基于一次設(shè)備模擬器的智能站培訓(xùn)系統(tǒng)

張艷杰 ，宋志明，謝宗喜 ，趙笑笑，牟 黎 ，孫艷萍

（1.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；2.國(guó)網(wǎng)湖北省咸寧供電公司，湖北 咸寧 437000）

0 引言

目前，面向變電站運(yùn)維人員的事故處理培訓(xùn)系統(tǒng)主要有3種：硬仿真系統(tǒng)、軟仿真系統(tǒng)、混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)［1-4］。硬件模擬的培訓(xùn)平臺(tái)真實(shí)感強(qiáng)，但是需要配備大量的硬件裝置和設(shè)備，整體投資過(guò)高；純軟件仿真平臺(tái)有簡(jiǎn)易三維圖形界面系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)兩種，前者占地面積小，成本低但現(xiàn)場(chǎng)感差，后者開(kāi)發(fā)成本高［5-8］；混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)通常采用真實(shí)二次設(shè)備與虛擬一次設(shè)備相結(jié)合的模式，一次設(shè)備僅以二次面板指示燈來(lái)模擬開(kāi)關(guān)特性，缺乏現(xiàn)場(chǎng)感。在變電站事故處理培訓(xùn)教學(xué)中，有必要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情景式教學(xué)環(huán)境以提高電力培訓(xùn)學(xué)員的真實(shí)感與沉浸感。由于智能變電站數(shù)量在電力系統(tǒng)中不斷增加，其運(yùn)維培訓(xùn)工作愈加繁重。本文基于智能變電站一次模擬器提出一種混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，創(chuàng)設(shè)變電站運(yùn)行維護(hù)工作的培訓(xùn)情境，可有效開(kāi)展智能變電站事故處理培訓(xùn)。

1 智能站混合仿真培訓(xùn)架構(gòu)

培訓(xùn)系統(tǒng)采用智能站典型三層兩網(wǎng)架構(gòu)，由于變電運(yùn)維人員在智能站進(jìn)行事故處理的難點(diǎn)在于二次設(shè)備信息調(diào)閱分析。按情境式教學(xué)需要，站控層、間隔層采用真實(shí)監(jiān)控后臺(tái)、二次保護(hù)、測(cè)控與故障錄波裝置。過(guò)程層各間隔配備合并單元、智能終端，電磁暫態(tài)計(jì)算單元將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至模擬電子式互感器，互感器基于DSP+FPGA協(xié)同控制輸出FT3信號(hào)至各間隔合并單元。變壓器保護(hù)、線路保護(hù)配置專(zhuān)線直采、直接跳閘，母線保護(hù)通過(guò)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)采集、網(wǎng)絡(luò)通信跳閘，GOOSE/SV信號(hào)以VLAN方式共網(wǎng)傳輸。一次設(shè)備模擬器采用嵌入式微處理器及PLC控制器，模擬斷路器、刀閘及操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息和控制量，通過(guò)控制電纜與智能終端連接。如圖1所示。

圖1 智能站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)框圖

電磁暫態(tài)仿真服務(wù)器利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（RTDS）建立變壓器、線路、電容器等元件動(dòng)態(tài)模型，電網(wǎng)計(jì)算模型按照典型220 kV智能變電站設(shè)計(jì)。一次系統(tǒng)按照2臺(tái)主變、220 kV／110 kV／10 kV三側(cè)電壓等級(jí)出線配置，其中：220 kV電壓等級(jí)采用雙母接線，2條出線間隔；110 kV電壓等級(jí)采用雙母接線，2條出線間隔；10 kV電壓等級(jí)采用單母分段，2條出線間隔。依據(jù)實(shí)際參數(shù)設(shè)置，線路采用貝瑞隆模型，主變壓器采用集中參數(shù)模型。暫態(tài)計(jì)算取10 s步長(zhǎng)，進(jìn)行內(nèi)環(huán)電磁暫態(tài)仿真。每一個(gè)模擬步長(zhǎng)中，仿真服務(wù)器通信接收各回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀狀態(tài)，確定計(jì)算模型參數(shù)，進(jìn)行各數(shù)據(jù)通道電壓、電流計(jì)算。電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器與模擬互感器以PCI光口連接，數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖濾波后，外環(huán)以50 s步長(zhǎng)向模擬互感器裝置發(fā)送電壓與電流數(shù)據(jù)?；ジ衅髂M裝置以DSP為處理內(nèi)核，計(jì)算數(shù)據(jù)先經(jīng)光電轉(zhuǎn)換移送至FIFO緩沖區(qū)，解析數(shù)據(jù)后FPGA按照FT3格式對(duì)各相電壓電流編碼，與各間隔合并單元接口，以分路光數(shù)字信號(hào)發(fā)送，如圖2所示。

