基于动态图纸的变电站二次回路仿真培训系统.pdf

第3 1 卷第5 期 2 0 1 4 年1 0 月 现代电力 m o d e r ne l e c t r i cp o w e r v 0 1 3 1n o 5 0 c t 2 0 1 4 文章编号 1 0 0 7 2 3 2 2 2 0 1 4 0 5 0 0 9 0 0 5文献标志码 a中图分类号 t m 7 4 3 基于动态图纸的变电站二次回路仿真培训系统 苏晓1 冯可2 程延远1 王全2 贾筱莹1 1 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁局 广西南宁5 3 0 0 2 1 2 北京科东电力控制系统有限责任公司 北京1 0 0 1 9 2 s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mf o rs u b s t a t i o ns e c o n d a r yc i r c u i t sb a s e do n d y n a m i cd r a w i n g s ux i a 0 1 f e n gk e 2 c h e n gy a n y u a n l w a n gq u a n 2 j i ax i a o y i n 9 1 1 n a n n i n gb u r e a uo fc s ge h vc o m p a n y n a n n i n g5 3 0 0 2 1 c h i n a 2 b e i j i n gk e d o n ge l e c t r i cp o w e rc o n t r o ls y s t e mc o l t d b e i j i n g1 0 0 1 9 2 c h i n a 摘要 介绍了一种动态化变电站二次设计图纸的二次回路 仿真培训系统 该系统采用自动建模技术将c a d 版的变电 站二次设计图纸自动转化为动态仿真图纸 并与变电站一二 次设备三维仿真系统一一对应 可在三维场景里对二次回路 元件进行测量 操作 同时 也可在仿真图纸界面看到对应 的二次回路原理图 节点图等实时反映的元件状态变化 系 统采用一种简单实用的二次回路计算方法可快速准确地计算 变电站二次回路各节点电气量 为二次回路仿真测量 元件 动作逻辑提供数据支持 该系统在南方电网超高压输变电公 司南宁局投入使用 以5 0 0 k v 南宁变二次回路为仿真对象 实现了二次回路仿真 关键词 二次回路 仿真培训 动态图纸 快速建模 a b s t r a c t as i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mf o rs u b s t a t i o ns e c o n d a r yc i r c u i t sb a s e do nd e s i g nd r a w i n gi sp r e s e n t e d a u t o m a t i cm o d e l i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dt oc o n v e r tt h es e c o n d a r yc i r c u i td r a w i n g si nc a d f o r m a ti n t od y n a m i cd r a w i n g s t h ee l e m e n t si nt h ed y n a m i cd r a w i n g sa r em a p p e dt o t h ed e v i c e si na3 ds u b s t a t i o ns i m u l a t o r w h i c hm a k ei tp o s s i b l et om e a s u r ea n do p e r a t et h ee l e m e n t si ns e c o n d a r yc i r c u i tt h r o u g h3 ds u b s t a t i o ns i m u l a t o r a tt h es a m et i m e t h e c