一种调度自动化数字物理混合仿真培训系统

摘要

本发明公开了一种调度自动化数字物理混合仿真培训系统。其中，一次设备为电网仿真模拟系统，二次设备包括调控中心主站和/或智能变电站。调控中心主站包括调控系统服务器，调控系统服务器分别连接智能变电站和数字物理混合仿真系统。数字物理混合仿真系统包括接口部分和仿真电网部分，其中接口部分具有厂站信号模拟终端和数字物理接口设备，数字物理接口设备与智能变电站连接；仿真电网部分具有一次设备，一次设备分别与厂站信号模拟终端和数字物理接口设备进行连接。本发明采用二次真实设备、真实调度自动化系统与一次模拟设备通过数字物理接口设备无缝连接的方式，为仿真培训提供真实的操作环境。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力仿真培训系统，尤其涉及一种面向调度自动 化系统仿真培训的需要，将一次设备和二次真实设备集于一身的数字 物理混合仿真培训系统，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

现代电力系统有几大特点：规模越来越大、单机容量越来越大、 输电距离越来越大、供电范围越来越大、自动化程度越来越高、对供 电可靠性的要求越来越高。这些特点对电网运行维护人员的工作经验 和运行知识提出了很高的要求。虽然电网事故的发生概率很小，但一 旦发生，造成的损失有可能是灾难性的。而处理事故的知识和经验必 须从电网实际的异常运行和事故处理中磨砺和积累。在这种背景下， 针对电力系统的仿真培训工作就显得尤为重要。

电力系统的仿真技术分为数字仿真和物理模拟两大类。数字仿真 系统能够灵活方便地更改参数设置，具有较强的通用性，在电力系统 中得到广泛的应用。物理模拟能够真实地反映实际系统的各种特性， 是研究实际电力系统动态行为、校验新装置不可或缺的重要手段。

目前，调度自动化系统仿真培训通常采用全数字电网调度员培训 仿真系统（简称DTS系统）。然而传统的DTS系统只能对调度员进行简 单的运行培训，不能实现调度中心设备检修维护和厂站自动化设备运 行维护的培训功能，难以满足对调度员进行全面培训的需求。而基于 数字物理混合仿真的仿真培训系统，不仅可以模拟电网的正常或故障 状态，同时可以为调度系统提供真实的数据源，既能详细而真实地反 映变电站一次设备的行为，又能真实地模拟电网操作和各类动态过程， 从而搭建了真实的调度自动化系统运行维护培训环境，改善培训效果。 因此，日益发展的电力系统需要有一套更加全面的仿真培训系统。

在申请号为201110003016.4的中国专利申请文件中，公开了一种 基于数模混合仿真技术的变电站仿真培训系统。该仿真培训系统包括 培训教员侧的电力系统一次仿真系统以及培训学员侧的变电站二次设 备系统。变电站一次仿真系统用于模拟电力系统一次设备正常、故障 下的运行状态，同时将正常或故障数据传输给变电站二次设备系统来 驱动变电站二次设备，变电站培训学员通过变电站二次设备能够监测 到完整的电力系统数据，真实反映电力系统一次设备的运行状况。但 是，该仿真培训系统中的二次设备并不是由真实设备搭建，不利于对 现场运行维护人员的培养训练。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种调度自动化数字物理混 合仿真培训系统（简称仿真培训系统）。该仿真培训系统采用半实物仿 真模型搭建，便于对现场运行维护人员进行运行维护、设备检修等技 能培训及技能鉴定。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种调度自动化数字物理混合仿真培训系统，包括作为模拟设备 的一次设备和作为真实设备的二次设备，其中所述一次设备为电网仿 真模拟系统，所述二次设备包括调控中心主站和/或智能变电站；

所述调控中心主站包括调控系统服务器，所述调控系统服务器分 别连接所述智能变电站和数字物理混合仿真系统；

所述数字物理混合仿真系统包括接口部分和仿真电网部分，其中 所述接口部分具有厂站信号模拟终端和数字物理接口设备，所述数字 物理接口设备与智能变电站连接；

所述仿真电网部分具有所述一次设备，所述一次设备分别与所述 厂站信号模拟终端和所述数字物理接口设备进行连接。

其中较优地，所述一次设备由智能电网实时仿真器实现。

其中较优地，所述智能电网实时仿真器计算电网实时运行状态， 通过所述数字物理接口设备与所述智能变电站交互，并通过所述智能 变电站中的远动主机与所述调控中心主站通信。

