何志鵬，鄭永康，李迅波，廖小君，劉 勇

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智能變電站二次設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可視化研究

何志鵬1,2，鄭永康1，李迅波2，廖小君3，劉 勇4

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731；3.國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心，四川 成都 610072；4.國網(wǎng)四川省電力公司阿壩供電公司，四川 茂縣 623200)

對智能變電站二次設(shè)備仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的可視化方法進行了研究。首先介紹了智能變電站仿真對象，確定了仿真目標，建立了系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然后從系統(tǒng)的整體展示、通用模擬IED的仿真、SCD可視化設(shè)計三個方面進行了可視化研究。通過該方法能夠?qū)?20 kV智能變電站二次設(shè)備真實地模擬出來。最后從多媒體技術(shù)角度實現(xiàn)了二次設(shè)備矢量可視化設(shè)計。該設(shè)計能夠為變電運行、檢修人員培訓(xùn)提供相應(yīng)的借鑒，有利于更好地掌握智能變電站的運行和檢修技術(shù)。

智能變電站；仿真培訓(xùn)；可視化

0 引言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，諸多新技術(shù)、新設(shè)備在智能變電站得到應(yīng)用，智能變電站運行維護人員對于這些新技術(shù)、新設(shè)備多缺乏了解，因此有必要對智能變電站運維人員、檢修人員進行全面的智能變電站實訓(xùn)。智能變電站仿真培訓(xùn)能改進電網(wǎng)生產(chǎn)運行、維護、檢修等人員的培訓(xùn)手段，可以大大縮短培訓(xùn)周期，從而節(jié)省培訓(xùn)費用，其直接經(jīng)濟效益顯而易見。

相關(guān)科研機構(gòu)已開始對智能變電站的仿真進行研究，并取得了一定的成果。文獻[1]提出了多站聯(lián)合變電仿真系統(tǒng)，屬于融合了系統(tǒng)計算和變電站運行模擬的混合型仿真；文獻[2-3]提出了純軟件的智能變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的方案；文獻[4-5]采用的都是數(shù)?；旌戏抡嬖囼炏到y(tǒng)，對智能變電站的仿真均采用實際設(shè)備，成本太高且不易擴展。另外，一些實時電磁暫態(tài)仿真軟件，包括RTDS，加拿大魁北克TEQSIM公司開發(fā)的HYPERSIM、ADPSS等，已經(jīng)應(yīng)用于智能變電站仿真研究，但現(xiàn)有的商用實時仿真系統(tǒng)主要面向?qū)嶒炑芯亢头治鰷y試，很少用來進行智能變電站的相關(guān)培訓(xùn)[6-7]。

本文所研究的220?kV智能變電站仿真培訓(xùn)可視化系統(tǒng)，利用多媒體技術(shù)將二次設(shè)備整體架構(gòu)展示出來，實現(xiàn)智能二次多模擬IED仿真、SCD可視化展示、光纖虛端子顯示，可以將220 kV智能變電站二次設(shè)備真實地模擬出來，為變電運行以及檢修人員培訓(xùn)提供相應(yīng)的借鑒。

1 ?仿真目標及對象

1.1 仿真目標

運維人員對于智能站IED工作、信息流除了總體進行掌握外，還應(yīng)重點掌握有關(guān)IED設(shè)備基本操作、典型缺陷處理、事故分析等技能。為此，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不僅能對基本IED設(shè)備操作模擬，還應(yīng)實現(xiàn)各種單IED缺陷、虛回路缺陷等模擬以培訓(xùn)運維人員的缺陷查找和處理能力。通過模擬各種簡單故障，各IED設(shè)備的聯(lián)動顯示結(jié)合故障錄波，進行事故分析等培訓(xùn)模塊培訓(xùn)。

220?kV智能變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，能夠有效整合通用模擬IED、站域保護仿真平臺、SCD可視化配置模塊，進行新一代智能站正常態(tài)、典型異常、典型故障模擬并進行可視化展示相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠和模擬或者真實監(jiān)控系統(tǒng)連接以實現(xiàn)對調(diào)控及運行人員的培訓(xùn)[8-9]。

