变电仿真系统设计与应用.doc

封面 学校 硕士学位论文 变电仿真系统设计及应用 姓名： 专业： 指导老师： 完成时间： 摘 要随着现代电力系统网络规模的不断扩大和电网电压等级的不断升高,电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加,因此在电力系统的生产和研究中仿真软件的应用越来越广泛。文章在综合分析国内、外变电仿真系统的设计及应用的现状和特点基础上，以*变电站为研究对象，从变电运行人员对变电仿真系统的应用需求出发，完成对*变电站仿真系统的总体设计方案的设计，对于变电仿真系统的基础知识进行了简单的描述，并分析了变电培训仿真系统的典型类型的优缺点。同时，对于变电站仿真培训系统模型设计提出了新的看法，通过对电网模型设计、变电站模型设计，对电网和变电站模型整体解决方案作出了进一步的阐述，又对220KV变电站仿真系统的设计方案、硬件和软件配置进行了详细地研究、细致的说明。明确指出了变电站仿真培训系统的功能和主要应用，提高了仿真系统的逼真度、易维护性、扩充性和仿真培训的灵活性。关键词：仿真变电系统，方案设计，变电站，运用声 明本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文内蒙占220kV变电站仿真培训系统设计与研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，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。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fm弼；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) 第1章 绪 论1.1 论文的意义和来源随着我国经济建设的迅速发展,电力工业作为经济发展的基础工业,在经济发展中扮演着非常重要的角色。变电站作为电力系统的重要组成部分，与电力系统安全稳定运行关系密切。如何科学地开展变电运行人员技术培训，提高变电运行人员的技术素质，成为电力技术研究的一个新课题。电气运行人员的岗位培训,是提高电气运行人员技术素质的十分有效的途径,而“变电仿真系统”恰好能圆满解决电气运行人员的岗位培训问题。变电站仿真系统的总体设计遵循原理性、实用性、先进性的基本原则，达到仿真范围广、功能齐全、操作灵活、实用真实、技术先进、性能优异、运行稳定，具有21世纪国内国际领先水平。仿真系统的数学模型是以暂态计算为基础，是完全建立在物理机理之上的全动态数学模型，从而可以完整、严格、精确地对现场各种行为进行实时仿真。1.1.1 选题来源变电仿真培训是变电运行人员培训的一个重要内容。按照生产人员培训考核办法规定，变电运行人员必须经过仿真培训，考试合格后，持证上岗；并且每两年进行一次变电仿真合格证复审培训。截至2010年4月30日，我局变电运行人员326名。变电运行仿真培训的任务十分繁重。我局目前没有变电仿真培训基地，只能向系统内其它培训基地送培。人员差旅费开支较大，且培训时间不能自主安排，导致工学矛盾较为突出。建立我局自己的变电仿真系统，成为一个迫切的任务。1.1.2 论文研究的意义和价值到目前为止,对变电运行人员的培训基本是采用以理论教育为主、实践教学为辅的方法。这主要是因为难以为变电运行人员提供实际操作训练、事故处理以及任意改变运行工况,培训效果一直难以提高。随着90 年代高新技术的迅速发展,利用现代计算机提供高水平、高质量的培训成为可能。“变电仿真系统”就是利用现代计算机为核心的变电仿真培训装置,使运行人员在上岗前及岗位培训可得到与现场一样的运行操作与反事故演习的操作等。它使变电运行人员的培训手段彻底更新,缩短培训周期,提高运行人员的技术素质和正确判断及处理事故的能力。1.1.3 课题来源经过向上级报告，“我局变电仿真系统设计及应用”项目已经立项，选择了武汉世纪华胜科技有限公司作为开发商，计划于2010年底完成设计和开发应用工作。1.2 变电仿真系统设计的国内、外现状从目前变电仿真培训系统发展现状来看,按仿真系统的规模和复杂程度主要可分为三种类型变电仿真系统:孤立变电站型的变电培训仿真系统、考虑简单电网的变电培训仿真系统、考虑复杂电网的变电培训仿真系统;按仿真系统的有无硬件屏盘可分为二种类型变电仿真系统:硬仿真系统和软仿真系统。1.2.1孤立变电站型的变电培训仿真系统优点:造价相对较低。缺点:投切电磁环网中的联络线、潮流无法确定;调整变压器分接头时,系统电压及无功分布无法确定;投切电容器后,电压变化无法确定;同期操作不真实;全网保护配合无法完成;表计数据指示不准;无法考虑故障后的动态过程;无法考虑电网调度员与变电所运行人员综合训练(术语、规范、汇报、执行命令训练等) ;不能完整地仿真整个变电运行生产过程。1.2.2考虑简单电网的变电培训仿真系统优点:功能比孤立变电站型的仿真系统功能略强。缺点:电网模拟不真实。