h a n g e ds t a t eo fe l e m e n ti n3 ds u b s t a t i o ns i m u l a t o rw i l lb e d i s p l a y e do nt h ed y n a m i cd r a w i n g ss i m u l t a n e o u s l y as i m p l e a n dp r a c t i c a la l g o r i t h mw a sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h en o d e v o l t a g eo fs e c o n d a r yc i r c u i tr a p i d l ya n da c c u r a t e l y w h i c h c a np r o v i d ed a t af o rs i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n to fs e c o n d a r yc i r c u i ta n da c t i o nl o g i co fe l e m e n t s t h es y s t e mb a s e do n t h es e c o n d a r yc i r c u i td r a w i n go f5 0 0 k vn a n n i n gs u b s t a t i o n h a sb e e np u ti n t ou s ei nn a n n i n gb u r e a uo fc s ge h vc o m p a n y k e y w o r d s s e c o n d a r ys y s t e m s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m d y n a m i cd r a w i n g q u i c km o d e l i n g 0 引言 随着电力系统规模的不断扩大 变电站一 二 次系统日益复杂 对变电运行 继电保护专业人员 的理论素质和技能水平要求也越来越高 同时对二 次回路相关专业的培训也提出了更高的要求 因此 一个基于实际二次回路元件物理原理的 适应二次 回路运维工作特点的仿真培训平台对于继电保护 自动化人员培训来说尤显重要 国内也出现了各类 基于不同仿真方法和针对不同培训需求的二次回路 仿真软件和装置 1 巧 这些培训手段或是针对装置 调试 或是针对二次设备及回路的理论讲解 或是 重点在演示而缺乏不依赖预案的互动 继电保护专业人员专业技能培训受培训手段的 限制 往往理论培训多而实操练习少 而且目前实 操部分针对保护装置的较多 针对二次回路缺陷查 找及处理较少 因此 针对继电保护 自动化人员 的二次回路仿真培训应涵盖理论和实操两部分 理 论部分包含二次图纸阅读 回路识别分析 实操部 分应涵盖二次回路测量 缺陷分析及处理 本文介绍的仿真系统采用二次回路图形化自动 建模技术和快速二次回路分析算法 解决了二次回 路仿真中快速建模和回路快速分析计算的问题 实 现了二次回路仿真系统的快速搭建和系统运行时回 路仿真测量结果的快速准确计算 系统可与变电站 一二次设备三维仿真系统 电网仿真系统联合运行 实现变电站二次回路全景仿真 系统按设备和元件 的物理原理建模 因此可对各类系统扰动作出不依 现代电力 2 0 1 4 3 1 5 h t t p x d d l n c e p u e d u c ne m a i l x d d l r i p 1 6 3 c o r n 万方数据 第5 期苏晓等 基于动态图纸的变电站二次回路仿真培训系统9 1 赖预案正确的实时响应 系统在南方电网超高压输 变电公司南宁局投入培训 已经取得良好效果 1 系统功能介绍 1 1 仿真软件构成 二次回路仿真培训系统的仿真软件构成如图1 所示 仿真系统由电网仿真 变电站一二次设备仿 真 二次回路仿真动态图纸构成 其中电网仿真软 件实时计算电网变电站一次输配电网络的潮流 包 括稳态潮流与暂态潮流 为二次设备仿真模块提供 保护 测量数据 实现二次设备正确响应 变电站 