多应用场景的变电站数物混合仿真培训系统方案设计李非非

多应用场景的变电站数物混合仿真培训系统方案设计李非非

李非非1,2，黄胜1,2，顾大德3

（1.国电南瑞科技股份有限公司南京210000；2.国电南瑞南京控制系统有限公司南京210000；3.广州供电局有限公司广州510000）

摘要：由于受到培训场景的限制，传统的变电站培训手段应用范围窄、适应性差。本文针对当前变电站的几种仿真培训方法的不足，提出了基于数字物理混合仿真的多应用场景的变电站数字物理混合仿真方案，并探讨了多应用场景切换的具体实现方法。在传统变电站基础上，以电磁暂态为仿真平台，保留原有一、二次设备，实现了多应用场景的变电站数字物理混合仿真功能。

关键词：实训变电站；数物混合仿真；多应用场景；电磁暂态；二次回路切换

MultiApplicationScenarioBasedHybridSimulationTrainingSystemForSubstationsConceptualDesign

LIFeifei1,2，HUANGSheng1,2，GUDade3

(1.NariTechnologyDevelopmentLimitedCompany,nanjing，210000，China;

2.NariNanjingControlSystemLimitedCompany,nanjing，210000，China;

3.GuangzhouPowerSupplyLimitedCompany,guangzhou,510000,China）

Abstract:Duetothelimitationofthetrainingscene,thetraditionalmethodofsubstationtrainingisnarrowandpoorinadaptability.Aimingattheshortageofseveraltrainingmethodsinsubstation,adigitalphysicalhybridsimulationschemeofmultiapplicationscenariosbasedondigitalphysicalhybridsimulationisproposed,andtheimplementationmethodofmultiapplicationscenarioswitchingisdiscussed.Basedonthetraditionalsubstation,theelectromagnetictransientsimulationplatformisusedtoretaintheoriginaloneortwodevices,andasetofmultiapplicationscenariosofsubstationdigitalphysicalhybridsimulationisimplemented.

Keywords:Practicaltrainingsubstation;hybridsimulation;Multiapplicationscene;Electromagnetictransient;secondarycircuitswitch

前言

随着智能电网的建设，越来越多老旧变电站退出运行，为了充分利用这些老旧变电站，有必要对退出运行的变电站进行改造，使其具备对变电站运维人员、检修人员、继电保护人员等从业人员进行全面的实操培训和仿真培训功能[1]。

目前针对运维检修人员的培训主要有三种手段：一是在虚拟软件或者三维界面上进行巡视、操作、处理故障，有一定的局限性，培训功能单一[2]；第二种是在改造后退出运行的变电站中进行实操培训操作，可培训学员的实际操作能力、设备检修能力、故障处理能力、一二次回路检查能力等[3]，但是对保护原理以及故障分析的培训能力不足；第三种是建立变电站数字物理混合仿真，通过仿真系统建立电网模型，模拟仿真一次设备正常和故障情况下电压电流[4]，一次设备采用模拟断路器等设备实现。此种方式可培训保护原理、故障分析及故障再现能力，但对设备操作及设备检修培训能力不足。

现有的培训手段仍存在应用范围窄、适应性差、建模复杂、仿真范围有限、成本偏高（RTDS）和无法仿真测试变电站多级保护间的配合关系等问题[5]。因此，亟需探索一种适应变电站发展要求的多应用场景的变电站数字物理混合仿真培训的新模式，兼顾实操培训与数字物理混合仿真培训功能，提高实训变电站仿真培训的效率和水平，改进电网生产运行、维护、检修等人员的培训手段。该仿真模式大大缩短了设备测试时间与人员短培训周期，从而节省培训费用，其直接经济效益显而易见，并对推动变电站建设和高级应用功能的推广都具有十分重要的意义。

1系统结构

仿真系统由变电站一次设备、变电站二次设备、多应用场景切换系统、数字物理混合仿真系统组成。多应用场景切换系统的作用是对二次回路进行切换，可切换的回路有控制回路、信号回路、电流电压回路等。系统结构如图1所示：