在一个简单电网中,每台发电机或每个负荷都占有重要地位,投切每台发电机或每个负荷都会对电网产生巨大冲击,运行参数都会产生重大变化,甚至造成整个系统瓦解,否则,模拟是错误的。而上述操作是电网生产运行过程中的经常性操作,在一个真实的复杂电网中,它不会带来灾难性后果,因此,简单电网的变电培训仿真系统是不真实的,它往往会带给运行人员的是一个错误的概念。显然,方案一的缺点它也基本具备。1.2.3考虑复杂电网的变电培训仿真系统优点: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、自动装置配合;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训练。缺点:开发工作量大,技术难度高,开发周期相对较长。1.2.4硬仿真系统优点:由于硬仿真系统的主控制室是实际变电站主控制室的复制品,比较直观,现场感强。缺点:由于有大量的硬件设备,工程造价高,维护工作量大,运行费用高;同时,不易于扩展、升级;另外,由于受硬件的制约,有一些功能不易实现;户外一次设备只能采用替代品。1.2.5全软仿真系统优点:由于软仿真系统的主控制室是采用计算机的图形图象及多媒体技术将变电站的主控制室和户外一次设备呈现在计算机的显示器上。系统的工程造价低,运行费用低,维护工作量小;同时,易于扩展、升级;可以采用多媒体教学网络技术,实现远程培训功能,符合“分散培训,集中考核”的原则,功能比较完善。缺点:由于采用全软件的仿真形式,直观性相对较差,现场感相对不够强烈;并且对被培训人员计算机运用有一定的要求,这样对于一些基础薄弱的地区实际应用不现实。1.2.6结论第一，变电站是电网中的一个变电站,不是一个简单的孤立系统,而是和电网密不可分的有机整体,因此变电培训仿真系统应是将地区电网仿真和变电站。第二，对于220 kV 及以上的枢纽变电站,对它的一些操作和它所发生的故障有可能引起电网的稳定问题。因此,220 kV 以上的变电培训仿真系统的数学模型应包括电网稳定模型,否则,可能会给受训者造成错误概念。第三，随着计算机技术的发展,软仿真系统的不断成熟, “软”、“硬”结合的混合仿真是将来培训仿真系统的发展方向。对于变化少、造价低的设备采用硬仿真(物理模型) ,对于变化大、造价高的设备采用软仿真(多媒体数字仿真) 。这样,既保证了直观形象,又降低了造价,还增强了灵活性。第四，多媒体技术是当代计算机科学发展的最终目的之一,变电培训仿真系统应充分利用多媒体技术,尤其针对投资大的诸多一次设备。1.3项目所要解决的问题软仿真系统是指用计算机软件来虚拟变电站的全部一、二次设备及监控自动化系统,硬件由主站服务器、教练员工作站、学员工作站及一些网络通信设备组成。教练员工作站提供控制仿真机运行(如设置故障或缺陷) ,还可监视学员操作;学员工作站用于学员培训,显示设备状态,实现设备操作功能。软仿真系统的设备控制及逻辑关联都是由软件实现,修改容易,适应性好,易于拷贝、移植,易实现一次设备仿真。由于受软件技术和需求配合的制约,现有的一些软仿真系统存在不够“细腻”、逻辑关联欠缺等问题。1.3.1仿真对象全国220 kV及以下的无人值班变电站已得到推广。这种变电站都采用集中监控的模式,没有必要再开发单个220 kV变电站的仿真系统。因此,变电运行仿真系统的仿真对象应是220 kV变电站和220 kV及以下变电站的监控中心。这两种仿真系统可以完全独立,但考虑到220 kV变电站今后将向集中监控的方向发展,因而将其纳入220 kV监控中心仿真系统,并且站端要具备完善的仿真功能。1.3.2地区电网的仿真要求220 kV及以下变电站监控中心仿真系统需要对一个地区电网进行仿真,但和调度员培训模拟(DTS)有较大区别。监控中心仿真系统以培训变电运行人员为目的,注重变电站设备的操作和异常处理、故障类型和保护元件动作的判别,对电网的网络拓扑要求很低,甚至不需要潮流计算,当线路发生故障时只须考虑故障线路的两端变电站故障关联即可。电网的模型很简单,只要将多个220、110、35 kV变电站通过线路相联,故障线路两端变电站关联。最完善的方案是把调度员培训和变电站值班员培训结合起来,使变电站仿真、监控中心仿真和地区电网仿真系统有机地整合在一起。采用这种方案,可以整合平台资源,利用同一套硬件系统同时实现调度员和变电站值班员的培训。1.3.3 220kV监控中心仿真系统规模不管电网采用简单模型还是复杂模型,为适应变电站无人值班模式,培训监控和操作人员的220 kV变电站监控中心仿真系统,必须具备至少2个完整的220 kV变电站现场仿真、2个110 kV变电站现场仿真和2个35 kV变电站现场仿真,并可接入220 kV变电站现场仿真系统,以培训监控及操作值班员的网络概念。这些变电站的现场仿真功能完善,可以用作单个有人值班变电站(主要是220 kV和220 kV)运行值班员的仿真培训。建设仿真系统时,必须选用成熟的自动化平台,并能利用通信数据网在远方设置多个运行工作站,提供远程培训平台。1.4变电仿真系统的任务、范围、特性和功能1.4.1变电仿真系统的任务变电仿真系统是全过程的、高性能的、全范围的培训仿真装置。