电站仿真培训系统的总体结构组成 2 2 1 仿真机总体技术方案 该仿真系统为纯数字式仿真系统。仿真机采用一机多模方式，即仿真机在一 套硬件设备上实现对多套变电站的仿真。仿真系统采用软表盘方案对变电站的屏 台及其上报警、监视、控制操作进行仿真，通过就地操作站仿真变电站的远方 就地盘、保护盘等的操作。计算机系统运行w i n d o w sn t 操作系统，采用高级仿 真支撑软件t t s 系统。学员站运行w i n d o w s 操作系统。仿真机的操作部分将包括 教练员台和学员台。在结构上具有可靠性和易维护性，且具有一定的可扩充性。 通过相应的配置，本仿真机还具备远程培训及多媒体培训功能。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 2 2 仿真培训系统的硬件系统 仿真培训系统的硬件系统是由微机服务器、教练员台、学员台、大屏幕投影 系统、通讯系统、交换机和网络附件、电源系统、打印机以及各种环境仿真设备 等部分组成。硬件系统结构示意图如图2 - 1 所示： 5 0 0 k v 变电站15 0 0 k v 变电站2 2 2 0 k v 变电站 。羹黼。露黼一圈霜 爵者主控警豫场箔台主捍窀现场后台主格晕现场 磷麓静蕊拗 图2 1 仿真培训系统的硬件结构 1 、服务器 由1 台d e l lp o w e r e d g e 僵2 8 0 0 微机服务器组成，主要用作电网潮流计算、 故障计算和电力系统暂态分析，存储历史数据，收录教案、试题库、典型方式案 例、学员档案、操作记录等，同时作为多媒体远程培训系统的w e b 服务器，并且 通过该服务器经过防火墙与m i s 系统联网。服务器有足够的内存和硬盘容量，足 够快的运算速度和高度的可靠性，以满足电网分析计算、数据库访问、多媒体培 训的实时性要求。 2 、网络设备及打印机 网络交换机采用d - l i n kd e s - 1 0 2 4 ( 1 台) 快速以太网交换机。 打印机采用h p 5 1 0 0 ( 1 台) ： a 31 2 0 0 d p i 内置网卡，可完成各种需要的打 印服务。 网络教学多媒体音响系统采用d e l la d a 4 2 5 ( 1 套) 。 3 、教练员台 教员台由1 台d e l lo p t i p l e x t mg x 6 2 0 n m t 微机组成，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控等功能。采 用一机双屏模式，液晶显示器。 4 、学员台 图2 一l 中的“5 0 0 k v 变电站1 ”、“5 0 0 k v 变电站2 ”、“2 2 0 k v 变电站”等即为 学员台，每个学员台包括变电学员台和巡视学员台，包括三台微机，即图2 - 1 中 的后台和主控为变电学员台，现场为三维巡视学员台，这3 台微机共同构成一个 一举 蠲懈p k 华北电力大学工程硕士专业学位论文 学员台。各学员台的具体功能( 即所仿真的变电站及三维场景的类型) 可以根据 培训实际需要随时切换，这样可以进行单一变电站的运行人员的操作培训，也可 以进行调度员与变电站运行人员的联合培训，以满足不同的培训需求，学员台的 数量也可根据需要增减。 5 、大屏幕投影系统 该系统用于将学员台的界面进行大屏幕显示。投影仪与学员台采用硬件共享 的方式，即2 台变电学员台微机作为投影仪信号源，配置2 套大屏幕投影仪显示， 用于教员在培训时，将教员的操作进行大屏幕显示，以便进行统一的运行操作演 示。 6 、通讯系统 选用国威w s 8 4 8d 型主机。 7 、电源系统 u p s 供电系统( 1 台) 8 、环境仿真设备 ( 1 ) 环境仿真音响系统：用以模拟声音报警及事故现象等。两个欧姆龙继 电器、警铃、警笛。 ( 2 ) 环境仿真灯光控制系统：一个欧姆龙继电器、接触器。 