DTS-SOTS联合故障仿真的设计与实现

逄健鹏¹，高平²，李峰云³，凌志勇⁴，魏文辉¹，白玮¹（1．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；
2．北京清华仿真科技有限公司，北京100083；
3．广东省佛山电力工业局，广东省佛山市528000；
4．广东省电力学校，广东省广州市510520）
摘要：在DTS-SOTS实时通信接口的基础上，设计并实现了调度员培训仿真系统、变电站操作员培训仿真系统（DTS-SOTS）联合故障仿真的功能。这种新型的联合故障仿真系统能够计算正常状态下的电网潮流和各种故障下的短路电流，并通过DTS各个模块和SOTS配合进行状态同步及事件处理的交互，真实地再现DTS和SOTS中的保护装置的动作行为。在广东省佛山电力工业局的现场运行表明，该联合故障仿真系统对SOTS的培训效果大为改进。
关键词：调度员培训仿真系统；变电站操作员培训仿真系统；联合故障仿真
1引言
现代电力系统对电网调度中心和厂站操作人员分析及处理故障情况的能力提出了更高的要求。目前，迅速提高电力系统调度运行人员和现场操作人员业务技能的一个行之有效的途径是采用各种仿真培训系统。
调度员培训仿真系统（DispatcherTrainingSimulator,DTS）^[1]主要用来培训电网调度员进行正常调度操作和提高处理事故的能力。它强调与电网实际调度环境的一致性和取得实际数据的方便性，基本上由软件实现。变电站操作员培训仿真系统（SubstationOperatorTrainingSimulator，SOTS）^[2]用于培训变电站运行人员。它对变电站的各种一次、二次设备有几乎完全一对一的模拟，系统组成包括软件控制部分和硬件盘台部分。可以看出，现有的DTS与SOTS在仿真范围和仿真功能上是优势互补的。本文在原有的DTS和SOTS的基础上，设计并实现了DTS-SOTS联合故障模拟功能，结合DTS和SOTS各自的优势，构成了一个联合仿真系统，使SOTS的仿真和培训功能大为增强。
该联合仿真系统已在佛山电力工业局的现场运行，收到了很好的培训效果。
2联合故障仿真的设计
2.1DTS-SOTS联合故障仿真的要求
DTS的电网初态既可以取自SCADA实时数据，也可以取自离线保存的存储柜断面，SOTS则从DTS取得培训初始断面，因而保证二者具有一致的设备初始状态。在联合仿真状态下，DTS为SOTS提供潮流数据，二者互通操作信息，保证了DTS与SOTS状态的同步，而且在每个仿真系统中进行的各种操作以及操作结果都能及时地反应到2个系统中去并保持一致。在此基础上，对仿真站内和仿真站外电网其他部分的故障及异常进行了联合模拟：二者互通故障信息，DTS为SOTS提供短路电流数据，SOTS和DTS分别负责仿真站内和仿真站外电网相关保护设备的动作行为判定，并经过协调处理最终给出配合一致的动作结果。
2.2SOTS的系统构成
独立的SOTS由硬件盘台和软件控制中心组成。硬件盘台上有仿真站内所有一次设备的投停状态显示和量测表计指示，并在保护屏上显示二次设备的保护装置动作信号；软件控制中心由主控台、教员台和学员台组成，分别运行于前置机、教员机和学员机上。主控台负责硬件盘台的上电初始化和盘台显示的刷新，教员台负责设置各种类型的故障和异常，学员台供学员进行各种站内操作^[2]。
2.3DTS的系统构成
独立的DTS主要由电力系统模块（PSM）、控制中心模块（CCM）和仿真支持功能模块（SSF）组成。具体由功能子模块实现。它们主要包括：初始化模块、潮流计算模块、事件处理模块、保护处理模块和图形显示模块等。所有模块均运行于作为DTS教员台的UNIX工作站上，并可以使潮流画面在多个DTS学员台主机上显示。
2.4联合故障仿真需要增加和增强的功能