使受训运行人员正确熟练地掌握变电站主变、母线、线路、保护装置的投停、倒换以及调整等正常操作,提高准确分析、判断、处理各种事故的能力。也针对在岗位运行人员、技术管理人员进行再学习、再提高的培训。1.4.2变电仿真系统的范围被仿变电站的主控制室及一些必要的电气设备; 被仿变电站的控制系统的功能; 控制室内可操作的设备和现场隔离刀闸的操作。1.4.3变电仿真系统的特性和功能变电仿真系统控制室内的控制屏及屏上元件按被仿实物11 仿真,变电仿真系统控制室内保护屏上的可操作元件(如连片、熔断器、转换开关等) 按被仿实物11 仿真,保护屏上的保护装置按真实设备仿真其面板,面板上的电源开关、信号灯、按钮、选择开关、小键盘及仪表用仿真物理元件,其它元件及符号用图形及符号表示,仿真面板应给人以真实感。在正常运行和故障工况时,对运行人员所作操作反应,包括仪表指针的变化幅度,仪表的随机噪声,运行人员在实际控制看到的声光信号,都能仿真实际变电站的运行情况。设备的故障、异常和各种故障的组合,变电站外部参数的变化以及初始点的选择,可由教练员借助教练员台的功能实现,事故和异常状态可以在各种不同运行工况下激活。对于控制室外的操作可由学员台实现。操作模拟台可采用操作。模拟板或彩色大屏幕借助鼠标或触摸屏来实现。变电仿真系统具备全面的真实性,受训人员在仿真控制室内的感受与实际控制室相同。仿真系统还可以依照变电站运行人员的职责范围、日常工作程序于中央控制室进行岗位值班,终端显示屏可将操作的情况显示出来,以便于分析。变电仿真系统的保护及自动装置设置可与实际保护配置相同,动作亦相同。为使变电仿真系统可为更多实际变电站培训人员,可使继电保护设计为多样化,各线路、旁路、主变可用不同保护,如:各种微机、集成、四统一、进口保护等等。第2章 变电仿真系统的仿真学理论变电站仿真系统的开发实际上是运用必要的仿真技术建立一个变电站的模型(运行环境)对相关人员进行培训，它是按照仿真对象的专业类别划分出的一类系统仿真l0。根据系统仿真学的理论，系统仿真是以人类的要求和目的为中心。依据人类现有的认识，对原型系统做适当的映射，建立一个和原型系统相似或同构的模型来替代原型进行实验研究。组成系统仿真的3个要索是原型系统、模型、实验。这也构成了系统仿真的基本内容l7。可以看出，在变电站仿真系统中，被仿真的实际变电站是原型系统，构建的22okV变电站仿真系统(培训环境)是按要求建立的模型，在这个仿真培训环境中对学员进行培训就相当是一种实验(如图所示)。这样就可以运用系统仿真的理论和方法对变电站仿真系统进行更一般的分析。变电站仿真系统模型仿真系统应用实验原型系统实际变电站图2一1仿真系统的仿真学结构充分利用系统仿真学中先进的仿真技术，综合计算机、网络、图形图像、多煤体、软件工程、信息处理、专家系统等多个技术领域的知识。提高变电站仿真培训系统的性能。变电站仿真的培训是一种培训性仿真，其所运用的仿真技术只是手段，培训才是目的，因此，它的建模方法和仿真方法都具有自己的特点。从建模方法来说，强调的是模型仿真过程和结果的逼真性，要求保证尽量逼近实时响应，相比之下模型的精度倒在其次，从仿真方法来说，构造的仿真环境应该以人为主体，通过人所进行的各种实验操作以及人的感受，使人深刻了解仿真的环境，掌握相关的技能。正如有关文献中所说的，“创建一种模型产生的信息环境中，以最自然的方式使模型研究者去感知和综合处理模型的信息，而且，模型研究者在这个实验环境中可采用最自然的方式对模型进行操作”。这正是变电站仿真系统培训所追求的目标。2.1 变电仿真系统的内容和对象2.1.1变电仿真系统包涵着很多的内容，主要包括：控制屏、仪表屏、信号屏、直流屏及微机五防屏、测控屏等各类屏的盘面均按实际屏的照片进行模拟仿真，对盘面及盘后的所有电气元件作全范围的仿真。盘后的直流控制开关、直流信号开关；盘面的显示仪表、指示灯、光字信号、控制开关、控制按钮及切换开关等为多媒体画面且能进行操作。继电保护屏和自动装置屏。各种型号的保护屏按变电站保护的实际配置进行全面仿真。保护屏的仿真包括：各种继电器、盘面布置、保护压板、CT切换端子、直流熔丝、小开关、PT切换开关（切换继电器）、按钮、信号灯、盘后直流开关等。保护屏盘面仿真采用多媒体画面加照片贴图方式实现。微机保护装置。按实际保护装置面板仿真，其面板上的液晶屏幕及显示内容与实际相同，按键功能也与实际设备相同，功能选择小开关与实际设备相对应并具有相同功能。面板仿真采用多媒体画面加照片贴图方式方式实现。2.1.2变电仿真系统的对象仿真系统的仿真对象是一个220kV变电站、一个220kV变电站、110kV变电站和35kV变电站。四个仿真变电站彼此将为独立变电站，在电气上不联系。四个变电站的出线将均有对侧的负荷（电源）和负荷断路器、电源和电源断路器。变电站一：220/220/35kV 220kV为3/2接线方式，设置四串共四条出线和两台主变（自耦变压器）；220kV为双母线单分段（II母分段）带旁路接线，专用母联和专用旁路断路器，共设八回出线；35kV为单母分段接线，分别四组接补偿装置和一台站用变。