3 2 3 变电站仿真系统软件 大连培训中心引进的变电站仿真培训软件统称为t s 2 0 0 0 系统，该软件系统由 以下几个主要部分组成： 计算机系统软件 仿真支撑系统软件 电网仿真软件 变电站仿真软件 变电站综合自动化系统仿真软件 教员与学员系统软件 多媒体培训系统软件 计算机系统软件是仿真培训软件运行的基础，包括操作系统和网络通信软件； 电网仿真软件、变电站仿真软件( 包括变电站主控室和三维现场巡视场景) 、变电 站综合自动化系统仿真软件、教员与学员系统软件和多媒体培训系统软件通过交互 式、分布式仿真软件支撑平台的运行管理系统有机结合在一起组成整个培训仿真系 统，t s 2 0 0 0 系统的软件系统结构如图2 - 2 所示。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 国圆圆圆圆 w e b 服务仿真运行支撵系统( r t1 ) 操作系统 计算机网络 图2 - 2t s 2 0 0 0 系统的软件系统结构 2 35 0 0 k v 变电站仿真培训系统的特点与功能 2 3 1 变电站仿真培训系统的特点 1 、系统详细仿真了目前国内地区电网输变电运行的主要环节( 电网调度中心、 变电站集控中心、变电站综合自动化系统和变电站) ，建立了电网调度仿真与集控 站、变电站仿真的软件支撑平台，将电网仿真、变电站集中监控系统仿真、变电站 综合自动化系统仿真和变电站仿真有机结合为一体化系统，实现了地区电网生产运 行过程的全仿真，可以正确反映变电站、变电站综合自动化系统、变电站集中监控 系统和电网的相互作用、相互影响，大大提高了整个系统的的一致性、真实性和实 用性，培训功能更加完善。 2 、系统采用了适用于电网仿真集控中心仿真变电站仿真一体化的分布式仿 真软件支撑系统，解决了分布式仿真培训系统中仿真应用之间互操作性、分布性和 时空一致性问题，具有良好的规模可伸缩性和扩充性，能够满足各种规模地区电网 综合仿真培训系统的需要。 3 、系统采用了图形、数据库和仿真模型的一体化技术，图形、数据库和仿真 模型同步生成，易于扩充和维护，方便了用户的使用。 4 、可以直接采用实时系统数据断面，使电网仿真、变电站集中监控中心仿真 和变电站仿真更加真实。 5 、采用全电网继电保护定值判断技术，能仿真各种复杂情况下继电保护的动 作行为。 6 、可以实现在一套仿真培训系统上同时对多种变电站集中监控系统运行环境 的培训，还可以将不同类型电站集中监控系统( s c a d a ) 和不同类型变电站灵活地 组合起来培i ) i i 。 15 华北电力大学工程硕士专业学位论文 7 、采用虚拟仪器技术、组件技术和虚拟现实技术，可以真实反映变电站的正 常、异常、事故状态及其动作过程，人机界面友好、逼真、灵活。仿真系统的功能 全部用软件实现，降低了整个系统的造价，具有较高的性能价格比。 8 、系统可配置性强。该系统不但可以配置成“地区电网调度中心一变电站集 中监控中心一变电站”模式的地区电网综合仿真培训系统，而且可以配置成独立 的地区电网调度员仿真培训系统和变电站集中监控仿真培训系统( 包括变电站仿真 培训系统) 。 2 3 2 仿真培训系统的应用功能 1 、变电站运行人员和相关管理人员培训 ( 1 ) 培训基本的运行技能。对新运行人员进行上岗培训，对运行人员的基本 运行能力进行培训及测试，使其熟悉电网结构、运行方式、电网潮流，掌握基本运 行操作及调度规程，熟练运行实时监测系统( s c a d a ) 、操作票生成系统及其他应用 软件。 ( 2 ) 事故分析及处理的培训。可进行开关、刀闸、变压器、母线、线路等各 种设备及其相关的故障处理培训，培训电网运行人员根据提示信息发现事故，依据 仿真的电网环境判断故障和处理故障，并在训练结束后对事故进行分析，重放事故 发生和处理的全过程，分析每一步操作的正确性，并给予正确的提示。通过仿真训 练可以使运行人员了解各种事故发生的现象、原因及变化过程，总结积累处理经验， 增强他们事故处理时的自信心。 ( 3 ) 变电站一次设备正常和特殊巡视训练。通过变电站三维交互式漫游巡视 系统，实现变电站设备的三维重现和虚拟操作，受训人员感到富有直观性、形象性， 有助于其熟悉了解现场情况，更好的将理论知识与实践经验相结合。 ( 4 ) 对于办公管理人员进行电网运行的概念性培训。办公管理人员通过仿真 培训可以了解电网的现状、运行方式、操作规程及电网运行的特性。 2 、联合反事故操作培训 本系统提供了完善的故障设置功能，可以提供各种正确逼真的故障、事故现象， 除给提供运行值班人员正确判断、处理各种故障、事故的应变能力，提供保证变电 站安全经济运行的能力外，还可用于深入研究地区电网特点，对薄弱环节做好事故 预想工作，定期开展有针对性的全网联合反事故演习，完善各种事故应对方案，从 而提高事故情况下的应对能力，克服以往反事故演习纸上谈兵的局限性。仿真电网 设置的常见事故及复杂事故发生后，将引起继电保护的连锁动作和电网潮流的变 化，并显示越限设备的报警提示，对此研究后可以总结电网事故处理经验，制订出 合理的事故处理预案。此外，还可利用实际的事故数据进行事故再现，分析事故发 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 生的原因，寻求反事故对策和进行优化运行方式研究。做到事前有分析，事后有反 馈，切实提高电网安全运行能力。 3 、多媒体远程培训 多媒体远程培训系统基于w e b 结构，可在i n t e r n e t 及i n t r a n e t 上使用，用于 远程教育培训，可以满足地调调度员、变电站集中控制中心运行人员、变电运行人 员、继电保护专业人员和变电检修人员等技术管理人员学习、培训、提高。从而解 决了工作与学习的矛盾，实现了“分散学习，集中考核的目的。根据本技术方案， 仿真系统投运后，可以为变电站的运行人员提供逼真的培训环境，达到提高运行人 员的运行操作素质，增强其安全运行能力的目的，同时经过反事故演练后，提高其 对变电站非正常和事故状态的判断、处理能力，为变电站安全、稳定和经济运行作 出贡献。 4 仿真培训系统的运行操作 2 4 1 系统的安装与配置 仿真培训系统设置为网络教室模式，安装运行时需分别进行服务器、教员机和 学员机的配置工作，以形成局域网络，满足培训的灵活性需求。 2 4 。2 教员机的运行操作 l 、教员主控条的操作 在教员机上运行远程监控程序，可打开教员主控条，用于完成远程控制功能。 教员通过该程序的界面来控制其他学员的s c a d a 主控条、变电站界面和三维场景的 启动；执行远程监控e x e 程序，将出现如图2 - 3 所示的教员主控条界面： 、爱黪渤渤勘国国渤：黪、势 ，+ 墨1 巨j 一墨i - i 舀一十西“冒i o f 圈 臣 匿匿 够s 0 黪、溺麓渤i 势镄黪 “三1 三 霉+ 雪墨 囝 圈 日4 固 昆 辫饕攀警鍪饕警喾饕砦黛黛：2 r i ：i 5 篓霪燕豢峰澎：警| | _ | | 参露。硼 i 翻 虻i_ j 。y j ；j，：西y l j，。 j j ：一二i ；呈辱，曼宅百囊：至销吕疆 叫 遵君却】” 图2 3 教员主控条界面 左侧部分为学员机列表，教员可按下相应的按钮建立与学员机的连接。处于按 下状态并且字变红色的按键表示教员与学员已经进行了链接，此时可以按右侧的按 键，把控制命令发送到学员机；图2 4 为教员与学员机“x h - y a n g 链接后的情况。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 国 础1 2 国 潍鹤 国 列1 | 4 国 x y 2 1 国 x y 2 2 x y 2 3 国 x y 2 4 国 x y 3 1 国 x y 3 2 锄锄渤勘锄锄渤锄锄锄 埘3 3 x y 3 4 h y 4 1 x y 4 2 y 4 3 x y 4 4 y 5 1 x y 5 2y 5 3x y 5 4 国国国国国国国国国国 图2 4 教员主控条与学员机x h y a n g 链接 教员与学员链接后可以执行下列命令： 鼐；鼐j 璺i 塑 鎏 璺塑塑| | 璺塑，璺j 蠹 鳊；捻| 勰想| 忽；凛凛絮j 期勰! 