为了满足与SOTS联合进行故障仿真的要求，在DTS侧需要增加DTS-SOTS网络接口模块（作为服务器）和短路电流计算模块，并且要对原有的DTS模块进行功能扩充，增加对新模块的配合和与SOTS进行协作的能力。SOTS侧需要增加DTS-SOTS网络接口模块（作为客户端），以负责发送/接收操作和故障信息及刷新盘台显示；而且还要增加保护装置动作模拟功能。DTS侧的短路电流计算模块和事件处理模块在联合故障仿真功能的实现中是最核心的模块。网络接口模块作为DTS和SOTS互相通信的途径。
（1）DTS-SOTS网络接口模块
网络接口模块的功能主要是为SOTS提供准确而真实的实时潮流数据支持（所谓的“下行数据”，即正常状态下的潮流数据和故障情况下的短路电流数据），以及为DTS提供SOTS侧的操作信息和故障设置信息（所谓的“上行数据”）。当DTS与SOTS的联接建立后便进入联合仿真模式。这时，DTS与SOTS互相配合，进行仿真培训。主要的培训工作都在SOTS端进行。用户在DTS中可以进行配合SOTS培训的一些基本操作，如断开与SOTS仿真站相连的一条线路等。实现的方法是在DTS主机上启动网络服务器程序，在固定的端口等待SOTS主机的联接请求；同时在SOTS主机上运行网络客户端程序；当需要DTS与SOTS相联时，SOTS主动联接DTS工作站上的服务器程序，建立TCP流式联接。上行和下行数据都通过该联接收发^[2]。
（2）短路电流计算模块
短路电流计算模块是故障模拟的数据基础，为故障模拟提供故障时的短路电流和母线电压等基本电气数据。SOTS侧的保护装置就是基于短路电流计算模块的计算结果进行动作的。
短路电流计算模块的运行状态如图1所示。在经过初始化之后，短路电流模块就进入故障计算循环状态，直到收到退出信号结束运行为止。故障计算循环主要由3个状态组成：等待计算信号状态、故障计算状态和计算完毕状态。在没有故障的时候，模块处于等待计算信号状态。当收到短路电流计算（SCC）信号时，模块进入故障计算状态；计算完毕后模块暂时处于计算完毕状态，当处理完有关的标志变量和信号后，立即返回等待计算信号状态，准备进行下一次短路电流计算。
（3）增强的事件处理模块
事件处理模块承担了处理操作事件、故障设置事件以及判断操作是否会引发故障的任务，并负责SOTS侧的保护动作和DTS侧的保护判断结果之间的协调处理。
图2为事件处理模块在处理事件时的活动图。事件处理分为操作处理和故障处理2种情况。如果收到的事件是故障设置事件，则直接进行故障处理；如果收到的是操作事件，则在进行操作处理的时候，需要判断该操作是否会引发故障（如带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸等），如果会引发故障，则转入故障处理。故障处理包括给短路电流计算模块发送故障信息和进行继电保护判断2部分。最后，不论是正常操作处理还是故障处理，都生成潮流计算基本事件，供潮流计算模块修改导纳矩阵和节点注入量。（4）增强的保护处理模块
保护处理模块负责DTS中的继电保护动作行为的模拟。在DTS独自运行的时候（稳态模型下），保护处理模块根据故障信息按照逻辑判断方法判断出保护装置动作情况，并把断路器动作信息送潮流计算模块以便进行新的潮流断面计算。在DTS和SOTS联合培训的时候，保护处理模块需要与SOTS侧的保护装置进行配合，即仿真站内的继电保护装置动作结果由SOTS给出，仿真站外的保护装置动作结果仍然由DTS的保护处理模块自行判断。最终的保护装置动作结果由事件处理模块协调决定。
2.5联合故障仿真的事件流程
2.5.1正常状态下的仿真流程
正常状态系指电网无故障的状态。这时的仿真流程根据触发方式的不同可以分为2种情况：固定周期的时钟激活方式和随机时间的事件触发方式。
时钟激活方式是指：DTS侧的时钟模块按照设定的时钟周期（一般为5s，可调）定时激活潮流计算模块进行电力系统潮流计算，并把计算结果通过网络接口发送给SOTS，供SOTS刷新盘台的表计（有功、无功、电流、电压）显示。
图3为时钟激活方式下有关模块之间的协作图。图中数字编号表示事件执行顺序，下图同。[1][2][3]下一页

来源：中国电力资料网