2 模擬電子式互感器至合并單元數(shù)據(jù)同步

圖2 電子式互感器模擬裝置

數(shù)字化變電站中，合并單元（MU）、繼電保護(hù)裝置都接入全站的統(tǒng)一時(shí)鐘源，設(shè)備對(duì)時(shí)鐘跟蹤誤差在1μs以?xún)?nèi)，采用“常規(guī)互感器＋合并單元”模式時(shí)，TA與TV二次回路以二次電纜接至合并單元中，其實(shí)質(zhì)是將采集器從常規(guī)保護(hù)裝置中分離出來(lái)，模擬信號(hào)以光速傳導(dǎo)至合并單元中，信號(hào)經(jīng)低通濾波后進(jìn)行集中A／D采集，可認(rèn)為同步過(guò)程與常規(guī)保護(hù)相同。當(dāng)采用“電子式互感器＋合并單元”模式時(shí)，各相采集器獨(dú)立，從合并單元架設(shè)額外的觸發(fā)采集脈沖光纖通道，可以將各相數(shù)據(jù)在同一時(shí)間斷面采集［9-10］，這種方式增加了系統(tǒng)硬件通道成本且依賴(lài)同步時(shí)鐘源。本方案中，合并單元對(duì)于模擬電子式互感器的數(shù)據(jù)同步依據(jù)各通道的“額定延時(shí)”來(lái)處理：將模擬ECT／EVT各通道信號(hào)A／D采集時(shí)刻至合并單元同步時(shí)刻的延時(shí)計(jì)算或測(cè)量出來(lái)，再將所有通道數(shù)據(jù)置于同一時(shí)間坐標(biāo)系下進(jìn)行數(shù)據(jù)延時(shí)反推補(bǔ)償和插值重采樣。各電子式互感器通路至合并單元間采用FT3規(guī)約，以Manchester編碼形式發(fā)送串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸不受以太網(wǎng)CSMA／CD協(xié)議數(shù)據(jù)沖撞影響而延時(shí)固定。如圖3所示，各通道至合并單元的固定延時(shí)為 Tdi（i＝1，2，…12），在合并單元中將采樣數(shù)據(jù)解碼校驗(yàn)后存入FIFO緩沖器進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定，以第i個(gè)通道為例，依據(jù)采樣點(diǎn)tm時(shí)刻獲取數(shù)據(jù)可推算出采樣時(shí)間為tm－Tdi，如圖4所示。合并單元在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣同步時(shí)，需等待FIFO中所有通道數(shù)據(jù)到達(dá)后，在下一個(gè)分頻脈沖到來(lái)時(shí)進(jìn)行插值重采樣。

設(shè)合并單元采樣周期為T(mén)s（通常取250 μs），合并單元插值計(jì)算及編碼發(fā)送時(shí)間為T(mén)j（一般 Tj＜50 μs），按照最嚴(yán)峻情況，獲取并發(fā)送第一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)延時(shí)為：

圖3 電子式互感器至合并單元延時(shí)示意圖

圖4 合并單元重采樣示意圖

式（1）中第一項(xiàng)為整組數(shù)據(jù)中所有通道中最大通道延時(shí)。在220 kV及以下電壓等級(jí)，母線電壓合并單元通常級(jí)聯(lián)到間隔合并單元，由于電壓合并單元中須進(jìn)行抗混疊數(shù)字濾波、重采樣、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，而間隔MU需等待電壓數(shù)據(jù)解碼校驗(yàn)并到達(dá)緩沖區(qū)后再進(jìn)行整體同步，在間隔合并單元中引起更大延時(shí)。在模擬電子式互感器的集成系統(tǒng)方案中，電壓數(shù)據(jù)延時(shí)省去了抗混疊數(shù)字濾波、重采樣的環(huán)節(jié)，減少了合并單元延時(shí)。取合并單元主板DSP分頻脈沖作為重采樣及發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，重采樣均采用二次Lagrange插值算法。

3 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)場(chǎng)景布置

變電站事故處理關(guān)鍵場(chǎng)所情景模擬分為4部分：真實(shí)設(shè)備二次設(shè)備屏柜區(qū)、一次設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)模擬區(qū)、教學(xué)區(qū)與講臺(tái)區(qū)。

1）真實(shí)二次設(shè)備屏柜區(qū)。變電站二次屏柜區(qū)單獨(dú)劃區(qū)，以10 m×20 m區(qū)域，用透明玻璃屏風(fēng)隔離在教室后半?yún)^(qū)，模擬繼電保護(hù)室或者主控室保護(hù)裝置區(qū)。

