期刊论文,基于信息技术的变电站仿真培训系统研究概要

第２５卷第４期２００７年８月文章编号：１０００—７７０９（２００７）０４—０１２６—０４水电能源科学ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＶ０１．２５Ｎｏ．４Ａｕｇ．２００７基于信息技术的变电站仿真培训系统研究马鹿１马瑾２王小平２（１．黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁８１０００８；２．青海省电力公司，青海西宁８１０００８）摘要：介绍了一种基于电力企业信息技术的变电站培训仿真系统。基于变电站实际操作的内容与规程，利用先进的计算机信息技术与电力系统仿真技术，设计了以物理器件模拟仿真作为操作平台，以计算机数字仿真模拟提供后台数据支持，并以信息技术使其结合运行的新型实用化变电站仿真培训系统。实际应用结果表明，系统能较好地满足对电力系统运行人员培训的各项要求。关键词：变电站；仿真培训；信息技术中图分类号：ＴＭ７４３；ＴＰ３９１．９文献标志码：Ｂ统，仿真了变电站在正常和事故条件下的各种操１概述变电站运行情况直接影响电网运行的安全性作以及电网的实时反应。本文根据研制该系统的具体过程，介绍了设计思想和实现方法。及供电质量。据统计，电力系统中的事故很大一部分是人为造成的，有时由于运行人员处理不及时、甚至误操作而造成事故扩大化。因此，为确保电力系统安全可靠合理地运行，对变电运行人员的培训是非常必要的。在当前的各种培训方式中，利用计算机技术与电力系统仿真技术相结合的培训仿真系统具有明显的优越性。在仿真系统上接受培训时，对于正常操作和实际设备上很少发生而又必须准确无误进行处理的故障操作都可灵活地反复练习，使受训者在短期内成为合格的操作人员。变电站仿真培训的成功运用，不但可提高供电系统运行人员的技术素质，而且成为反事故的有力工具‘１～引。本文采用物理仿真与计算机数字仿真相结合的方式对青海某电网采用全数字仿真、变电站一次设备采用数字仿真、变电站主控室二次设备（控制屏台和保护屏台）采用１：１物理仿真，使仿真具有高度的真实性和一致性。对仿真屏台采用工控机网络在后台控制，并通过微机通信盘台与电网仿真系统相连，将电网与变电站仿真融为一体，使仿真的真实性和一致性更好。控制、保护台仿真系统（即变电站仿真部分）是青海某电网调度及变电站仿真系统的一个子系收稿日期：２００７—０３—０９，修回日期：２００７—０５—０９２设计要求①通过操作把手和隔离刀闸可设置系统相应的运行状态。②根据系统对断路器所设置的状态和操作把手所处的位置，红绿指示灯应给出相应的发光或闪烁发光。③光字牌能及时显示系统警告或故障的状态。警铃及喇叭给出相应的音响。④指示仪表能指示系统相应支路的电压、电流及功率。⑤同期操作的仿真。⑥有载调压主变分接头显示。⑦保护功能投入或退出，保护方式切换，能闭环影响电网仿真。⑧保护动作信号仿真，电网模拟故障，仿真实际保护的动作行为。３系统硬件设计青海某变电站仿真系统的硬件结构见图１。３．１仿真盘台模型按仿真系统的真实性及一致性要求，比照青海某变电站二次盘台实际位置、尺寸、外观加工制作变电站的二次控制、保护、交直流电源盘，作为仿真环境。具体实现原则为：①仿真控制盘上的光字排、刀闸、断路器操作开关、同期开关、操作按钮、信号指示灯、表计均设计与实际控制盘相同。作者简介：马鹿（１９７４一），男，工程师，研究方向为电力工程设计与建设，Ｅ—ｍａｉｌ：[e-mail]万方数据第２５卷第４期马鹿等：基于信息技术的变电站仿真培训系统研究・１２７・４ｌ～书控制屏台＃６～＊１１控制屏台微机通讯盘台ＳＴＤ总线工控机一ＳＴＤ总线工控机二通讯网卡通讯网线ＳＴＤ总线工控机三ＳＴＤ总线工控机四ＳＴＤ总线工控机五“１２～。１５保护屏台。１６—４１９保护屏台４２０～＃２３保护屏台图１青海某变电站仿真系统的硬件结构图Ｆｉｇ．１ＨａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｉｎＱｉｎｇｈａｉ②仿真保护盘上的保护压板及切换开关均与实际保护盘相同。