1.2 仿真對象

220?kV智能變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)以220?kV智能變電站作為仿真對象，在常規(guī)變電仿真功能的條件下，將智能終端、合并單元、保護、測控等多個智能設(shè)備的工作原理仿真模擬出來。按照該站三層三網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式模擬MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測功能，模擬智能化保護測控裝置的功能，模擬信息一體化平臺集監(jiān)控、五防及智能站高級應(yīng)用的功能。

2 ?智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站依托于IEC?61850標準，IEC?61850由于其先進的設(shè)計思想、面向?qū)ο蟮男畔⒔＜夹g(shù)、面向未來需求的開放性并且包含對過程層設(shè)備的模型描述，因此成為最適合智能變電站使用的標準。

IEC?61850標準規(guī)定了智能變電站三層兩網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)[10-11]。三層是指站控層、間隔層、過程層三層設(shè)備。兩網(wǎng)是指以三層設(shè)備為節(jié)點的兩層網(wǎng)絡(luò)：站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。智能變電站培訓(xùn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸包括網(wǎng)采網(wǎng)跳、直采直跳兩種方式[12]。網(wǎng)采網(wǎng)跳是指通過過程層網(wǎng)絡(luò)獲取或輸出信息，如測控裝置；直采直跳是指不通過過程層網(wǎng)絡(luò)而通過間隔層網(wǎng)絡(luò)直接獲取和輸出信息，不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機等通信設(shè)備，如各間隔的保護裝置。圖2為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。

圖1 智能變電站培訓(xùn)系統(tǒng)的架構(gòu)

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3 ?方案設(shè)計

3.1 整體展示

仿真模擬實驗室真實場景，根據(jù)實驗室組件柜分布設(shè)計出實驗室基本平面圖。系統(tǒng)主要包括過程層線路、母線、母聯(lián)、變壓器智能組件柜，間隔層保護與控制柜、故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析儀以及站控層的數(shù)據(jù)服務(wù)器。以220?kV為例，其中220?kV示意圖如圖3所示，主要包括220 kV線路，母線，母聯(lián)本側(cè)、對側(cè)的合并單元，智能終端以及保護與測控裝置。

3.2 模擬IED

針對具體組件柜，通過正反面切換顯示該組件柜的所有二次設(shè)備運行工況、報文傳輸格式，如圖4所示為線路屏柜正面展示圖，圖5為線路屏柜反面展示圖。模擬IED可以模擬智能化保護、測控裝置、合并單元和智能終端等裝置，通過配置虛擬IED，實現(xiàn)各虛擬IED之間的數(shù)據(jù)連接關(guān)系與網(wǎng)絡(luò)通信，整個設(shè)計做到盡量接近真實設(shè)備。

圖3 220 kV示意圖

圖4 220 kV線路屏柜正面

圖5 220 kV線路屏柜反面

220 kV線路屏柜主要包括220 kV風電一線(線路)本側(cè)和對側(cè)的合并單元、智能終端。合并單元與智能終端接收來自一次側(cè)的模擬量、開關(guān)量信息，采集到的數(shù)據(jù)信息通過報文解析反映在設(shè)備顯示面板中。

切換到屏柜背面后，顯示二次設(shè)備之間的連接方式，通過該連接方式可以查看報文傳輸方式，以此實現(xiàn)可視化二次設(shè)備之間的報文傳輸。

當觸發(fā)某個二次設(shè)備時，顯示該二次設(shè)備主界面信息及當前運行工況，如圖6所示。

圖6 二次設(shè)備主界面

3.3 SCD可視化設(shè)計

SCD文件描述了智能變電站智能二次設(shè)備的詳細配置信息，解析變電站SCD文件可以生成各IED之間的網(wǎng)絡(luò)連接圖和各IED間的虛端子回路的邏輯連接圖，從中可以直觀地看到全站各裝置的組網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)交換關(guān)系[13-15]。