想期 b 。i 2 2 0 0 c s c 2 0 0 0 ；萋譬；撼 簿淬睾嚣，瓣：蚕餮评价程序退出有连接销启祝 “1 ” 键启动1 ”“” 图2 5 中左边二列的c s d 2 0 0 0 ，s d 6 0 0 0 ，w g j 2 0 0 0 ，b s j 2 2 0 0 ，c s c 2 0 0 0 分别为 对应监控系统的主控条；三维1 至三维1 0 为十个三维场景的名称；中间一 行十个变电站名称对应变电站仿真系统的界面； 教员机与学员机链接后，如果教员已经成功地为该学员启动了某个应用程序， 则该按键变为黄色，如图2 - 6 所示，学员机x h y a n g 启动了c s d 2 0 0 0 主控条后，教 员主控条的情况。 w n t 8 0 0 0 图 | b s d 2 0 i 门i s d 6 0 w g i 2 0 0 0 b s i 2 2 0 0c s c 2 0 0 0 图2 - 6 学员启动c s d 2 0 0 0 后的教员主控条 断开所有链接：将教员与学员的链接断开，即：主控条上右侧的按建全部弹出 ( 注意：学员机上执行的程序并不退出) 。 关闭仿真程序：与教员机链接的学员机的全部应用程序退出。 退出：教员主控条界面退出。 实时数据库( 一键启动) ：在教员机上启动d b v i e w ，d b c o m ，p s m 和教员监控 界面主控条，这些程序是仿真系统的服务进程。 12 圈 姻麴捆黜| 日抽曰瞄，蜥潞 矩盏龇罐 目缴曰黏。檄耗鼢徊垫捆纛赫 目澍曰燃飙咐捆超捆贼瓣 曰绺日辫，凯骥饥矩攀矩，鬻蘸机曰绺一日瞄一x遥g稠鎏捆瞅邋启团嫩|目戡批k镰泗辣徊鳓搬锖n刚绺一朋口螨4-纛勰捆鞫徊鳓赢黜曰绺日秽捆麴姻鳓譬固缘|吲黼一溅媳掠捆塑姻譬襻 华北电力大学工程硕士专业学位论文 计算机对时：教员机与学员机对时。 开始新的任务：开始一个新的任务前，为了把上个任务的操作记录删除( 主要 是为了减少评价表记录的行数，便于教员评判) ，需要执行本命令。 评价：教员设置培训任务或查看操作评价表。 2 、启动仿真界面 在教员机上启动的变电站后台c s d 2 0 0 0 ，c s c 2 0 0 0 等界面都能够完成教员的功 能，即：初始状态整定，控制培训过程，设置故障和异常。在各种主控条界面上， 选择画面调用、“图形显示”或“图形管理”图标，启动集控站仿真界面如图 2 7 。 雄鎏： ：| i i _ r 。 r 一 ： 叠 、一 1 ： t 。、+ = _ ，j j “ r 。一，j， 。 ? ，1 ， 图2 7 教员机集控站仿真界面 3 、初始状态整定 仿真系统可以模拟在不同运行方式下电网的运行，因此，需要在系统启动前整 定初始状态，其中开关、刀闸、变压器分接头值、负荷有功、负荷无功、机组有功、 机组无功等可以设置初值。 4 、启动仿真系统 启动仿真系统按照下列步骤进行： 启动集控站仿真界面，状态栏出现“启动训练，首先发送“恢复初态”命 令，然后发送“计算准备命令的提示。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 教员进行初始状态整定。 发送“恢复初态命令，等待状态栏上出现“恢复初态，可以启动训练或进 行重演。 发送计算准备命令，状态栏上出现计算准备完成，请发潮流计算命令。 发送潮流计算命令，状态栏上出现潮流计算完成，请发初始化命令。 发送初始化命令，状态栏上出现初始化完成，可以启动训练。 发送保护整定命令，状态栏上出现保护送数完成。 发送事故处理命令，状态栏上出现启动事故处理，同时，仿真时间 也开始变化，即表明仿真系统已经启动，可以进行操作培训。 