一二次设备仿真对变电站内所有设备进行全范围三 维建模 包括变电站一二次设备和综合自动化系 统 在三维场景里可以对一二次设备 包括二次回 路元件 如端子 压板等 的检查 测量 操作等 仿真 二次回路仿真动态图纸则对真实的变电站二 次回路设计图纸进行动态化处理 使仿真图纸上的 元件状态跟一二次设备三维场景里的状态一一对 应 并可于仿真图纸上准确地再现扰动发生后二次 回路元件的响应动作 变电站一次设备变电站二次设矧二次回路 电网仿真 三维仿真 z 维仿真仿真动态图纸 嚣 仿真支撑平台 图1系统软件构成示意图 系统为继电保护专业人员提供了一个从图纸到 设备的相互映射的仿真培训环境 模拟现场人员结 合图纸查线 处理缺陷的场景和过程 可以使受训 人员从理论到实操都得到很好的学习效果 1 2 二次回路仿真系统的快速建模功能 变电站二次回路图纸仿真的一大难点就在于建 模工作量巨大 二次回路图纸量大 元件众多 一 个设备间隔少则二三十张图纸 多则上百张 要手 动建模不仅周期长 而且容易出错 因此 系统在 设计之初第一个要解决的就是快速建模问题 快速建模包括两个方面 一是在保留实际设计 图纸的绘图风格 布局的同时将图中的二次回路元 件替换成二次回路仿真系统定义的各类基本模型或 子模型 实现图纸动态化 二是对图中动态元件的 典型属性根据实际回路和设备进行定义 本文系统采用长于处理图形用户界面的q t 开 发 实现从d x f 格式直接生成仿真图纸的功能 大大缩短了仿真图纸绘制工作量 系统在自动生成仿真图纸的过程中 可以直接将 图纸上某一类元件批量转换成已有元件库内的元件模 型 也可以根据图纸上的元件外观重新匹配已有的元 件模板生成新的子模型 从而保留原有的绘图风格 动态元件生成后 系统提供批量定义元件属性 的功能 对于相当一部分在仿真培训中不涉及检 查 操作的元件 可以选择根据已定义的某一个同 类样本元件的属性进行复制 系统除了自动分配唯 一的i d 外 其他属性根据样本元件的属性值复制 从而大大减轻了数据录入工作量 完成图纸生成和元件定义后 系统提供一键生 成拓扑数据 一键入库功能 自动根据仿真图纸上 的元件连接关系生成仿真计算需要的拓扑数据 并 存入数据库 此外 系统提供元件属性值自动检查工具 帮 助开发人员排除重复定义 元件定义冲突 漏定义 元件等错误 提高了编辑效率 1 3 二次回路仿真系统的仿真培训功能 本文系统针对继电保护专业人员的技能培训和 考核需求设计实现了如下几大仿真培训功能 1 3 1 回路智能着色 回路智能着色是二次回路理论培训的主要教学 辅助手段 借助智能动态着色功能 教员可以一次 性重点突出显示某一条或几条典型回路 也可以随 着讲解的进程通过鼠标点击单步着色 学员可以在 自学回路的时候将自己的识别结果跟教员设定的标 准答案比对 通过智能着色可以直观地看到自己选 择正确和错误的部分 在系统发生扰动 例如操作开 关变位 一次系统发生故障 二次回路出现异常等 时 系统将根据二次回路相应的元件动作顺序将变 位元件依次着色突出显示 帮助学员学习理解 智能着色功能可由教员选择开启和关闭 1 3 2 回路测量 二次回路仿真培训的重要内容就是缺陷查找和 定位 而实际工作中缺陷查找定位的主要手段就是 测量 继电保护专业人员通过测量回路某些关键点的 电气量来分析判断回路缺陷位置和性质 因此 对回 路测量的仿真是二次回路仿真培训系统的重要功能 本文系统模拟数字式万用表 提供典型万用表 各种档位 学员可以通过鼠标点击将虚拟万用表的 现代电力 2 0 1 4 3 1 5 h t t p x d d l n c e p u e d u c ne m a i l x d d l v i p 1 6 3 c o m 万方数据 9 2现代电力 2 0 1 4 正 红 黑两支表笔放置到二次回路可测量的任意两 点 系统可以根据两支表笔的位置通过快速回路分 析算法计算出测量结果数据并按当前档位换算成显 示数值显示在虚拟万用表表盘上 系统支持学员分别在变电站三维仿真场景里和 动态仿真图纸上进行测量 图纸上的测量范围模拟 实际变电站二次回路 只开放端子 包括装置背端 子及装置外壳 压板 空开接线头等 其他装置 内部原理图等不支持放置万用表表笔 对于学员测量不当的操作 例如量程选择不合 适 回路带电情况下测量元件电阻等 系统将根据 计算结果给出符合实际逻辑的现象 