图1多应用场景仿真系统结构图

仿真系统和实训系统的一次系统均为同一座完整的变电站中真实的不带电设备,二次系统采用与电力生产现场相同的、真实的变电站二次设备。真实的断路器设备和模拟断路器设备通过切换系统接入二次设备实际二次回路中，真实一次CT\PT和功率放大器模拟出的电压电流输出间通过切换系统进行切换。

数字物理混合仿真系统依据仿真变电站及周边电网参数，计算整个电网潮流的数据，并通过数模转换器，将计算出的潮流数据数字量转换为0-10V的弱电模拟信号；弱电模拟信号通过功率放大器放大输出0~30A交流电流模拟量与0～120V交流电压模拟量（该模拟量相当于实际变电站CT、PT二次侧电流电压值），这些电流电压模拟量通过真实变电站二次回路传输给变电站二次保护及测控设备。

同时，数字仿真系统会实时采集一次设备动作和位置信号，当真实变电站开关刀闸位置或变压器分接头位置发生变化时，数字仿真系统会通过开关量输入卡高速采集一次设备的变位信号，数字仿真系统根据一次设备变位信号重新计算电网潮流数据，并经过接口设备传输给变电站一次及二次设备。这样，形成了一个数字仿真系统和真实物理设备之间的闭环系统，从而可以对整个变电站中的保护及自动装置、测控装置进行全面闭环的整组测试及培训。

2系统功能

本方案通过多应用场景切换系统，实现变电站的多种培训模式快速高效的切换。何为实训模式？何为数物混合仿真（研究）模式？实训模式即断开功放设备与模拟断路器等设备，操作在实际一次场地进行，可进行升流升压实验等；数物混合仿真（研究）模式即断开实际一次PT/CT，采用模断或实际断路器，但电网数据从仿真系统产生。（不知表述是否正确）

在实训模式下可以进行日常巡视、定期巡视、特殊巡视培训；熟悉变电站基本操作流程和过程；学习设备安装及检修流程；学习自动装置的调试步骤和定检流程；学习培训二次回路相关知识等实训培训操作。

在数字物理混合仿真模式（研究模式）下可以进行更进一步的培训学习工作，可以用来研究电力系统的操作暂态(合、分闸)，谐振暂态、故障暂态、控制系统(重合闸)暂态问题等。系统可模拟各类设备（如母线、线路、变压器等），各种类型的故障（如单相接地、两相相间、三相接地等），以及接地电阻、动作时间和恢复时间等因素对各类保护动作行为的影响。以此为基础可以开展保护功能测试、保护定值校验、事故反演等工作。

在研究模式下可对线路暂态超越等现象开展研究。常规的继电保护测试仪，在做距离保护试验时通过接地电阻反推出电压和电流，然而实际故障时，由于暂态超越现象的存在导致保护测得电阻小于实际值，导致Ⅰ段保护的保护范围减小[6]。除此之外，还可对空载合闸、励磁涌流等问题对变压器保护的影响开展研究学习；可对各类型设备的区内区外故障进行模拟，校验保护功能的可靠性和选择性；还可用来校验保护定值，传统方式下，保护定值的计算依赖于短路计算，按照短路计算结果整定，但短路计算往往忽略的电流设备的暂态特性，导致在实际故障时，保护装置不能具有很好的可靠性和选择性。

通过此系统可以展开事故反演作业，教员通过预设故障来驱动保护装置动作，通过一系列闭环动作流程后，学员根据保护定值、动作报文和录波数据来分析故障类型和故障位置，培训继保从业人员分析事故的能力，加深培训学员对保护原理的理解。

通过此系统可以培训学员在多点故障、发展性故障时，分析问题解决问题的能力。常规继电保护测试仪在开展此故障时，需要预设一些状态序列，来模拟故障情景，对新员工或不熟悉的人员来说，错误设置状态序列会得到错误的结果，对学员产生误导。