变电站二：220/110/10kV 220kV为双母线带旁路接线，专用母联和专用旁路断路器，共设四回出线；两台主变（三圈变压器）；110kV为双母线，专用母联，每段母线分别带四条出线；10kV为单母分段接线，每段母线接六条出线，一台所用变和两套补偿装置。变电站三：110/35/10kV 110kV为外桥式接线，两回出线；两台主变（三圈变压器）；35kV为单母线接线，每段母线分别带四条出线；10kV为单母分段接线，每段母线接六条出线；一台所用变和两套补偿装置。变电站四：35/10kV 35kV为单母线接线，单回进线；壹台主变（二圈变压器），10kV为单母分段接线，每段母线接四条出线；一台所用变和两套补偿装置。2.2 变电培训仿真系统的发展历史国内外电力系统的培训仿真器从70年代开始发展。开始主要集中在火电厂机组，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训.国外70年代就出现了实用的火电仿真系统(1971年美国、日本和英国分别安装了第一套大容量的火电培调仿真机)，电网仿真系统(1977年美国CDC公司开发出第一套DTS装置)和变电站的仿真系统(70年代日本关西电力公司建立了变电站仿真系统)仁州。我国于1982年研制成功了第一套火电仿真机组，期间电网调度仿真机和变电站仿真机也在开发，并从80年代末期开始陆续建立了电网和变电站的仿真系统，1990年研制出了第一台DTS一一东北电网仿真系统，到1999年，大多数的网调、省调都使用了电网调度仿真器。2.2.1国内变电站仿真系统的开发和研究概况变电站仿真系统的提出虽然已经有一段时间了，但由于电力系统中变电站的数目众多，而且早期变电站容量不大，自动化水平较低.其运行操作的要求也不高，使得变电站仿真培训系统的作用没有得到充分体现.但随着电力系统的发展。一些采用先进自动化技术的高电压、大容量变电站的投运，对运行人员提出了比较高的要求，因此从90年代中期开始，一批50OkV、220kV的变电站仿真系统相继建成.并取得了良好的效果。最先出现的变电站仿真系统主要采取带盘台的模式，典型的如天津大学和大港油田水电厂共同研制开发的大港油田变电站仿真系统，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。随着计算机技术、网络技术和多媒体技术的发展和基于微机平台和基于网络的变电站仿真系统(这是一种全软件模式的仿真)的出现，学员的所有操作都可在计算机屏幕上完成，如南昌220kV站的仿真培训系统，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，满足各具体变电站仿真培训要求。2.3变电仿真系统的典型类型从目前变电仿真培训系统发展现状来看,按仿真系统的规模和复杂程度主要可分为三种类型变电仿真系统:孤立变电站型的变电培训仿真系统、考虑简单电网的变电培训仿真系统、考虑复杂电网的变电培训仿真系统;按仿真系统的有无硬件屏盘可分为二种类型变电仿真系统:硬仿真系统和软仿真系统。2.3.1.孤立变电站型的变电仿真系统这类变电仿真系统造价相对较低。缺点是投切电磁环网中的联络线、潮流无法确定;调整变压器分接头时，系统电压及无功分布无法确定;投切电容器后，电压变化无法确定;同期操作不真实，全网保护配合无法完成，表计数据指示不准，无法考虑故障后的动态过程，无法考虑电网调度员与变电所运行人员综合训练，不能完整地仿真整个变电运行生产过程。2.3.2.考虑简单电网的变电仿真系统这类变电仿真系功能比孤立变电站型的仿真系统功能略强。但是缺点仍然较多，主要表现为电网模拟不真实;在一个简单电网中，每台发电机或每个负荷都占有重要地位，投切每台发电机或每个负荷都会对电网产生巨大冲击，运行参数都会产生重大变化，甚至造成整个系统瓦解。而上述操作是电网生产运行过程中的经常性操作，在一个真实的复杂电网中，它不会带来灾难性后果，因此，简单电网的变电仿真系统是不真实的，它往往会带给运行人员的是一个错误的概念，而且孤立变电站型的缺点它也基本具备。2.3.3考虑复杂电网的变电仿真系统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、自动装置配合;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训练。但是缺点是这类项目开发工作量大，技术难度高，开发周期相对较长。2.3.4硬仿真系统由于硬仿真系统的主控制室是实际变电站主控制室的复制品，比较直观，现场感强。它的缺点是由于有大量的硬件设备，工程造价高，维护工作量大。运行费用高;同时，不易于扩展、升级;另外，由于受硬件的制约，有一些功能不易实现;户外一次设备只能采用替代品。2.3.5全软仿真系统全软仿真系统的优点十分明显，由于软仿真系统的主控制室是采用计算机的图形图象及多媒体技术将变电站的主控制室和户外一次设备呈现在计算机的显示器上。系统的工程造价低.运行费用低，维护工作量小;同时.