江永旺，張春霞，李思嵐

（1.國網(wǎng)湖北電力公司浠水縣供電公司，湖北 黃岡 438200；2.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.華中科技大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，一二次系統(tǒng)日益復(fù)雜，對電網(wǎng)、變電站運維、檢修人員的技能水平也提出更高的要求。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在對專業(yè)人員的技能培訓(xùn)方面起到了重要作用，但大部分仿真培訓(xùn)系統(tǒng)都將一二次系統(tǒng)分割開來單獨運行，這樣的系統(tǒng)在我們對繼電保護等專業(yè)人員有更高、更全面的要求時，深度和廣度都顯得有些不夠了[1]。本文介紹的一二次聯(lián)合仿真系統(tǒng)，將數(shù)字電網(wǎng)、變電站一二次設(shè)備三維仿真及二次回路原理圖結(jié)合起來，可對從電網(wǎng)嚴(yán)重故障到二次回路觸點粘連等各類電網(wǎng)運維工作中遇到的典型事件進行全方位仿真，使受訓(xùn)人員了解事件現(xiàn)象，學(xué)會處理事件，并能理解事件本質(zhì)，從而將專業(yè)技術(shù)人員的知識和技能都提高到一個新的水平。系統(tǒng)依據(jù)設(shè)備、電路的真實邏輯，采用面向?qū)ο蠼＃瑢﹄娋W(wǎng)、變電站、二次回路進行一比一全景仿真，可不依賴預(yù)案，對各種擾動——系統(tǒng)故障、運維人員正確或錯誤的操作等都能作出正確、全面的響應(yīng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

本文系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)包括分布式仿真支撐平臺、數(shù)字電網(wǎng)、一次設(shè)備仿真、二次設(shè)備仿真、自動化系統(tǒng)仿真、二次動態(tài)原理圖和智能管理系統(tǒng)幾個部分。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過一個分布式仿真支撐平臺，將各個功能模塊有機結(jié)合成一體，實現(xiàn)功能模塊即插即用，可以任意組合，適應(yīng)各類人員、不同程度的培訓(xùn)需求。

1.1 仿真系統(tǒng)支撐平臺

仿真系統(tǒng)支撐平臺采用分布式設(shè)計，為各個仿真應(yīng)用之間的交互提供通用服務(wù)，包括同步、信號、仿真應(yīng)用管理、聲明管理、所用權(quán)管理、時間管理、數(shù)據(jù)過濾分發(fā)管理和應(yīng)用程序接口等，保證系統(tǒng)動作情況和數(shù)據(jù)一致性的同時，使各個功能模塊之間相互獨立，實現(xiàn)功能模塊的即插即用，從而使得用戶可以將各個功能模塊形成各種不同的組合方案，以適應(yīng)不同的培訓(xùn)需求，增強培訓(xùn)的靈活性。

1.2 智能管理系統(tǒng)

智能管理系統(tǒng)對支撐平臺之上運行的所有仿真系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制，可以給每一個仿真工位設(shè)置培訓(xùn)角色。若被設(shè)置成教員，則可以通過教員系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)事件，數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)自動將系統(tǒng)事件信息傳送給各部分仿真系統(tǒng)。各部分仿真系統(tǒng)通過自身邏輯進行判斷，將正確的動作信息通過自身可視化平臺進行顯示，通過仿真支撐平臺將結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給平臺上互相連接的仿真系統(tǒng)。若被設(shè)置成學(xué)員，則只能被動地接收系統(tǒng)事件，并可以對事件作出處理，學(xué)員工位本地進行計算，對學(xué)員的操作給出合理響應(yīng)。智能管理系統(tǒng)還允許預(yù)先設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)動作序列和評分規(guī)則，可以對學(xué)員的錯誤操作進行警告和修正，也可以對學(xué)員的操作步驟作出評價。

1.3 數(shù)字電網(wǎng)

數(shù)字電網(wǎng)提供電網(wǎng)計算數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)可以真實再現(xiàn)電網(wǎng)事件。系統(tǒng)的一二次設(shè)備行為都以電網(wǎng)計算為依據(jù)，因此，各仿真模塊對事件的響應(yīng)完全符合真實邏輯，而不需要依賴預(yù)案。同時，數(shù)字電網(wǎng)還起到推進系統(tǒng)時間的作用。

1.4 一二次設(shè)備三維仿真

一二次設(shè)備三維仿真模塊采用可視化、組件化三維仿真技術(shù)實現(xiàn)了變電站內(nèi)一二次設(shè)備的三維場景再現(xiàn)，虛擬設(shè)備根據(jù)運行支撐系統(tǒng)傳遞的命令正確動作，用戶可以在三維巡視系統(tǒng)中對一二次設(shè)備進行巡視和操作，觀察各類事件在設(shè)備上產(chǎn)生的影響。該模塊同時將用戶的操作信息通過支撐平臺傳遞給電網(wǎng)，進行實時計算，進而推進仿真系統(tǒng)。

1.5 自動化系統(tǒng)仿真

自動化系統(tǒng)仿真包括變電綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)控中心監(jiān)控系統(tǒng)以及相關(guān)的通信、管理等自動化設(shè)備的仿真。該模塊采用動態(tài)圖元、面向?qū)ο笤O(shè)計、圖庫模一體化技術(shù)，可對不同廠家不同型號的綜合自動化系統(tǒng)進行仿真，模擬人機界面，可為調(diào)控人員提供全面的虛擬工作環(huán)境。