培训继保专业学员故障波形分析的能力，在暂态过程中，除了基波分流还有直流分量和谐波分量，培训学员通过波形分析识别故障的能力。

3多场景切换技术方案

考虑回路电流大小不同以及遵循电压不能短路、电流不能开路的原则，分别对电压电流切换回路进行设计，该切换方案通过遥控实现所有回路的一键切换，图2和图3分别为电压切换回路和电流切换回路：

图2电压切换回路图

图3电流切换回路图

在电压切换回路图中展示了双套保护三相电压的切换回路，通过切换装置实现通道统一切换，数物混合仿真模式（研究模式）下，继电器接通功放的A\B\C三相电压回路，实训模式下继电器接通PTA\B\C三相电压回路实现切换。

在电流切换回路图中展示了双套线路保护、双套母差保护A相切换回路，电流切换回路中流过的电流较大，需要使用电流切换箱（两种模式：工作模式，检修模式）或大电流端子，当在数物混合仿真模式（研究模式）下，横向节点1导通，纵向节点短接（将#1、#2、#3、#4CT短接，切换箱内部未画出），实训模式反之。

状态量切换回路类似于电压切换回路。

4方案的优点

传统的在退出运行的变电站上进行仿真系统培训，如果单接功率放大器和模拟断路器进行数字物理混合仿真，则无法进行实操培训，培训效果大打折扣，如果单接实际断路器和实际CT\PT，则无法进行数字物理混合仿真，如果不经过切换系统同时接入二次设备会导致的如下问题：

仿真系统使用时在实际PT副边产生感应电压，对人和相关设备造成危害；

在实际CT\PT一次侧升压或升流时反向在功率放大器输出端加量，由于功放为了保证输出端电压稳定其具有很小的输出电阻，由戴维南定理可以知道当外部加电压时，整个回路具有较大的电流，对功放设备造成损害；

实际系统和仿真系统同时使用，电流串联叠加，很有可能长时间工作在两倍额定状态下，对设备造成损害；

在数物混合仿真过程中或是实操训练中高频次的进行分合开关，需要频繁的对设备进行检修，增加了维护人员的工作量。

由上可知通过多场景应用切换系统优势在于不仅能够实现实训模式和研究模式的灵活切换，由于仿真模拟量通道和实际CT\PT通道进行隔离保障了设备安全。通过遥控实现回路的一键切换大大简化了培训流程，实现多应用场景的便捷切换。

5结束语

目前该模式已在广州南沙实训站中成功应用，可以针对不同专业分别进行实操培训和数字物理混合仿真培训，培训时采用变电站实际二次设备和一次设备,使培训更接近实际,方式更加灵活,增强了培训效果,增加了变电检修、继电保护、自动化远动等培训功能,在实际培训中反响较好。

参考文献：

[1]刘世安.变电站仿真培训系统设计[J].科技创新导报2015,01:211-212

[2]武卫平.变电站数字物理混合仿真培训系统[J].东北电力技术2010.2:27-39

[3]宋庆烁.变电站二次回路培训系统研究[J].江西电力职业技术学院学报2015,28:17-20

[4]颜晨.数字物理混合仿真技术在培训变电站的应用[J].电子技术2015.02:63-66

[5]谢维兵.重庆市电力公司变电站仿真培训系统研究[硕士学位论文].重庆:重庆大学2007.10

[6]索南加乐.克服距离保护暂态超越的新方法[J].电力系统自动化2006.05:52-57

作者简介:

李非非(1987)，男，本科，工程师,国电南瑞科技股份有限公司，从事变电站仿真系统、电磁暂态仿真系统开发黄胜(1985)，男，本科，高级工程师,国电南瑞科技股份有限公司，从事变电站仿真系统开发工作

顾大德(1987)，男，本科，工程师,广州供电局有限公司，从事电网调度自动化运维工作