基于malab的虚拟变电站仿真培训系统

基于malab的虚拟变电站仿真培训系统

基于虚拟技术的变体模拟培训系统采用虚拟体验技术，这对传统的模拟培训系统没有任何优势。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,明显提高仿真培训效果;而且可以大大降低培训系统的硬件投资;能非常方便地反映真实变电站的变化。对基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统的研究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,能提高仿真与培训的技术水平,其应用前景十分广阔。目前,加拿大等发达国家已经开发了基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统。但是,这些系统是根据加拿大等国变电站的情况开发的,不适用于我国变电站的仿真与培训。在基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统的研究上,我国尚处在起步和探索阶段。1“信号”“输出”图1图1是本文建立的变电站仿真系统的系统框架,它主要包含6大模块。(1)“虚拟变电站”模块是用户可见的,用户可直接与虚拟变电站发生交互。(2)“电力系统仿真”模块模拟了系统正常运行、故障、检修时等各种情况,并连续不断地输出信号,如电压信号、电流信号、断路器状态等。(3)“信号处理”模块将“电力系统仿真”的信号进行处理,根据电压电流信号计算出电压电流和有功无功的有效值(即在表计上显示的读数)。处理后的信号送入“输入判断”模块。(4)“输入判断”模块根据处理后的信号判断此时虚拟设备的状态是否发生变化,并将这种变化实时反映在虚拟变电站中。电力系统仿真中电流的变化应使虚拟控制屏的表计读数发生变化。(5)“输出判断”模块通过对虚拟变电站状态的判断决定电力系统仿真应有的运行状态,它的输出直接控制了仿真系统的运行。例如:根据虚拟变电站断路器的状态决定电力系统仿真的运行情况。(6)“用户交互”模块使用户可以与虚拟变电站交互,改变虚拟变电站的状态。2虚拟能源模型2.1虚拟变压器模型虚拟变电站的建模应使虚拟设备更加真实,虚拟设备运行过程更加逼真。因此,虚拟设备不仅要能反映真实设备的几何特征,而且要能真实地反映实际设备或实际电力系统的运动和行为。以下程序段是建立了虚拟变压器模型。同理可以建立虚拟断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关等虚拟电气设备,并将它们放在同一场景中,这样就能初步实现虚拟变电站的建模。2.2在虚拟变电站的应用用户要实现与虚拟变电站的交互,实现对虚拟设备的控制,可以利用VRML中的Script节点。Script节点接收入事件并且把这个事件的值传给url域指定的脚本,然后这个脚本给出Script节点的出事件。以隔离开关的操作为例。VRML给定一个时间检测器,从而给出一个控制动画效果的时钟,然后通过这个时钟的输出在虚拟变电站中驱动各种内插节点,使得隔离开关产生开合的动画效果,VRML浏览器将会通过线性插值的方法来完成整个开合过程。采用Script后,用户可以在虚拟变电站中对虚拟隔离开关进行操作。3虚拟控制屏的仿真虚拟变电站只有与电力系统仿真实现交互,才能较好地模拟真实变电站。依照图1所示的虚拟变电站仿真培训系统结构图,本文采用MATLAB中的虚拟现实工具箱及其接口将已经建好的虚拟变电站与电力系统仿真连接起来。下面以虚拟控制屏为例加以说明。图2所示系统采用了MATLAB的电力系统工具箱进行电力系统仿真。图2中“电力系统仿真”模块含有“电源”、“断路器”(开合状态受“输出判断”的控制)、“分布参数线路”等子模块。其中,“分布参数线路”子模块用到了下式所示的分布参数稳态模型。[V&I&]=[ch(γλ)1Zcsh(γλ)Zcsh(γλ)ch(γλ)][V&m−I&m][V&Ι&]=[ch(γλ)Ζcsh(γλ)1Ζcsh(γλ)ch(γλ)][Vm&-Ιm&]γ=(R0+jωL0)(G0+jωC0)−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√γ=(R0+jωL0)(G0+jωC0)Zc=R0+jωL0G0+jωC0−−−−−−−√Ζc=R0+jωL0G0+jωC0式中:λ为线长;γ为传播常数;Zc为特性阻抗。图2中“虚拟变电站”模块用到了MATLAB虚拟现实工具箱的2个核心虚拟现实子模块:VRSink提供GUI接口(图形用户接口),将信号从电力系统仿真输出到虚拟世界。VRSource提供GUI接口,从虚拟世界输入信号到电力系统仿真中。虚拟控制屏的图形界面通过VRSink和VRSource模块与仿真系统相连接,以实现“用户交互”的功能。就像在真实变电站中一样,用户使用鼠标点击虚拟控制屏中的控制开关及开合控制开关,就能实现对图2所示仿真系统的控制。“输出判断”模块判断控制开关的状态是否发生变化,并实时将虚拟屏中控制开关的状态传送给“电力系统仿真”,控制“电力系统仿真”中断路器的开合。“电力系统仿真”模块根据断路器的开合,实时计算出电力系统仿真结果。“信号处理”模块将根据仿真送来的电压、电流等信号实时计算相应的电压、电流、有功和无功值,并送入“输入判断”模块中。“输入判断”模块根据输入的电流值判断出系统的状态,控制虚拟控制屏中的红、绿指示灯的显示状态,电流表、有功表和无功表上也显示了“信号处理”计算得到的值。仿真运行的电压电流波形图如图3所示。仿真运行初始条件是断路器处在断开位置。在0.3s时用户点击虚拟控制开关使其闭合,通过“输出判断”模块使图2中的断路器闭合,此时虚拟电流表、有功表、无功表上显示了仿真得到的数据,同时虚拟控制屏上的绿色指示灯灭,红色指示灯亮;在0.4s点击虚拟控制开关使其断开,同理将跳开图2中的断路器,此时虚拟电流表、有功表、无功表上指针归零,同时虚拟控制屏上的绿色指示灯亮,红色指示灯灭。断路器断开时虚拟屏表计、控制开关状态图和线路电流电压波形图如图4(a)所示,断路器闭合时虚拟屏表计、控制开关状态图和线路电流电压波形图如图4(b)所示。由图3和图4的仿真结果可知,该系统完全实现了虚拟变电站与电力系统仿真之间的交互控制,真实地模拟实际变电站的运行工况。4基于pc机的虚拟变电站仿真具有三维交互功能的虚拟变电站仿真培训系统十分直观形象,能较好地提高仿真与培训的技术水平。将虚拟变电站与仿真相连,能更加真实地模拟变电站各种运行状态,具有实时、动态的特点。用户与虚拟变电站的交