保护动作信号指示灯采取仿真功能的原则，对实际的不同类型的保护装置的动作信号均采用节能型光字集中显示，如原有电磁型保护（３５ｋＶ保护）动作信号为掉牌继电器、集成电路保护（２２０ｋＶ保护）动作信号为指示灯、微机保护动作信号只能经液晶显示查寻等。３．２仿真盘微控制器及控制电路变电站仿真系统控制电路采用工业控制模式实现，核心部件为标准的工业控制机。控制机需要采集和输出以下几类信号：①位置类信号。属开关型（Ｂｏｏｌ型）输入量，信号一个位置点只有０或１两种状态。②位置编码信号。属数字量（Ｄｉｇｉｔａｌ型）输入量，同一信号点有多个状态，如２２０ｋＶ线路保护的重合闸方式。③位置及保护动作指示信号。属开关型（Ｂｏｏｌ型）输出量，决定指示元件的亮或灭。＠Ｄ／Ａ型模拟量。输出电压型模拟量以控制控制屏上的表头位置指示及同期表头的转动。针对不同类型的信号入出量，系统中需要选用专用的输入输出板卡来检测信号或输出仿真控制所需的控制信号。在用工控板卡控制屏台元件的实现环节上，可以有两种设计方案：方案１用与实际控制屏台基本相同的继电器控制电路，管辖屏台的工业控制机系统仅起输入、输出和通信的作用。方案２采用全工业控制机系统的方法，将实际屏台中继电器的控制改用工业控制机系统的软件来模拟。方案２可靠性好，但在培训变电站维修人员中一些培训项目会受到限制。本设计采用方案２。根据上述设计思想，在工控机和盘台之间，系统具体采用了如图２的硬件电路。万图１、２中，系统的工业控制机采用ＳＴＤ标准方数据Ｉ器Ｉ！ｌ把手／压板／ＩＣＰＵ／车ｒ再册：；隔离刀闸ＲＯＭ／ｌ网卡Ｐ其它＝ｃ４开出Ｉ：辅助ｌ：１光字指示灯Ｉ—Ｊ．。＿。，．－Ｉ电路７Ｌ—二：Ｊ・‘！Ｉ塞地生Ｉｌ舆Ｉ；：１表计指示上位机ＳＴＤ仿真控制器转接仿真盘台图２工控机系统与盘台之间的硬件连接Ｆｉｇ．２Ｈａｒｄｗａｒｅｌｉｎｋｓｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐａｎｅｌｓ工业控制总线、ＭＣＳ一５１／Ｃ１９６单片机系统。由于屏台控制量较多，所以采用了五套各自独立的工业控制机系统，其中两套用于控制及信号盘仿真，另三套用于保护盘仿真。系统通过网卡实现工控机之间以及与电网仿真系统间的通讯。控制及信号盘系统（４１、４２工控机系统采用ＭＣＳ５１单片机系统，控制４１～＃１１屏台）包含各自的开入、开出、Ｄ／Ａ输出等单元，保护盘系统（＃３～＃５工控机系统采用ＭＣＳｌ９６单片机系统，控制４１２～＃２３屏台）仅用于开入、开出，而无Ｄ／Ａ输出单元。在工控机系统与屏台之间的连接还引入了分接板和汇总板进行过渡。系统中除了２３个控制和保护屏台外还有一个专用的电源屏台，除了为各套工控机提供电源外也为各个元件的控制电路提供工业电源。系统为信号灯、警铃、光字牌、电表等元件均配备了各自的输出驱动电路，通过工控机开出板的输出信息实现控制。对刀闸和开关等输入元件设计了相应电路以提供输入板卡的采样信号。屏台仿真系统中的同期表是用ＭＣＳ一９８单片机系统设计的智能型仪表，接受工控机的计算数据和控制信号，实时显示待并网线路两侧的电压差（Ｖ表）、频率差（Ｈｚ表）以及同期状况（Ｓ表），适用于电站模拟培训装置的并网操作模拟。该同期表与工控机的通讯采用ＲＳ一２３２串口方式，用ＭＣＳ一５１单片机的串行口直接控制。３．３通信网卡和通信线路仿真盘台之间及仿真盘与青海某电网仿真系统之间的数据交换通过电力信息系统实现。仿真盘台间的局域网按照可靠性和实时性的原理构成。采用插在上位ＰＣ机及下位工控机的通讯网卡来构成网络，上位机与工控机的网络板分别为ＰＣ总线和ＳＴＤ总线接口。网络物理拓扑结构采用总线型以满足危险分散的要求。网络的访问策略采用令牌传递策略以避免由于访问竞争可能带来的长时间阻塞，确保仿真盘与仿真系统间的数据交换的畅通。仿真盘局域网络的管理采用主从方式，・１２８・水电能源科学即微机通讯盘作主机其余仿真盘的工控机作从机，每一ＳＴＤ工控机均经网络独立地与ＰＣ机交换数据。本通信网的数据交换能力达５００ｋｂｐｓ。