例如万用表盘 显示错误 或者告警提示万用表烧毁 或者测量电 阻时误给继电器或者线圈加压导致设备误动 1 3 3 动作过程重演 电力系统发生扰动时 二次回路往往会出现一 系列元件动作 而这一系列状态变化多在毫秒级时 间段内完成 变电站仿真系统也只能反映动作完成 后的系统各个设备状态 看不到其中动作过程 而动态图纸仿真系统可自动记录并保存发生扰 动后二次回路的动作序列 并可根据需要冻结变电 站仿真系统的时间推进 单独在动态图纸上自动回 放二次回路元件动作过程 从而帮助学员加深对回 路的认识 2 系统的几个关键技术 2 1 二次回路元件模型定义 系统对二次回路元件模型的定义主要考虑两个 方面的需要 一是仿真 即要按仿真对象的实际物 理原理来建模 保证模型能适应全范围 全过程仿 真的需要 二是培训 即模型还需考虑培训的需 要 增加一些方便教学的功能属性 真实的二次回路元件基本可以抽象为端子 导 线 触点 继电器 二极管 电阻6 种 系统在元 件建模时首先定义了这6 种基本元件模板 模板定义 了该类元件最基本的一组属性 所有的仿真二次回路 元件都可从这6 种模板派生或者直接用模板定义 以端子类模板定义为例 如表1 所示 其中电阻 当前及初始连接状态 当前异常状 态元件物理属性 两端节点等拓扑属性等 均服务 于仿真的需要 为仿真系统呈现一个真实的二次回 路状态服务 而颜色 所在图纸名 元件简介 是 否支持测量等属性则服务于培训教学需求 表1 端子类元件模板定义 在搭建仿真系统时 端子排端子 装置背板端 子 接地点等都可从端子模板派生或直接使用端子 模板定义 2 2 快速建模技术 系统动态图纸编辑平台主要包含两个工具 图 纸编辑器和模型编辑器 系统借助图形识别等技术开发了自动建模 编辑 功能 解决二次回路图纸仿真过程中绘制动态图纸 元件属性定义等环节不仅费时而且易出错的问题 2 2 1 自动匹配元件模型 从c a d 转换过来的仿真图纸 虽然保留了图纸 的绘图风格以及完整性 但是图中元件均为静态图 元 距离仿真系统需要的动态图纸还有很大差距 将静态图纸处理成动态图纸就是将图纸上静态 线条组成的元件替换成仿真元件模型的过程 由于 二次回路元件数量庞大 手动一个个编辑耗时多易 出错 因此本文系统借助图形识别技术 结合二次 图纸设计绘图规律 开发了一套智能绘图工具 通 常 在一套图纸内某一类元件的图符都是相同的 或者相似的 因此可根据指定元件的外观在全部图纸 现代电力 2 0 1 4 3 1 5 h t t p x d d l n c e p u e d u c ne m a i l x d d l v i p 1 6 3 c o m 万方数据 第5 期苏晓等 基于动态图纸的变电站二次回路仿真培训系统9 3 里搜索 凡是与该元件外观类似程度较高的均自动替 换成指定模型 以图2 中常开触点为例 在该册图纸 中 常开触点绘制成横向6 个单位长度 纵向3 个单 位长度 逆时针偏离z 轴负方向2 0 的一根线段 图2 原始设计图上的常开接点 在批量替换为动态模型的过程中 系统除了提 供可替换的模型选择 替换时是否旋转等选项之外 还可设置图形识别时的类似程度 如图3 所示 幽3 儿件模糊匹配的选项 当 横向偏差 设置为0 则系统在图纸中搜 索时条件将严格按横向6 个单位长度去匹配 而当 角度偏差 设置为5 则系统在搜索时对于逆时针 偏离z 轴负方向1 5 2 5 的斜线都认为是匹配的 通过这样的自动识别及批量替换 可实现一键 将整册图纸或者选定范围内所有符合识别条件的斜 线段替换成模型库中的常开节点 2 2 2 自动定义元件属性 完成图纸元件动态化处理之后 还需要对元件 的i d 等属性进行定义 如果手动定义 除了工作 量巨大 更主要的问题是出错 不论是键盘输人还 是采用下拉列表选择 即使出错率不高 就变电站 二次回路如此庞大的元件数量而言 错误总量都不 会小 因此有必要设计开发自动定义元件属性的工 具 实现仿真图纸元件大部分或全部自动定义 础 通常绘图的时候 大部分元件名称都标在元件 旁边比较固定的位置 基于这个明显特征 系统在 自动定义属性的时候 搜索元件周围的文本 并将 该文本与图纸别名结合生成元件唯一i d 如果在自 动搜索定义的过程中遇到同一张图纸上出现相同的 i d 则系统默认在i d 后按顺序加上数字编号 