或者，所述智能电网实时仿真器通过总线和所述厂站信号模拟终 端进行通信，所述厂站信号模拟终端仿真不同厂家的远动规约，直接 和所述调控中心主站通信。

其中较优地，所述仿真电网部分还包括若干台教员机，各教员机 分别连接所述智能电网实时仿真器。

其中较优地，所述智能变电站分为站控层、间隔层和过程层，其 中所述站控层具有远动主机，所述间隔层具有保护单元和测控单元， 所述过程层具有合并单元和智能终端。

其中较优地，所述数字物理接口设备分别与所述智能变电站中的 合并单元和智能终端连接。

本发明所提供的仿真培训系统采用二次真实设备、真实调度自动 化系统与一次模拟设备通过数字物理接口设备无缝连接的方式，为仿 真培训提供真实的操作环境。较购买真实一次设备搭建培训系统而言， 本仿真培训系统大大节约了成本；相较于全数字仿真而言，本仿真培 训系统为运行维护人员深入了解、学习二次真实设备提供了全方位的 培训平台。

附图说明

图1为本发明所提供的仿真培训系统的整体架构示意图；

图2为本发明所提供的仿真培训系统的网络拓扑结构示意图；

图3为本发明所提供的仿真培训系统中，一次模拟设备的实施例 示意图；

图4为本发明所提供的仿真培训系统中，数字物理接口设备的示 意图。

具体实施方式

本发明所提供的仿真培训系统主要由一次设备和二次设备两部分 构成。其中，一次设备为电网仿真模拟系统，用于实现电网正常运行 状态和故障运行状态下的暂态行为模拟。为确保仿真电网和培训站的 状态一致性，该一次设备采用机电暂态-电磁暂态联合仿真技术，为调 度自动化系统提供真实的数据源。二次设备为真实设备，包括但不限 于调控中心主站和/或智能变电站等。该仿真培训系统突破了现有仿真 培训系统通常采用全数字仿真（即一次设备和二次设备均采用数字仿 真），只能针对调度员进行运行培训的局限，更侧重于针对现场运行维 护人员对于二次设备缺乏深入了解等问题，通过一次设备和主站及厂 站的二次设备之间的数字物理接口设备，搭建真实的调度自动化系统 人员运行维护培训环境，从而达到模拟真实电网操作和动态过程的目 的。

在图1所示的仿真培训系统的整体架构中，一次设备作为模拟设 备，主要包括智能电网实时仿真器。它通过图4所示的数字物理接口 设备连接厂站部分，进而通过调度通信系统（即数据通信网）连接调 控中心主站。参见图2所示的网络拓扑结构示意图，该调控中心主站 包括调控系统服务器和工作站，其中调控系统服务器通过数据通信网 分别连接智能变电站和数字物理混合仿真系统。该智能变电站分为站 控层、间隔层和过程层，其中站控层具有远动主机，间隔层具有保护 单元和测控单元，过程层具有合并单元和智能终端。该数字物理混合 仿真系统包括接口部分和仿真电网部分，其中接口部分具有厂站信号 模拟终端和数字物理接口设备，该数字物理接口设备分别与智能变电 站中的合并单元和智能终端连接。仿真电网部分具有智能电网实时仿 真器和若干台教员机，各教员机分别连接智能电网实时仿真器，智能 电网实时仿真器分别与厂站信号模拟终端和数字物理接口设备进行连 接。

在本发明所提供的仿真培训系统中，调控中心主站（也称调度主 站）采用典型的调度自动化主站系统，子站按照智能变电站设计，二 次设备均采用真实的电网设备，配置与工作现场保持一致。该仿真培 训系统具有如下的技术特点：

（1）调控中心主站按照真实SCADA/PAS调控一体化设计，主要培 训电网调度人员和运行维护人员的SCADA（远方监控系统）功能、PAS （高级应用软件）功能、二次设备安全防护功能。

（2）厂站端按照智能变电站要求设计，采用真实的站控层、间隔 层和过程层设备，主要培训智能变电站运行、调试、维护和远动装置 安装、调试和维护技术，远动通信和规约的基本技术。

（3）电网和变电站一次设备采用全数字仿真系统模拟，实时仿真 实现电网正常运行状态和故障运行状态；断路器、刀闸及操作机构采 用模拟设备，通过数字物理接口设备实现厂站自动化二次设备与实时 数字仿真系统有机结合于一体的数字物理混合仿真系统。

该仿真培训系统有两种工作模式，分别面向不同的培训需求：

（1）厂站部分采用真实的智能变电站：智能电网实时仿真器计算 电网实时运行状态，通过数字物理接口设备与智能变电站交互。通过 智能变电站中的远动主机与调控中心主站通信，构成调度自动化仿真 培训系统。由于采用真实的智能变电站，这种模式可以满足厂站端运 行维护人员培训的需求。

（2）厂站部分采用厂站信号模拟终端仿真：智能电网实时仿真器 的电网实时仿真计算结果通过总线和厂站信号模拟终端进行通信，厂 站信号模拟终端仿真更多的变电站“三遥”功能和不同厂家的远动规 约，直接和调控中心主站通信，构成调度自动化仿真培训系统。由于 可以模拟更多调度子站并为调度主站提供信息，可以满足调度主站中 的调度自动化系统运行维护人员的培训需求。