４软件设计变电站系统的仿真实现，由软件来模拟和控制完成仿真系统初始化、实现变电站各类正常操作、误操作事故演练、电网仿真结果显示、电网事故后变电站继电保护应对策略、值班员各类正常工况或异常工况应对策略功能。为准确实现变电站的仿真功能，盘台仿真软件分为初始状态检测、实时变位检测、动态刷新仿真结果、通信管理四大部分。要实现上述功能，每台仿真工控机单元及前置ＰＣ微机上都需有各自独立的软件来支持其工作，各个单元既要独立完成对下辖盘台的控制，又需彼此协调快速实现相互之间及与电网之间大量的信息交换，使同一仿真任务在盘台各部分都有实时的反映。由于盘台控制元件（如开关、刀闸、电表）数量很多，所以程序设计中对信息传递的可靠性和速度都提出了很高要求［４］。在模块化设计思想的指导下，为协调各个程序的统一工作，对元件的控制信息都作了统一编号。具体的编号原则是在内存中以四个字节ＡＢＣＤ反映一个元件的位置和状态信息。其含义：Ａ——屏台号（１～２５）；态（０／１）。变电站仿真部分的软件可分为控制盘台程序、保护盘台程序和微机通信盘台程序三个模块。４．１控制盘台程序控制盘台程序包括＃１、＃２工控机的两套程序，其主要功能是仿真控制盘台的所有仿真操作及变电站仿真表计的显示。在工控机运行的程序周期中，ＣＰＵ不断检测屏台面板上操作把手、按钮、同期开关和隔离刀闸等元件的状态，并将操作信息通过上位ＰＣ机送至电网仿真系统，电网仿真系统作出处理后，将断路器状态、指示仪表的读数和各种报警信息等数据返送回工控机。ＣＰＵ收到数据后，将读取的断路器状态、操作把手的位置信息及断路器当前状态相结合，从而决定了断路器新的状态。根据这些状态ＣＰＵ驱动相应的红／绿指示灯发光或闪光，同时输出光字牌、警铃信息和表计显示等操作结果。万保护盘台程序包括４方数据３、４４、４５工控机的三套程序，协同完成仿真保护盘的保护动作及保护设置的功能。图３为保护盘台的程序框图。图３保护盘台的程序框图Ｆｉｇ．３Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐａｎｅｌ保护仿真盘具体实现下列功能：①变电仿真初态校对；②盘台保护光字试验、光字复归；③变电站仿真保护动作发保护动作光字；④压板状态改变，闭环控制，变电站仿真保护动作模型。４．３前置微机通信程序为保证电网仿真与变电站仿真的一致性，前置微机担当电网仿真及盘台仿真问的数据交换，前置ＰＣ微机仿真软件运行于Ｗｉｎｄｏｗｓ９５平台，向下作为工控机局域网的通讯主机，向上与电网仿真系统经ＴＣＰ／ＩＰ通讯协议连接，其软件由以下六块构成：①盘台初态自动校对；②电网仿真数据下行至盘台；③盘台仿真状态上传至电网仿真；④盘台仿真调试；⑤ＷｉｎＳｏｃｋ上行通讯（负责与电网仿真系统的通讯）；⑥Ｍ—Ｌａｎ下行通讯（负责与工控机盘台的通讯）。上述六部分作为子程序集合在一个主程序中，完成了电网仿真及盘台仿真间的数据交换Ｄ］。仿真盘局域通讯网采用二层通讯协议：第一打包及ＣＲＣ校验；第二层通讯协议面向仿真数据交换（顶层协议），即定义每一数据包代表一定意义的仿真数据。数据交换严格按协议进行。网络板为智能型网板，ＴＰＳＴＤ工业控制局电路，并有各为２Ｋ的发送数据与接收数据的缓冲空间。各网络板遵循相同的底层通讯协议可完Ｂ——线路号（ｏ～３）；Ｃ——元件号；Ｄ——元件状４．２保护盘台程序４．４局域网通讯软件层通讯协议面向ＢＹＴＥ（底层协议），实现数据块域网络接口板。该网络板自带ＣＰＵ、内存及外围成所有的网络底层操作，如ＣＲＣ编码生成、收码ＣＲＣ校验、网络初始化、结点机的上下网、故障处第２５卷第４期马鹿等：基于信息技术的变电站仿真培训系统研究・１２９・理、令牌的传递、令牌环的维护、信息的发送与接收及信号的检错、重发等。ＳＴＤ工控机主ＣＰＵ与网络板之间可直接通过工控机的外设口存取网板状态、报文数据、待发数据。发送时将待发数据传送给网络板，由网板自行发送。接收时程序采用定时查询方式，检测状态口的数据信息，当数据就绪后读走所有数据。程序设计中需注意的是，为网络板选择合适的外设口地址，以免引起硬件冲突。各个盘台软件的通讯部分都约定了统一的通讯格式。程序中对从盘台工控机