易于扩展、升级:可以采用多媒体教学网络技术。实现远程培训功能，功能比较完善。但是由于采用全软件的仿真形式，缺少现场设备，直观性相对较差，现场感相对不够强烈;并且对被培训人员计算机运用有一定的要求，这样对于一些基础薄弱的地区实际应用不现实。2.4新仿真机总体技术方案2.4.1 仿真机总体技术方案概述仿真机采用一模多模方式，现阶段为一机四模，仿真机系统将模拟一个220kV变电站、一个220kV变电站、110kV变电站和35kV变电站。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和变电站的远方就地盘，保护盘等的操作。本仿真机还具备远程培训及多媒体培训功能。仿真机在一套硬件设备上实现对四套变电站的仿真。仿真机系统硬件设备包括仿真计算机系统：它是以局域网为中心构成的分布、开放式硬件系统，以便能够实时完成变电站及其接入系统的仿真培训功能，该系统包括主机（含教练员台站）、就地站、学员站（含多媒体站）、工程师站等。对于学员站采用设计与现场一致的计算机人机界面。软表盘仿真的盘台采用高分辨率的计算机投影装置。主机采用PC服务器，通过以太网与学员站，软表盘站等连接形成仿真机计算机硬件环境。仿真机系统软件包括：仿真支撑系统软件；学员站人机界面系统软件；通信与进程控制系统软件；四个变电站模拟软件；教练员台软件；操作系统软件；多媒体软件系统；多媒体培训功能软件；远程培训软件；绘图工具软件；图形化自动建模软件；系统测试软件；操作系统及应用软件、评估软件。计算机系统运行UNIX操作系统，采用武汉世纪华胜科技自主产权的高级仿真支撑软件ASCA。学员站运行Windows NT操作系统。仿真机提供自动评分功能，对标准考试题目进行自动评分；同时提供详细的学员操作记录。教员可很方便地对学员下达各种命令或任意设置故障，操作灵活方便，使系统能很快进入新的运行状态。仿真机的操作部分将包括教练员台、学员站、变电站就地站。在结构上具有可靠性和易维护性，且具有一定的可扩充性。程序可读性和结构性强，修改简单，维护方便。本仿真机设计将尽可能满足多层次、多类型变电站值班人员的培训需要。能方便地变换不同的运行方式对学员进行培训：系统可同时开设多组内容不同的教学且互不影响；学员台可设置为软表盘，也可设置为监控站或就地站；学员台为通用终端，可按需装入不同的内容。仿真系统总体结构示意图如图1-1所示。武汉世纪华胜科技提供的综合解决方案的具体目标是达到或超过用户所执行的标准，保持系统具有当前先进的水平。武汉世纪华胜科技在完全同意用户方对故障仿真要求的基础上，为用户方设计了本项目基本的故障仿真模式，这些故障包括了变电站可以发生的所有故障（个别故障概率非常小）。本技术方案还提供了详尽的供货资料清单，这些是保证用户方正常使用仿真机的必须环境。本技术方案提供的质保模式是经德国质量认证机构TV（PS）认证的ISO9001模式，本项目将遵从此模式为用户方开发仿真系统。在项目开发完成后，武汉世纪华胜科技承诺将对仿真机系统提供全生命周期的服务。2.4.2仿真机的总体目标武汉世纪华胜科技能够高质、按期研制出反映当前国际国内仿真技术水平的仿真系统。武汉世纪华胜科技将结合十多年来对电力系统仿真技术的理论研究运用到本项目中并综合先进的仿真支撑软件及硬件技术，使仿真系统完全满足招标方所提出的仿真机总体设计原则。第一，具备完善的运行人员培训功能，提供向受训人员展现正常、异常和故障情况的实际现场运行状态，有效地提高运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度，使运行人员经培训后能够熟练地掌握变电站启停过程和维持正常运行的全部操作，学会处理异常、紧急事故的技能，提高实际操作能力和分析判断能力，训练应急处理能力，确保变电站安全、经济运行。 第二，能对控制专业、继电保护专业的技术人员进行培训，使受训人员能够熟练的掌握自动控制系统或继电保护系统的工作原理，正确分析、判断、处理相关的各种故障，对自动控制系统以及继电保护系统的参数进行整定、优化，为自动控制系统以及继电保护系统运行的稳定性提供测试手段。 第三，能够复原、演示已发生的各种事件以及事件过程中运行人员的处理操作行为，以供事件的分析和研究。 第四，仿真机系统具备下列特点：第一，计算机系统采用网络拓扑结构，具有先进、可靠、开放等特点，通用性强，易于维护。 第二，计算机软件系统符合国际发展潮流，采用视窗技术，全中文菜单，操作简单、维护方便。 第三，仿真支撑软件基于UNIX操作系统平台，协调和管理所有仿真机资源，具有效率高、占用内存资源少的特点。 第四，教练员台提供多种对仿真机的监控手段及教学管理手段，学员成绩评定和教案生成均可由甲方根据需要自己构置。 第五，仿真算法库精度高，仿真范围广，对于变电站及电网具有自动拓扑分析、动态潮流计算、实时故障分析、暂态稳定计算、频率计算的功能，建立全物理过程的电力网络数学模型及继电保护数学模型。 第六，仿真机系统整体性能价格比高。 第七，具备远程培训功能，采用多媒体技术，提高培训效果。 