或者点击快速启动菜单，然后等待状态栏上出现启动事故处理，表明 仿真系统已经启动，可以开始操作培训。 2 4 3 学员机的运行操作 学员机是学员进行培训和操作练习的平台，依据功能的不同，学员机分为变电 站仿真界面和三维场景巡视系统。由于运行速度的要求，这两个系统通常运行于两 台学员机上。 1 、变电仿真界面的操作 学员机e x e 是学员驻留程序，一般设置为计算机开启后自动启动并驻留到内 存。变电仿真界面包括变电站后台监控系统仿真界面和虚拟变电站界面，学员在变 电站后台监控系统仿真界面上可监视整个变电站的运行情况，显示变电站中线路、 负荷、母线等的遥测值；显示开关、刀闸等遥信点的状态；显示变电站的告警信息； 进行遥控遥调操作，模拟操作票和工作票的填写工作等。 通过虚拟变电站界面，学员可以进行变电运行人员监盘工作的培训，包括对主 控室的中央信号屏、控制屏、保护及自动装置屏、站用交直流屏等的开关刀闸状态、 电压、电流、有功、无功、频率( 并列时的频差、压差、同步表) 、变压器温度、 信号指示灯、光字牌、保护及自动装置的运行状态、压板、切换连片、报警等信号 的监视工作；在模拟盘台上能够进行各种操作，涵盖变电站典型操作票中的所有操 作，包括全部一次设备及保护和自动装置、站用电、直流系统等设备的各种操作、 相关信号、表计、指示灯；以及二次部分小开关、保险的分合、电流端子的操作， 保护自动装置的投切，方式切换及其液晶面板的操作、打印、保护定值修改、录波 图察看等；并包括验电操作、设置标志牌、各种可操作的信号灯及位置指示器的操 作处理。 2 、三维场景巡视系统的运行操作 三维场景巡视系统即设备巡视学员台，它提供了一个基于三维动画技术的变电 2 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 站虚拟现场，采用虚拟现实技术、以三维方式展现变电站所有设备，包括变电站正 常、异常、事故工况下的现象和声音等现场所有场景，在时间、空间上极其逼真地 仿真设备的正常与异常状态，达到身临其境的效果。如变压器、电抗器的油温、油 位、油色、吸潮颜色、高低压引线接头是否发热、冷却系统运行情况，电容器的外 壳有无变形，熔丝、接头、套管是否完好，瓷瓶的破碎与闪络等，并可对现场设备 进行相应操作和处理。 教员在教员机上为学员启动相应的三维场景巡视程序后，为了更好的完成漫 游、观察和操作，系统主窗口一共设置了5 种运行状态，分别是运动、环绕、操作 方式、望远镜方式和导航图漫游方式，生动形象地模拟了人的各种运动方式。 1 ) 运动方式，为系统默认方式。在此方式下，运行人员可利用光标键前后左 右移动，及利用p g u p 和p g d n 键改变视角。如图2 8 所示。 j _ 十，。” 吾莲i ，_ _ 三_ j 三二曼? ? 图2 - 8 三维巡视系统的运动模式 2 ) 环绕方式，为了方便对某一物体进行观察，用鼠标右键双击某一物体，弹 出如下图对话框，点击“确定”后进入环绕方式。可利用光标键旋转物体和拉近 拉远物体。如图2 9 所示。 3 ) 操作模式，为了对开关、刀闸的操作机构( 包括端子箱) 进行操作，可以 用鼠标( 左键或者右键均可) 双击某一机构箱，系统会自动面向该机构箱，进入近 距离操作模式，调整视点高度和方向，同时机构箱的门会自动打开。如图2 - 1 0 。 4 ) 望远镜方式。为了放大观察某一物体，可以点击工具栏上的望远镜按钮切 换到望远镜模式下，以5 倍比例进行观察，在该方式下，运动控制和运行方式下一 致。如图2 - 1l 。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 - 9 三维巡视系统的环绕模式 图2 - 1 0 三维巡视系统的操作方式 图2 11 三维巡视系统的望远镜方式 5 ) 导航图方式，可进行漫游、快速定位和验电。按f i o 切换导航图