例如上面图2 中所示的常开接点 系统将搜索 到的元件上方附近的文本 s h j b 而该图纸的别 名已命名为 南科i i 线操作箱c z x l 2 r 那么图 2 中左侧圈内接点的最终i d 命名为 南科i i 线操 作箱c z x l 2 r s h j b 而它下方同名的接点最终 则命名为 南科i i 线操作箱c z x l 2 r s h j b l 关于元件i d 之外的其他属性则有些可以在元 件模板中定义默认值 例如元件电阻 元件动作延 时等 有些则通过系统默认的定义规则定义默认 值 例如元件别名默认同i d 相连两个元件的共同 节点定义为同名等等 有些属性则是必须要手动编辑的 但是相对来说 量已经很小了 例如继电器跟某一组节点的从属关 系 元件对应的逻辑功能关键字等 相连的两个元件 分别画在两张图纸上则需要手动固定其共同节点 此外 系统还提供属性定义检查工具 可列出 定义冲突 漏定义等信息 供开发人员核实 修 改 从而保证仿真图纸的正确性 2 3 快速回路计算 二次回路仿真系统中一项重要功能就是提供虚 拟测量 而这必须要有回路计算提供实时数据支持 一般二次回路分析计算多采用两类算法 一类 是类似电力系统一次网络分析方法 建立关联矩阵 求解 而二次回路不论节点或网孔数量都很庞大 导致这类算法矩阵阶数很高 而由于继电器 二极 管等特殊元件的存在 通常这样一次计算的结果往 往不能完全确定二次回路状态 多次循环计算量非 常大 二是将二次回路抽象为开关网络 6 借助图 论分析方法搜索回路的连通性 但是这种计算往往 忽略电阻的分压效应 将分析重点放在继电器及其 触点上 在回路正常状态下确实可以只通过分析连 通性就可得到动作结果 但是在处理经过渡电阻接 地或接触不良u s 等情况时 则需要增加额外计算 本文系统采用了一种新的快速分析方法 该方 法利用二次回路拓扑特点 以回路为单元进行拓扑 分析 直接化简回路 最后只需计算一个简单的电 而二次回路图纸有一个特点可以作为设计的基阻回路即可 现代电力 2 0 1 4 3 1 5 h t t p x d d l n c e p u e d u c ne m a i l x d d l v i p 1 6 3 c o r n 万方数据 9 4现代电力 2 0 1 4 钲 变电站二次回路虽然回路众多 但是拓扑特征 非常明显 通过观察可发现大多是并联在正负两条 小母线之间 或者相电源与地之间 的回路 回路和 回路之间没有直接联系 因此可考虑以单个回路为 单元进行分析 而观察单个回路可发现有两个特 点 一是大多在正负母线之间有一条主通路 其他 均为并联在这条通路上某两节点之间的支路 极少 数情况下有类似桥接线 二是电阻元件很少 可忽 略电阻的端子 接点等元件众多 因此 借助深度 优先搜索方法眇1 0 先形成以回路为单元的拓扑数 据 通过开路判断 短路判断 y 转换 并联 化简等一系列化简步骤 可以很快得到一条从正母 到负母的简单电阻回路 如图4 所示为简单二次回 路示意图 a 一 厂 一 2 图4 二次回路化简示意图 图4 中 从正到负有一条主通路0 该主路上 并联了两条支路1 2 支路1 上又并联了一条支 路3 按从短到长的顺序将并联支路合并 例如图 中将3 合并到1 得到1 将2 合并到0 得到07 再 将1r 合并到o 得到0 o 即为一条从正母到负母的 无分支回路 如遇到类似桥接线等无法直接合并 的 可通过 y 转换最终都可转化为类似图4 的 回路 在化简过程中 只需记住合并化简的顺序 即 合并支路的两端节点 合并前的等值电阻 即可 逆推回去获得原始回路各节点电压 一般在电力系统发生扰动时 例如开关变位 保护动作 二次回路出现缺陷等 往往只有部分 回路发生状态改变 而其他回路均维持原始状态不 变 因此 在以回路为单元进行计算时 仿真系统 只需在初始化时做一次二次回路全局计算 而在一 次或二次设备发生状态变化或故障时 计算相关的 几条二次回路即可 从而略去了大部分不需要的分 析计算工作 提高了计算效率 而且 系统按回路来组织拓扑数据 对回路智 能着色 动态过程重演 考核结果自动评估等培训 功能的开发也提供了方便 3 结束语 本文系统针对二次回路仿真重点开发了快速建 模工具并提出了回路快速计算方法 有效解决了二 次回路仿真中建模工作量大 易出错和实时计算复 杂的问题 为