2.4.3仿真系统作用 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。本系统还能对变电站运行特性、运行方式，以及控制系统进行分析研究。具体表现在：变电仿真系统是全数学-物理过程的培训仿真装置，能完整仿真变电站运行的整个生产过程，可以使变电站值班员进行正常操作训练：包括熟练地掌握变电站各种启停操作、熟悉各种规程及操作要求、正确填写操作票、培养规范操作习惯、操作术语。提供正确的故障、事故现象，培训和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。可使变电站值班员对全厂运行的基本知识进行训练，使值班员比较全面地理解变电站各种操作的意义和作用，增加变电站的整体概念。可对运行人员进行反事故演习，可用于对岗位运行人员、技术管理人员的定期轮训，以及上岗、晋升前的考核。可以用来对变电站已有的操作规程进行有效性检查和验证，以改进不同工况下的操作方案。为制定处理故障的措施及反事故措施提供参考。具有进一步修改和扩充变电站数学模型的能力，以满足变电站设备和系统改进的需要。第3章 变电站仿真培训系统模型设计31 概述对于客观事物的仿真，为了真实的描述事物本身的客观特性不仪对于被仿真对象本身的建模是非常重要的，对于事物本身所处在的环境的模拟同样重要，否则不足以描述被仿真对象的动态特性，这是仿真系统应该重点考虑的一个问题。被仿真电网(以下称为内网)实际也不是独立的，而是整个电网的一部分，外部电网也会影响到内部电网的动作特性，为了准确描述内部电网的物理特性也必须在一定程度上保留外网的关键部分。同样变电站作为电网中的一部分不足孤立存在的，主要作用是服务于电网的稳定、安全运行，其动作与操作的根据都来源于电网的状态，所以电嘲信息的准确与否也真接影响了变电站内各种设备或装置动作是否正确，变电站的操作及动作状况也会直接影响电力系统运行状态，所以电网与变电站间是一个有机的整体，不能分开。所以整体设计模型在详细模拟内部电嘲的基础上，应保留外部电网的三网架结构和邻近的及重要的出力和负荷，保证电网计算的准确性。通过电网内的开关、刀闸与TA、TV模拟完成电网与变电站电气设备的联接，形成实际意义的整体结构。32电网模型设计电网仿真是整个仿真培训系统的基础和关键，为变电站仿真提供正确的潮流数据和保护动作信息，并反映各变电站之间相互作用和相互影响，同时电网仿真还担负着整个仿真系统的时问推进的任务。在电网仿真中，采用动态等值方法对外网进行化简，保诅：整个电嘲仿真的准确性，并建立电力系统各元件的动态数学模型，采用暂态、中期、长过程一体化计算方法，实现对电网的全动态模拟。采用定值比较和逻辑判别相结合的方法进行继电保护和自动装置的模拟，实现全网保护和自动装置的实时配合。321 电力系统模型发电机模型：直接接入本网的均为火电厂，常规火力发电机组的模型能在经典到五阶模型之间切换，系统内的每台机组可以分别选择不同的计算模型。对于本网的发电机和对本网影响比较大的发电机采用高阶动态模型，对于外网中对本网影响比较小的发电机采用低阶动态模型。负荷模型：考虑负1奇的电压特性和频率特性，其定值可以由用户根据实际情况自由修改。线路采用集中参数模型：采用经典的n型线路模型，对于220kV线路考虑其并联高抗及容升效应。母线模型与实际电网中的各种母线(OH 32接线、双母线分段、单母线等)有相同的结构，并保留实际母线的编号。开关、刀闸模型：开关、刀闸用无阻抗支路模拟，而不是采用小电阻支路的方法，能计算所有开关刀闸上流过的三相潮流。主要参与网络拓扑结构变化。可设置和模拟开关非全相操作，计算各栩电流和电压。变压器模型：采用兀型等值电路，考虑变压器有载无载调压特性。电抗器电容器模型：都用一个接地支路来模拟，其电抗值为正值负值。故障模型：线路及母线故障分为单相接地、两相接地、两相短路、三相短路、单相断线、两相断线以及各种复故障。变压器及高压电抗器的故障，发电机故障。故障的定义应灵活方便，故障点可以选在系统的任一节点，或支路上的某一点(位置可以任意设定)。322网络拓扑模型在培训仿真中，不断有开关和刀闸的操作，某些开关和刀闸操作后，可能会引起网络结构的变化，即网络的独立节点数发生变化，并可能分解成若干子网络。快速准确地跟踪网络的结构变化，为系统的潮流和频率计算准备合理的数据，是至关重要的。本模型采用快速广度优先搜索的方法f221。该方法基于图论原理以母线为顶点，母线间或线路两端开关为边构成的图来描述，建立反映罔顶点和边关系的三个单维数组，进而建屯起节点一开关的分配表，并以此为基础建立搜索表。在实时网络拓扑时，先在每个厂站内部根据开关状态归并各原始结点为新节点，然后在系统范围内根据各元件与新结点的连接情况决定网络的结构。根据各刀闸与开关的操作(包括投入、退出等倒闸操作和事故跳闸等)对新旧结点关联表所产生的影响，对每一次开关和相应刀闸动作做相应的检查和判断。若开关动作对新旧节点关联表没有影响，则小必进行后山的全网搜索；否则，表示开关动作后网络结构发生变化，则需要进行全网搜索。