2）一次設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)模擬區(qū)。與教學(xué)區(qū)隔離，設(shè)置于二次屏柜區(qū)相鄰區(qū)段，配合3D模型服務(wù)器實(shí)現(xiàn)變電站一次設(shè)備模擬。設(shè)置三相跳閘回路，每相跳閘回路可單獨(dú)跳閘，并可單獨(dú)設(shè)定跳閘時(shí)間；設(shè)置三相合閘回路，每相合閘回路可單獨(dú)合閘，并可單獨(dú)設(shè)定合閘時(shí)間；支持三跳（三相同時(shí)跳閘）、三合（三相同時(shí)合閘）；單相支持雙跳閘回路；三跳支持雙跳閘回路、雙合閘回路；每相跳閘回路包括8對(duì)輔助空接點(diǎn)；每相合閘回路包括4對(duì)輔助空接點(diǎn)；支持開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)故障模擬，包括16對(duì)輔助空接點(diǎn)（8對(duì)常開(kāi)，8對(duì)常閉）；支持通訊功能、監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能、狀態(tài)指示功能；支持遙控操作機(jī)手動(dòng)操作功能；支持聲音告警功能；支持3D模型顯示器功能。

3）教學(xué)區(qū)。教學(xué)區(qū)設(shè)置56培訓(xùn)工位，每工位學(xué)員機(jī)與二次設(shè)備區(qū)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文故障錄波器、一次設(shè)備模擬區(qū)3D模型服務(wù)器聯(lián)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)二次波形實(shí)時(shí)召喚與故障一次場(chǎng)景實(shí)時(shí)調(diào)閱功能。

4）講臺(tái)區(qū)。講臺(tái)區(qū)配置變電站真實(shí)主控臺(tái)（雙機(jī)冗余配置）、電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算平臺(tái)與教員機(jī)。教員機(jī)可設(shè)置啟動(dòng)全混仿系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真，配發(fā)線路、變壓器、斷路器等元件故障，啟動(dòng)告警系統(tǒng)動(dòng)作，一次場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變電站事故的情境設(shè)置。

4 變電站事故處理情境式培訓(xùn)

變電站事故處理是變電站運(yùn)維人員培訓(xùn)的關(guān)鍵技能項(xiàng)目之一。建立變電站事故處理培訓(xùn)基本流程如下：

1）培訓(xùn)師通過(guò)教員機(jī)設(shè)置故障。教員機(jī)配置變電站模型，對(duì)線路、母線、主變壓器等電力元件設(shè)置短路接地故障，系統(tǒng)通過(guò)RS485電纜通信將運(yùn)算指令下發(fā)至電磁暫態(tài)計(jì)算服務(wù)器，以故障模型實(shí)時(shí)替代系統(tǒng)模型并啟動(dòng)運(yùn)算。運(yùn)算得到的電流值發(fā)送至電子式互感器模擬裝置，裝置生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到各間隔合并單元。對(duì)應(yīng)故障間隔的短路電流數(shù)據(jù)會(huì)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)保護(hù)裝置動(dòng)作，動(dòng)作報(bào)文與數(shù)據(jù)由保護(hù)裝置經(jīng)站控層交換機(jī)上傳至監(jiān)控后臺(tái)。

2）動(dòng)作報(bào)文及SOE事件閱讀分析。監(jiān)控后臺(tái)機(jī)實(shí)現(xiàn)變電站智能報(bào)警功能，對(duì)間隔層保護(hù)裝置、故障錄波裝置報(bào)文在后臺(tái)人機(jī)界面分類(lèi)顯示。按照事故等級(jí)對(duì)告警信息進(jìn)行分類(lèi)，SOE信號(hào)作為單獨(dú)頁(yè)面展示。按照告警重要程度，將二次保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、一次設(shè)備變位信號(hào)等事故信息進(jìn)行分顏色著重展示。培訓(xùn)過(guò)程中，學(xué)員以變電站運(yùn)維人員、調(diào)度值班員崗位要求為依據(jù)進(jìn)行群體角色扮演，在事故處理作業(yè)指導(dǎo)書(shū)上逐條依序記錄關(guān)鍵SOE告警信息。

3）一次設(shè)備模擬器。一次設(shè)備模擬器包括3D模型服務(wù)器、彩色LCD顯示器、交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)和一次設(shè)備模擬終端。一次設(shè)備終端內(nèi)部面板配置LED燈，內(nèi)部以PLC模擬特定間隔開(kāi)關(guān)、刀閘、地刀信號(hào)，與實(shí)際智能終端二次回路以控制電纜連接。