模擬IED的光纖鏈路可視化設(shè)計如圖7所示。該示意圖為風電一線智能組件柜合并單元反面示意圖，從該示意圖中可以看出此合并單元的流入流出信息：本側(cè)智能終端發(fā)送GOOSE報文至該合并單元，母線A套合并單元發(fā)送SV報文至該合并單元，該合并單元發(fā)送報文至保護測控裝置，從而實現(xiàn)了光纖鏈路可視化設(shè)計。

圖7 SCD可視化

單擊二次設(shè)備之間的光纖，顯示報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于該仿真系統(tǒng)所有報文數(shù)據(jù)均可從站控層數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲得，因此當單擊某一根光纖時，可從數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲取報文數(shù)據(jù)并顯示出來，解決了存在的接口問題。

3.4 多媒體技術(shù)實現(xiàn)

各項目單位一年應(yīng)至少整理形成6個案例，其中經(jīng)典案例4個、亮點活動2個。對于經(jīng)典案例進行輔導(dǎo)的次數(shù)不少于3次，服務(wù)人群和問題應(yīng)具有代表性，并成功結(jié)案記錄歸檔；亮點活動要得到服務(wù)對象的認可，滿足其需求，并體現(xiàn)專業(yè)性、創(chuàng)新性和成效性。

整個設(shè)計采用二維仿真，不采用組態(tài)、第三方控件開發(fā)方式，按照矢量圖的方式展現(xiàn)?？梢詫崿F(xiàn)縮放不失真，以保證完全仿真設(shè)備的功能。所采用的接口及實現(xiàn)框架如圖8所示[16-18]。

圖8 接口框架圖

以ICircle接口為例，該接口主要用于繪制指示燈類，主要包含的信息如圖9 ICircle接口實現(xiàn)所示。

圖9 ICircle接口實現(xiàn)

最終在void Draw(Graphics e)函數(shù)中實現(xiàn)繪制，接口函數(shù)定義完成之后，通過定義三種類型的數(shù)組進行添加，this.Refresh()函數(shù)在數(shù)組添加完成后進行窗口重繪。

在繪圖過程中均采用矢量縮放技術(shù)，以便于在界面查看、操作過程中能夠清晰地放大縮小。圖元在每次加載過程中均會觸發(fā)界面重繪，最終效果如圖10顯示效果圖所示。

圖10 顯示效果圖

4 ?結(jié)論

智能變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)基于IEC?61850標準，涉及到通用模擬IED、SCD文件配置、通信規(guī)約等方面的內(nèi)容，對于變電站運維人員學(xué)習(xí)掌握有一定的難度。采用以上可視化方法設(shè)計能夠為變電運行以及檢修人員培訓(xùn)提供相應(yīng)的借鑒，有利于更好地掌握智能變電站的運行和檢修技術(shù)。

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(編輯 魏小麗)

Visualization research on secondary equipments simulation training system for smart substation

HE Zhipeng1, 2, ZHENG Yongkang1, LI Xunbo2, LIAO Xiaojun3, LIU Yong4

(1. Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu ?610072, China; 2. University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 3.State Grid Sichuan Technical Training Center, Chengdu 610072, China; 4. Aba Power Company Sichuan Electric Power Company, Maoxian 623200, China)

This paper researches the visualization methods of smart substation secondary equipment simulation training system. Firstly, in order to determine the simulation target, the simulation object of intelligent substation is introduced and the system and network architecture is established. Secondly, it carries on the visual design from the following three aspects: the whole show of the system, general IED simulation, and SCD visual design. From this method, the real 220 kV smart substation secondary equipment can be simulated. Finally, the secondary equipment vector visualization design from the perspective of multimedia technology is achieved. The design can provide the corresponding reference for substation operation and maintenance personnel training, which is conducive to grasp the operation and maintenance of intelligent substation technology better.

smart substation; simulation training; visualization

10.7667/PSPC150956

2015-06-08；

2016-01-11

何志鵬(1990-)，男，碩士，從事智能變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)相關(guān)研究；E-mail:piaoyaoqi@163.com 鄭永康(1977-)，男，博士，高工，研究方向為智能變電站二次設(shè)備檢測、智能電網(wǎng)建設(shè)等；李迅波(1962-)，男，博士，教授，研究方向為多媒體仿真技術(shù)、機電測控技術(shù)等。