根据新旧节点关联表来削断各母线与线路的联通状况并判断解列情况，将系统中节点按解列情况分成不同的子系统，判断各子系统中电器元件的连通情况以及各个独立子系统是否有源，以便在动态模拟中加以处理，其中有源与无源独立子系统的存在不影响动态计算。323外部电网等值由于内网不是单独存在的，是整体电劂的一部分，外网对于内网有很大的影响。从整个电网运行上看，外网操作与故障会波及本网，本网操作与故障也可能影响外网。在电气计算上不模拟外网，不计外网的发电、负荷与网络，会导致本网内频率和联络线潮流计算结果的失真。本系统采用动态等值技术将外部网络进行化简。等值原则如下：对内蒙古220kV电网系统影响比较大的外部电网全部保留，而影响比较小的外部电嘲部分采用动态等值技术进行化简；等值发电机组考虑各被等值机组的电气参数与转动惯量：等值负荷考虑各被等值负荷的有功、无功及负荷综合特性。采用上述的等值原则，可以逼真地模拟内蒙占电网与其外网之间的相互作用和相互影响，并能够正确对内蒙占220kV电网在各种运行方式下进行仿真、分析和研究。33变电站模型设计220kV变电站，站内没备以元件为单位，元件个体功能独立通过二次设备相互联系形成一个整体。根据这种性质，将变电站各元件分为两部分：一为以个体结构为主的结构部分，一为以动作联系为主的整体逻辑部分。I)个体结构部分：是元件本体结构为主，以多媒体为表现手段，根据相关工作特点建立巡视、操作点，仿真工作环境与处理环境。2)逻辑部分：根据各元件间的配合关系，通过基本原理算法，由模块自由搭接，形成满足动作要求的动态逻辑系统，这种方式可以适应电力系统的发展与变化，使系统能长时间满足培训的需要，避免了过去系统刚开发完成便被淘汰的局面。3)建模方法：使用算法模型按元件原理建立元件的独立模型，并给出相应的输入与输出接口。用通用算法按实际动作逻辑连接各种元件接口形成有机动作的整体。通过算法建立的设备模型可以客观表现出设备应有的动作行为，保护及自动装置会根据模璎的计算结果的正确动作。这样的仿真方式是以实际装置原理为蘑础的，保护及自动装置启动采崩定值比较法，满足客观实际情况，避免了采用逻辑启动的缺点。34 电网和变电站模型整体解决方案341 实际系统的电网与变电站间的交互情况电网与变电站之间的交互如图3一l。电网结构的改变是通过二次设备的自动装置产生的跳闸令或经过操作令将开关或刀闸跳开，即改变了电网结构。二次设备中的保护及自动装置是根据电网状态量进行动作，产生报警、动作等行为。342 电网模型实现1)电网计算模型以节点导纳矩阵为基础，可以直接提供任何个计算节点的序嘲电压量、序网电流量及频率最，通过电流互感器(TA)、电压互感器(TV)等电网状态量传递给站内保护及自动装置，这些装置将会根据原理和其之间的配和正确动作。2)电网中的开关和刀闸以双端元件的方式存在于电网计算模型中，并且可以通过编号准确无误的访问指定的开关或刀闸，并且改变开关或刀闸状态生成新的电网拓扑结构。从上述两点可满足一次、二次系统问配合的需求。变化时，相关模型数据联接解决方法框图。343变电站内元件模型的实现1)通过装置原理建立的站内设备模犁与变电站电气接线型式形成一个有机整体。通过直接与电压互感器和电流瓦感器相连接的设备(保护或自动装置的输入接口)取得电网中任意一点的状态量作为站内装置动作的根本依据。2)对于一次元件分为两部分进行描述，一部分为表述元件本身机构特点、结构特点的非电气麓部分，这部分表现元件的操作特性、设备本身结构和操作的特性；另一部分是与电刚状态和二次设备状态紧密相关的电气部分，它既是电网状态改变的参与者也是二次设备及自动装置驱动电嘲变化的直接执行者。保护和自动装置部分完全按照实际装置的动作原理进行模型的建立，对装置模型设置对应的电气输入与输出量，就相当于安装于电嘲某一位置的装置了。3)电网模型和变电站内的设备模型分别建立，通过TA、TV和开关、刀闸的模型将这两部分模型联系为一个整体，形成闭环系统，满足仿真系统的基本需求。将设备模型以间隔为单元(例如：以出线或进线串为单位的配置结构)进行组合，然后将其接入电网模型，即将设备间隔单元与电网模型不同的结点(例变电站母线) 或线路模璎支路的对应关系加入电网模璎，同时将本问隔的输入(电流，电压)对应于电嘲模趔的相关支路和结点。通过这种方式可以灵活的配置仿炱模型，也可以简化建模过程。第四章 新建22OkV变电站仿真系统4.1仿真系统方案近几年来，无人值班变电站发展迅速，变电站改造和新建变电站正朝着集保护、测量、控制和遥测、遥控、遥信、遥调于一体的综合自动化方向发展，大大提高了电网的安全运行与管理水平。然而新的技术给变电运行、维护、检修技术人员及学生带来一个斩新的课题,为适应新技术的发展，改善教学手段，满足教学与培训的需要，建立一个能模拟实际变电站运行，便于运行、维护、检修人员及学生模拟现场操作的仿真系统迫在眉睫。本文采用模块化、开放式系统设计思想，从整体上设计了一个具有物理与数字仿真相结合的适合于教学培训、科研实验特色的变电站综合自动化仿真系统的实现方案，设计了该自动化仿真系统的结构、功能及模拟变电站开关电器，使之既具有变电站实际运行物理过程的真实感，又具有数字仿真的灵活性，实现了变电站运行状态、继电保护、信号、事故响应的仿真。