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北极星电力网技术频道 作者:周羽生1，苏建成2，唐忠1，周有庆3 2009/5/18 14:21:59
摘 要: 本文采用模块化、开放式系统设计思想，从整体上设计了一个具有物理与数字仿真相结合的适合于教学培训、科研实验的变电站综合自动化仿真系统的实现方案。一方面，利用物理仿真，实现运行监控人机界面、继电保护与控制、RTU和通信通道等环节的实时物理动态过程仿真；另一方面，采用教学培训功能模块，取时间段上变电站实际运行数据及设置故障数据，模拟变电站动态运行、事故再现与分析，实现数字仿真。
关键词: 变电站自动化; 系统仿真; Lonworks网络通信
1引言
近几年来，无人值班变电站发展迅速，变电站改造和新建变电站正朝着集保护、测量、控制和遥测、遥控、遥信、遥调于一体的综合自动化方向发展，大大提高了电网的安全运行与管理水平。然而新的技术给变电运行、维护、检修技术人员及学生带来一个斩新的课题,为适应新技术的发展，改善教学手段，满足教学与培训的需要，建立一个能模拟实际变电站运行，便于运行、维护、检修人员及学生模拟现场操作的仿真系统迫在眉睫。本文采用模块化、开放式系统设计思想，从整体上设计了一个具有物理与数字仿真相结合的适合于教学培训、科研实验特色的变电站综合自动化仿真系统的实现方案，设计了该自动化仿真系统的结构、功能及模拟变电站开关电器，使之既具有变电站实际运行物理过程的真实感，又具有数字仿真的灵活性，实现了变电站运行状态、继电保护、信号、事故响应的仿真。
2数字仿真方案
为了克服物理仿真难以仿真变电站各种运行状态、故障处理措施及事件操作方法，本系统将数字仿真与物理仿真相结合，由数据管理机建立变电站某一时间段上的运行数据或故障、事件操作数据，生成仿真数据库，通过Lonworks网络与操作系统、变电站微机保护测控系统进行通信，随机调用某一事件操作或设置故障，由模拟变电站开关电器模拟动作，监控主机进行实时显示，仿真变电站的各种运行工况、故障处理及事件操作，其结构原理图如图1所示。
2.1数据库结构
数据库由变电站运行动态数据、倒闸操作、故障处理各子系统组成。把数据库看成是各子系统之间的数据交流的公共场所，从系统整体角度看，把数据库与应用程序结合在一起，为系统级面向对象的设计思想；从系统运行角度看，数据库将各子系统相互隔离，使之可以同时运行，也可独立运行，其任务调度可以穿叉于各个子系统之间，有利于避免可能的数据冲突；从开发角度看，将一个系统解耦成尽可能独立的几部分，不同类型应用数据之间的相互隔离，有利于避免错误传输。
2.2数据库管理系统
由于仿真变电站的实时性要求，在系统运行期间，数据库是装在共享内存中的，由应用程序发出请求，数据库管理系统负责将相应的数据从文件中装入共享内存，以及将内存中内容存回文件中。
2.3数据库维护系统
数据库维护系统负责数据库的修改、扩冲，写入文件的永久保存。该系统设有密码，允许权限操作。
2.4人机系统
人机系统设计采用功能分层次、菜单式结构，其优点是使每个层次的任务较为单一，易于开发、扩展和运行操作；使系统数据交流较为简单，易于控制。其流程图如图2所示。
2.5网络通信
数字仿真系统各机之间的网络通信采用Lonworks网络通信，数据库系统利用网络管理程序进行数据交流，应用程序面向数据库，数据库面向网络管理程序，网络管理程序负责网络数据收发，其原理如图3所示。
2.6进程管理
数字仿真系统的功能是靠进程的协调运行来实现的，进程分前台和后台两类，前台进程由操作员通过菜单起动，执行完必要功能后即退出运行；后台进程为系统中的其他模块提供公共服务，并可持续监视系统变化。
进程管理要做到：
（1）保证数字仿真系统各任务能按事先设计的顺序周期正常启动，休眠和停止，各任务的执行不发生冲突。
（2）能随时响应操作员发出的命令，改变进程的执行，并且可以随时恢复进程或再启动。
（3）可随时监视后台进程，在系统故障时，能可靠地中断前台进程。
3物理模拟的实现
物理仿真主要由模拟变电站、继电保护仿真信号调试仪、变电站微机保护与测控系统、变电站监控主机、Lonworks现场通信总线组成。通过模拟变电站或微机保护信号调试仪给微机保护与测控系统实际施加电流、电压信号，由综合自动化系统设置参数，测控系统进行测量，通过Lonworks网络通信，变电站监控主机进行监控，模拟开关电器仿真动作，实现保护、测量、控制和遥测、遥信、遥调和遥控功能，仿真变电站物理动态过程。
3.1软件模块
软件设计采用功能模块化结构，便于操作投切。
（1）监控功能模块
监控软件主要是为了调试和操作方便而设计，该软件主要包括键盘功能软件，数码层式菜单显示功能及各种调试功能。