一次設(shè)備模擬終端與培訓(xùn)變電站間隔真實(shí)智能終端進(jìn)行連接。智能終端與一次模擬器通過(guò)電纜連接，與線路、母線保護(hù)裝置通過(guò)光纖專(zhuān)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連，另通過(guò)光接至GOOSE網(wǎng)交換機(jī)，對(duì)測(cè)控裝置、故障錄波裝置實(shí)現(xiàn)GOOSE信息共享。斷路器、刀閘及操作機(jī)構(gòu)模擬裝置基于嵌入式DSP技術(shù)開(kāi)發(fā)，不但可模擬斷路器、刀閘及操作機(jī)構(gòu)的正常操作和動(dòng)作情況，而且具備模擬斷路器拒動(dòng)、慢分、非全相、裝置輔助接點(diǎn)不對(duì)應(yīng)等異?；蚬收锨闆r功能，還可模擬刀閘拒動(dòng)、非全相、輔助接點(diǎn)不對(duì)應(yīng)等各種異?；蚬收锨闆r。變電站培訓(xùn)系統(tǒng)的一次設(shè)備模擬器如圖4所示。

圖4 變電站培訓(xùn)系統(tǒng)的一次設(shè)備模擬器

事故模擬信號(hào)下發(fā)培訓(xùn)系統(tǒng)后，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，智能終端收到保護(hù)動(dòng)作信號(hào)后驅(qū)動(dòng)一次設(shè)備模擬終端動(dòng)作，通過(guò)面板電氣指示燈指示一次設(shè)備變位。在培訓(xùn)場(chǎng)景中，指示燈僅指示狀態(tài)變位，難以展現(xiàn)實(shí)際電網(wǎng)一次事故場(chǎng)景。在一次設(shè)備模擬器中，將3D畫(huà)面場(chǎng)景模型預(yù)先配置在培訓(xùn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，教員機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信與3D模型服務(wù)器相連，通過(guò)HMI界面配置選擇一次模擬器事故場(chǎng)景，可實(shí)時(shí)調(diào)用服務(wù)器中各間隔3D動(dòng)畫(huà)模型。設(shè)備正常時(shí)，一次設(shè)備模擬終端封鎖事故場(chǎng)景數(shù)據(jù)的展示，顯示器顯示設(shè)備間隔正常一次場(chǎng)景，當(dāng)事故模擬導(dǎo)致一次設(shè)備模擬終端動(dòng)作時(shí)，模擬終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通信觸發(fā)3D模型服務(wù)器，封鎖正常設(shè)備場(chǎng)景，輸出事故場(chǎng)景數(shù)據(jù)，展示設(shè)備損毀、爆裂、起火、冒煙等事故場(chǎng)景。變電站運(yùn)維學(xué)員面對(duì)高壓設(shè)備3D場(chǎng)景，學(xué)習(xí)事故處理過(guò)程中一次設(shè)備處理方法，達(dá)到沉浸式培訓(xùn)體驗(yàn)。

4）保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文調(diào)閱分析。220 kV以上電壓等級(jí)配置雙套保護(hù)裝置，雙套保護(hù)來(lái)自不同的常用廠家型號(hào)。變電站運(yùn)維人員在培訓(xùn)事故處理過(guò)程中學(xué)習(xí)保護(hù)裝置的處置方法，重點(diǎn)培訓(xùn)保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文調(diào)用操作及閱讀方法，記錄不同類(lèi)型保護(hù)啟動(dòng)、動(dòng)作的精準(zhǔn)時(shí)間（ms級(jí)）以及基本故障象征。

5 培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)

教員在人機(jī)操作界面上設(shè)置V-W兩相相間短路故障并下發(fā)智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，保護(hù)裝置動(dòng)作，一次模擬終端三相斷路器電氣指示燈滅并驅(qū)動(dòng)一次設(shè)備場(chǎng)景展示。變電運(yùn)維按照“一看監(jiān)控后臺(tái)機(jī)，二看保護(hù)設(shè)備，三看故障錄波”的順序進(jìn)行事故巡視處理。監(jiān)控后臺(tái)界面的一次設(shè)備變位、二次保護(hù)動(dòng)作信號(hào)均以紅色報(bào)警顯示。故障線路繼電保護(hù)裝置報(bào)文顯示 “相間保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作出口”“故障相：V、W”。故障線路智能終端三相指示燈滅，無(wú)重合閘信號(hào)。故障錄波波形如下圖5所示。

圖5 V－W相間故障時(shí)電流電壓波形

6 結(jié)論

1）基于一次模擬器與真實(shí)二次設(shè)備結(jié)合的智能變電站混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以有效創(chuàng)設(shè)變電站事故處理情境式培訓(xùn)教學(xué)環(huán)境。

2）智能變電站事故處理仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以利用交換機(jī)設(shè)備與變電站3D模型數(shù)據(jù)進(jìn)行通信交互控制，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的情境模擬，提高 電網(wǎng)事故處理的培訓(xùn)效果。