4.1.1数字仿真方案为了克服物理仿真难以仿真变电站各种运行状态、故障处理措施及事件操作方法，本系统将数字仿真与物理仿真相结合，由数据管理机建立变电站某一时间段上的运行数据或故障、事件操作数据，生成仿真数据库，通过Lonworks网络与操作系统、变电站微机保护测控系统进行通信，随机调用某一事件操作或设置故障，由模拟变电站开关电器模拟动作，监控主机进行实时显示，仿真变电站的各种运行工况、故障处理及事件操作。4.1.2数据库结构数据库由变电站运行动态数据、倒闸操作、故障处理各子系统组成。把数据库看成是各子系统之间的数据交流的公共场所，从系统整体角度看，把数据库与应用程序结合在一起，为系统级面向对象的设计思想；从系统运行角度看，数据库将各子系统相互隔离，使之可以同时运行，也可独立运行，其任务调度可以穿叉于各个子系统之间，有利于避免可能的数据冲突；从开发角度看，将一个系统解耦成尽可能独立的几部分，不同类型应用数据之间的相互隔离，有利于避免错误传输。4.1.3数据库管理和维护系统 由于仿真变电站的实时性要求，在系统运行期间，数据库是装在共享内存中的，由应用程序发出请求，数据库管理系统负责将相应的数据从文件中装入共享内存，以及将内存中内容存回文件中。数据库维护系统负责数据库的修改、扩冲，写入文件的永久保存。该系统设有密码，允许权限操作。4.1.3人机系统人机系统设计采用功能分层次、菜单式结构，其优点是使每个层次的任务较为单一，易于开发、扩展和运行操作；使系统数据交流较为简单，易于控制。4.1.4网络通信数字仿真系统各机之间的网络通信采用Lonworks网络通信，数据库系统利用网络管理程序进行数据交流，应用程序面向数据库，数据库面向网络管理程序，网络管理程序负责网络数据收发，其原理如图3所示。4.1.5进程管理数字仿真系统的功能是靠进程的协调运行来实现的，进程分前台和后台两类，前台进程由操作员通过菜单起动，执行完必要功能后即退出运行；后台进程为系统中的其他模块提供公共服务，并可持续监视系统变化。进程管理要做到：一、保证数字仿真系统各任务能按事先设计的顺序周期正常启动，休眠和停止，各任务的执行不发生冲突。二、能随时响应操作员发出的命令，改变进程的执行，并且可以随时恢复进程或再启动。三、可随时监视后台进程，在系统故障时，能可靠地中断前台进程。4.2变电站仿真系统硬件配置42.1 硬件系统的基本要求硬件系统的配置遵循开放性原则，以达到系统的可扩充性和可维护性，为仿真系统提供一个可靠、灵活的运行环境。硬件设备选用符合国际标准、具有当前世界先进水平、在电力行业中广泛采用的设备，以保证系统运行的可靠性和完善的售后服务。42.2硬件系统的组成仿真系统的硬件系统足由主机服务器、通信服务器、教员工作站、学员工作站、投影系统、电源系统、网络设备及打印机等部分组成。42.3硬件系统的配置42.31主机服务器主机服务器是整个仿真系统的核心部分，主要厢于存储数学模型，数据库管理，收录教案、试题库、典型方式案例、学员档案、操作记录、多媒体文件等，同时作为220kV运行工况的Web服务器，并且培训系统通过该服务器经过防火墙与超高压220kV变电站监测数据网相联。42.32通信服务器通信服务器负责整个仿真培训系统与其它外部系统通信，完成数据交换等功能。42.3.3教员工作站教员工作站由两台微机组成，它们可以各自独立运行，也可以按主备方式运行，其中一台兼作系统的工程师站，用于系统维护、升级等。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管等功能。42.34学员工作站学员工作站由15台微机组成，主要用于变电站监控系统仿真、巡视培训、五防系统仿真、就地站操作监视和理论知识培训等。各学员工作站町独立运行互不影响，也可以分组协调运行。42.35网络设备、打印机和投影系统选用CISCO WSC2970G一24TSE交换机一台(配置l块1000M光纤网卡)用于仿真系统内部组网；选用天融信NGFW4000一EVPN(E)防火墙一台，用于隔离SCADA监控系统与外部网络连接，保证SCADA监控系统安全；另备TOSHIBA TDPTW300投影仪l台及HP打印机用于教学培训。4.3仿真系统软件结构软仿真系统是指用计算机软件来虚拟变电站的全部一、二次设备及监控自动化系统,硬件由主站服务器、教练员工作站、学员工作站及一些网络通信设备组成。教练员工作站提供控制仿真机运行(如设置故障或缺陷) ,还可监视学员操作;学员工作站用于学员培训,显示设备状态,实现设备操作功能。软仿真系统的设备控制及逻辑关联都是由软件实现,修改容易,适应性好,易于拷贝、移植,易实现一次设备仿真。由于受软件技术和需求配合的制约,现有的一些软仿真系统存在不够“细腻”、逻辑关联欠缺等问题。4.3.1仿真对象全国220 kV及以下的无人值班变电站已得到推广。这种变电站都采用集中监控的模式,没有必要再开发单个220 kV变电站的仿真系统。因此,变电运行仿真系统的仿真对象应是220 kV