（2）自检软件功能模块
本装置采用实际变电站综合自动化装置，为了提高装置本身的可靠性，减小错误，自检功能必不可少，该自检程序能够将CPU板上的故障定位到主芯片上，通过双口RAM交流信息数据，两个CPU能够很好地互检，使两个CPU都能够工作在正常状态，对于其余插件，自检程序能够保证插件出错时，及时检查出来，同时，该自检软件能够很好地将外部CT、PT断线故障迅速检查出来，闭锁保护程序，防止装置误出口，并发出报警信号。
（3）防偷跳功能模块
在电力系统中，由于各种意外干扰，可能使断路器在并没有任何信号驱动下，自行跳闸，在此种情况下，本软件能够迅速查出，并快速重合断路器，以维护电力系统的运行稳定性。
（4）通信功能模块
本装置的单元机既能独立工作，又能和上位机通信，组成变电站集中监控系统，其通信软件采用Lonworks技术，既能向上位机传送数据，又能够接收上位机的命令，修改定值及各种保护功能，实现远方修改保护性能和四遥功能。
（5）电压和功率因数自动调整功能模块
监视变电站给定母线电压和变压器的有功、无功功率，使它们在给定的范围变化，实现电容器投切和主变分接头的最优控制。
（6）小电流接地系统自动寻线功能模块
在35 kV变电站，大多采用中性点不接地或中性点经消弧线圈接地，当发生单相接地故障时该软件能迅速查出并发出告警信号。
（7）保护功能模块
在系统发生短路故障时，本装置能快速反应故障，跳开断路器，从而使故障元件不再进一步受到损害，为了可靠地判断故障，并作用于出口跳闸，装置中设计了线路保护、变压器保护，其功能既能现场手动投切，也能通过远程通信自动投切。
（8）重合闸功能模块
在系统发生瞬时性故障后，为了保证电力系统的稳定性，必须在断路器跳开、待瞬时故障消失、保护出口延时一段时间后，即起动合闸功能自动合闸，如果合闸于永久线路故障上，该软件能迅速发出信号，使断路器后加速跳闸且不再重合。用户可根据需要，灵活使用选择设置或投切。
（9）录波功能模块
电力系统发生故障后，人们为了了解故障的原因及经过，常常希望观看故障前后电流、电压波形图，因此本装置也设计了故障录波软件。
（10）微机测量功能模块
由于测量计算精度要求较保护计算精度高，因此本装置设置了测量功能软件，其测量点配置可由用户灵活配置。
（11）低频减载功能模块
该功能模块能根据频率的变化动作于断路器，并由动作时延有选择性地按负荷类型切断负荷，界面使用方便灵活。
（12）操作票管理功能模块
对于无人值守变电站，倒闸操作智能控制，本系统可根据所指定的操作对象，自动形成操作闭锁条件，生成相应操作票，监视每个操作过程，如不符合五防闭锁措施立刻报警，并提示正确的操作顺序与对象。
（13）备用电源自投功能模块
当某侧电源进线三相电压均小于25%额定值，且另一侧进线三相电压均正常时，经延时后对失压进线发跳命令（若进线设失压保护则可不投入），待进线开关跳开后，再发分段开关合闸命令，并启动后加速回路记忆1 s，在该时间段若出现过流则无延时跳开分段开关。
3.2模拟开关电器
为了模拟断路器的动作、开关量的输入、输出回路，使系统报警信号实现仿真，对变电站开关电器进行模拟，用简单的低压接触开关代替隔离开关，采用接触器的常开与常闭两个辅助触点来模拟断路器的动作。该电路板组装在集装屏柜的面板上。原理如图4所示：
4仿真系统的硬件配置
综合自动化系统硬件结构采用分层（布）式集中组屏方式，既可减小占地空间，又可减少屏柜数量，节约投资。
4.1系统配置
（1）主控机及仿真数据管理机（PⅣ、
（2）LON-3000系列变电站微机保护测控系统装置一套（共14件），八个线路保护机箱，二个差动保护机箱。四个主变后备保护机箱。
（3）继电保护调试仪一套。
（4）测控屏一件。
（5）智能通讯卡。
（6）计算机操作台。
4.2系统结构图
系统硬件结构采用分层（布）式集中组屏方式，如图5所示。
5结语
本系统采用数字仿真与物理仿真相结合，使之既具有变电站实际运行物理过程的真实感，便于学生、学员熟习变电站自动化设备，掌握自动化设备的运行与维护技术；又具有数字仿真的灵活性，易于仿真变电站各种运行状态、故障处理与事件操作，便于随机出题，对学生、学员进行培训与考核工作。
6参考文献
1黄益庄.变电站综合自动化技术.北京：中国电力出版社，2000
2阳宪惠，徐用懋，魏庆福.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，1999
3扬宝民，朱一宁.分布式虚拟现实技术及其应用.北京：科学出版社，2000
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