1.6 二次回路動態(tài)原理圖

二次回路動態(tài)原理圖以變電站二次回路設(shè)計圖為原型，包括原理圖、展開圖、端子圖等，將二次回路元件作動態(tài)化處理，使二次回路圖紙活起來，與電網(wǎng)、一二次設(shè)備仿真一一對應(yīng)。用戶可在圖紙上觀察各個元件的狀態(tài)及各節(jié)點電位等相關(guān)測量量，并且可以針對用戶在二次圖紙上對元件的狀態(tài)修改作出實時計算，并將計算結(jié)果反映在相關(guān)回路上，同時傳遞給電網(wǎng)和一二次設(shè)備仿真模塊，使之作出相應(yīng)的改變。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可視化、分布式、交互式仿真支撐平臺

系統(tǒng)采用可視化、分布式、交互式的仿真支撐平臺作為基礎(chǔ)支撐軟件。該平臺采用總線式對稱體系結(jié)構(gòu)，是一種基于高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA）的分布式、交互式電力仿真軟件支撐平臺，具有良好的伸縮性和擴充性。同時還實現(xiàn)了可視化、組件化和圖庫模一體化建模技術(shù)，方便將培訓(xùn)系統(tǒng)各部分集成到一個培訓(xùn)環(huán)境中，滿足建立多種規(guī)模聯(lián)合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的需要。該平臺包括運行時間框架系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)庫，聯(lián)邦建模工具和可視化、組件化三維仿真建模系統(tǒng)。仿真支撐平臺為各個仿真應(yīng)用之間的交互提供通用服務(wù)，包括同步、信號、仿真應(yīng)用管理、聲明管理、所用權(quán)管理、時間管理、數(shù)據(jù)過濾分發(fā)管理和應(yīng)用程序接口，使得進程間通信和網(wǎng)絡(luò)通信變得更加簡單和有效[2-3]。

2.2 電網(wǎng)仿真技術(shù)

電網(wǎng)仿真采用暫態(tài)、中期、長過程一體化計算方法進行計算，對于詳細仿真變電站，采用電磁暫態(tài)建模，采用電磁暫態(tài)計算方法計算，并輸出計算瞬時值，供詳細仿真變電站錄波器模塊使用，機電暫態(tài)模型同時提供外網(wǎng)動態(tài)等值數(shù)據(jù)給電磁暫態(tài)計算模塊。另外，機電暫態(tài)計算還提供整個仿真系統(tǒng)的時間推進。電網(wǎng)仿真模型的設(shè)計不僅考慮到電網(wǎng)的動態(tài)模型，還考慮了變電站一二次設(shè)備模型、二次回路模型對電網(wǎng)模型的影響。電網(wǎng)仿真軟件還為變電站一二次設(shè)備仿真、二次回路動態(tài)原理圖和綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)仿真提供服務(wù)。

2.3 一二次設(shè)備三維仿真技術(shù)

三維仿真建模系統(tǒng)采用可視化、組件化和圖庫模一體化建模技術(shù)，開發(fā)了三維仿真建模系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：①組件生成器。采用 3dsmax SDK提供的二次開發(fā)環(huán)境，可以對三維設(shè)備模型進行編輯。②組件裝配器。利用組件生成器導(dǎo)出的三維組件可以裝配出在一二次仿真三維程序之間運行的設(shè)備實體，操作簡便。系統(tǒng)對變電站一二次設(shè)備進行全范圍建模仿真，包括變電站控制系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、繼電保護與自動裝置、綜合自動化系統(tǒng)的詳細模型，同時考慮變電站仿真詳細模型對電網(wǎng)仿真抽象模型的影響，通過變電站仿真通信和任務(wù)管理服務(wù)，將仿真變電站的各部分程序進行有機結(jié)合，確定各部分模塊間的正確邏輯關(guān)系。采用三維仿真建模系統(tǒng)搭建站內(nèi)一二次設(shè)備的場景，將現(xiàn)場設(shè)備通過計算機仿真重現(xiàn)，實現(xiàn)對現(xiàn)場運行人員的正常操作培訓(xùn)、異常及事故處理培訓(xùn)、設(shè)備正常和特殊巡視訓(xùn)練。

2.4 二次回路圖紙動態(tài)化

系統(tǒng)對二次回路相關(guān)各類元件和測量儀表依據(jù)其物理特性和動作邏輯進行數(shù)學(xué)建模，并根據(jù)培訓(xùn)需要增加顏色、邊框等附加屬性，對二次回路原理圖進行動態(tài)化處理。系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)和變電站一次設(shè)備、二次設(shè)備、交直流電源等系統(tǒng)的狀態(tài)實時計算二次回路中各個元件的狀態(tài)和回路電氣參數(shù)，使得變電站一二次設(shè)備從內(nèi)到外得到全面的仿真再現(xiàn)[4]。

系統(tǒng)結(jié)合二次回路的特點，對回路計算作出合理簡化：根據(jù)二次回路大多并聯(lián)關(guān)系的特點，將二次回路解耦成一個個單獨的回路，在系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)改變時，只對擾動相關(guān)的回路進行計算修正，大大減少了計算量，節(jié)省了系統(tǒng)資源，提高了響應(yīng)速度。

3 結(jié)束語

本文系統(tǒng)將電網(wǎng)、變電站一二次設(shè)備及其內(nèi)部回路作為一個有機整體進行仿真，為受訓(xùn)人員提供了不同層次了解、學(xué)習(xí)、實踐的虛擬環(huán)境。對于電網(wǎng)、變電站運維檢修人員可能面臨的各種事件，系統(tǒng)從內(nèi)部邏輯到外部表現(xiàn)，給出了完整的仿真再現(xiàn)，對于提高專業(yè)技術(shù)人員的能力具有重要意義。