本仿真培训系统中的一次设备采用电网仿真模拟系统，实时仿真 实现电网正常运行状态和故障运行状态模拟。电网仿真模拟系统的仿 真对象为地区电网及周边的重要电厂和变电站，对其他交流电网采用 网络等值的方式，采用电磁暂态和机电暂态联合仿真技术，确保所有 运行方式和进行各种操作时与真实电网保持一致。通过该电网仿真模 拟系统，一方面实现地调范围以及周边电网重要发电厂与变电站的机 电暂态仿真，为不包含真实智能变电站的厂站模拟提供数据源。另一 方面可以实现培训厂站以及相关节点的电磁暂态仿真，为包含真实智 能变电站的培训厂站模拟提供数据源。

图3显示了该电网仿真模拟系统的一个实施例。在该实施例中，包 括配置真实智能变电站的2座培训厂站，用于实现相关部分的电磁暂态 仿真；其他厂站均为不包含真实设备的厂站，用于实现地调电网和外 部等值网的机电暂态仿真。电网仿真模拟系统基于嵌入式实时操作系 统平台，采用多核、并行处理技术，可以实现机电-电磁暂态过程实时 仿真计算，仿真步长小于100微秒，与真实的二次设备构成完整闭环。 该电网仿真模拟系统具备完善的一次设备仿真模型。其中包括：多种 发电机模型、单相双组变压器模型、三相双绕组变压器模型、三相三 绕组变压器模型、集中参数线路模型、分布参数线路模型、断路器模 型、固定频率电源模型等等，能够模拟各种类型故障和多重故障时电 力系统的暂态行为；具备完备的故障模型，可以灵活设置故障发生的 位置、故障发生的时刻、故障持续时间、故障过渡电阻、故障类型等 性质；能够模拟各种倒闸操作功能，其中包括：带负荷拉、合刀闸， 带电合接地刀闸、带地刀合断路器、强送电至故障上等等。

图4显示了本仿真培训系统中的数字物理接口设备。该仿真接口 设备包括模拟设备和接口设备两部分，用于实现一次模拟设备和二次 真实设备的无缝连接。该仿真接口设备满足实时性要求，采用PCI板 卡实现了开关量、模拟量采集，满足各类培训需求。其中的模拟设备 可以实现合并单元模拟、智能终端模拟、电子式互感器模拟、智能一 次设备模拟等功能，具体说明如下：

合并单元模拟设备遵照IEC61850-9-2标准，模拟过程层合并单元 发出的通信报文，将电磁暂态仿真计算结果波形实时转化为通信信息 发送，为间隔层设备提供真实可靠的仿真数据源，实现智能变电站中 合并单元的模拟。

智能终端模拟设备采用IEC61850标准通用面向对象的变电站事 件（GOOSE）实现智能变电站内输入输出状态量信息通信的仿真，成为 间隔层和过程层信息交互接口，实现智能终端通信功能的模拟。

电子式互感器模拟设备是模拟电子式互感器输入输出信号的设 备，可以按照现场配置与过程层设备相连，主要用于过程层合并单元 和智能终端等装置运行和检修技能的培训。

智能一次设备模拟设备包括智能断路器、刀闸、主变及操作机构 模拟设备，可以模拟一次设备的状态信息和控制量，通过电缆接线和 操作箱连接。该模拟设备不但可以模拟开关、刀闸的正常操作和动作 情况，同时可以模拟开关拒动、慢分、非全相等各种异常情况。同时， 可以为继电保护、自动装置、测控装置等提供硬节点。

在本发明中，二次设备可以包括调度中心主站和远动子站两部分。 这些二次设备尽可能与现场配置相同，以便为培训提供真实的操作环 境，达到最佳培训效果。具体地说，远动子站部分采用真实的二次设 备：智能电网实时仿真器计算电网实时运行状态，通过数字物理接口 设备与真实的二次设备交互，通过远动主机与调控中心主站通信，构 成调度自动化培训系统。调度中心主站部分采用真实的二次设备：通 过厂站信号模拟终端或远动主机，采用IEC51870-5-101/104规约接入 仿真培训系统。

本发明所提供的仿真培训系统采用二次真实设备、真实调度自动 化系统与一次模拟设备通过数字物理接口设备无缝连接的方式，为仿 真培训提供真实的操作环境，可以实现调控中心主站和智能变电站的 相关设备的调试、维护及缺陷处理的培训功能。较购买真实一次设备 搭建培训系统而言，本仿真培训系统大大节约了成本；相较于全数字 仿真而言，本仿真培训系统为运行维护人员深入了解、学习二次真实 设备提供了全方位的培训平台。

本仿真培训系统为智能电网调控运行人员建立了综合培训平台， 可以用于调度运行专业、调度自动化系统、厂站自动化专业、变电运 行专业等运行维护人员提供生产技能培训、鉴定、竞赛、装置功能分 析测试。通过仿真训练可以使运行维护人员了解各种故障发生的现象、 原因及变化过程，总结积累处理经验。

上面对本发明所提供的调度自动化数字物理混合仿真培训系统进 行了详细的介绍。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实 质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明 专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。