一种分布式区域电网变电站三维仿真培训系统的制作方法

专利名称：一种分布式区域电网变电站三维仿真培训系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电数字数据处理领域，尤其涉及一种用于变配电系统的三维仿真培训 系统。
背景技术：
为保证电网安全、可靠、经济地运行，就必须提高电网运行人员(包括电网调度 员、变电站运行人员)、继电保护人员、自动化人员、预防性试验人员、设备检修人员的技术 素质和技能水平，加强对电网生产人员的培训和反事故演习，提高对电网的驾驭能力，有效 防范灾难性大停电事故的发生。
公开日为2005年5月25日，公开号为CN 1619568A的中国发明专利申请，公开 了一种“地区电网三级联合仿真培训系统”；
公开日为2006年12月20日，公开号为CN 1881202A的中国发明专利申请，公开了一种“高压交直流输电培训仿真系统及其仿真方 法”。上述技术方案的思路基本上是采用计算机硬件系统，构成一个由工作站/服务器、监 控计算机和培训计算机构成的局域网络，加上相应的电气部件(如断路器/隔离开关设备、 接地设备、辅助电源、冷却设备等)的电气运行特性功能仿真模块、连接控制和保护逻辑控 制仿真模块和开关运行状态以及操作动作记录数据库，构成一套仿真培训系统，并且应用 于电气运行人员的操作训练。从某种意义上来看，上述技术方案是一种基于图上作业(或称之为白板画图)的 操作/执行结果自动评判系统。在变电站仿真培训时，要求强调正确反映变电站与电网的相互作用和影响，特别 是对于在电网中起重要作用的500kV变电站和220kV枢纽变电站，要求变电站运行人员建 立电网的概念和全局观念，以保证电力生产运行的安全，现有的仿真培训系统显然无法满 足这个需求。另外，现有变电站仿真培训系统在人机界面上基本都是基于图上作业的二维图形 方式，部分虚拟现实仿真技术主要局限于一次设备现场；在体系结构上，大多为集中式系 统，即使有个别系统采用了分布式体系结构，也是采用网络通信同步数据库的方法来保持 不同结点上数据的一致性，没有很好地解决分布式环境下的数据交互问题，数据通信量很 大，难以满足远程培训的要求。所以，现有的变电站仿真培训系统只能设置在一个具体的局部区域或地点，与整 个电网的实际拓扑结构和分布式布局(各变电站是分别设置在不同的地区)并不相匹配， 无法满足构建既能进行远程培训，又能进行就地培训的仿真培训系统的实际要求。

发明内容
本发明提供一种区域电网变电站三维仿真培训系统，采用分布式广域网的硬件拓 扑结构和分布式仿真通信中间件技术，具有较小的网络通讯数据流量，将变电站综合自动 化仿真软件、变电站仿真软件和电网仿真软件有机地结合，构成适合远程培训的、一体化仿真培训系统；在变电站一次设备仿真中，采用三维图形展示一次设备外观及设备之间的空 间布局，构建变电站一次设备三维虚拟场景；在变电站二次设备及自动化设备仿真中，采用 组件化三维仿真方法，将保护设备及自动化设备设计成一个个独立的三维组件，组装继保 室和主控室，构成变电站二次设备虚拟场景；一、二次设备三维虚拟场景组成变电站三维虚 拟场景，实现整个变电站设备的三维再现，完善了变电仿真培训功能。本发明的技术方案是提供一种分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，包括 集中培训教室和分布于其它地点的至少一个变电站培训教室，其特征是在集中培训教室 设置包括远程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机组成的第一仿真培训局域 网；在变电站培训教室设置一套包括教员机、变电站仿真服务器和学员机组成的第二仿真 培训局域网。所述的第一、第二仿真培训局域网之间，经过企业网/广域网等公共网络资源进 行连接，构成一个既能进行远程联合仿真培训、又能进行就地培训的网络培训系统。所述集中培训教室中的教员机和学员机发出的操作和控制命令，首先发送到远程 培训服务器进行处理，然后由远程培训服务器通过通信中间件把数据发送到变电站培训教 室中的变电站仿真服务器。所述变电站培训教室中的变电站仿真服务器接收变电站培训教室中学员机的操 作命令和远程培训服务器转发的操作命令及潮流数据，经过处理后把变电站设备状态信息 发送到远程培训服务器，实现电网变电站远程联合仿真培训。所述的三维仿真培训系统采用分布式仿真通信中间件作为分布式应用的基础，远 程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机上都部署有通信中间件，通信数据首先 发送给通信中间件，通信中间件根据数据的定购关系找到订购者，然后把数据发送到订购 者所在的计算机，订购者通过通信中间件接口获得数据。所述的通信中间件提供通用的通信和管理服务，实现数据交互的发布/订购机 制，有效地减少了网络上的数据流量，将分布在不同地点的仿真应用有机结合起来，构成分 布式远程联合仿真培训系统。其中，所述的远程培训服务器，包括电网仿真软件和实时数据库；电网仿真软件实 现电力系统潮流计算和继电保护及自动装置的仿真，它通过通信中间件接口接收培训操作 命令，由潮流计算模块、继电保护仿真模块把培训操作命令信息转变成输电系统的扰动信 息然后进行模拟计算，计算结果写入实时数据库并发送给变电站仿真服务器、教员机和学 员机。实时数据库用于存储由教员机和学员机发出培训操作命令信息以及由电网仿真软件 和变电站仿真软件产生的潮流数据、设备状态数据、保护动作信息等仿真数据。所述的教员机包括教员系统软件；教员系统软件用来控制仿真系统运行、设置故 障和操作、监视和维护系统运行状态、组织和管理仿真数据、编制和下发教案。所述的变电站仿真服务器包括变电站仿真软件；变电站仿真软件接收电网仿真 软件的潮流计算结果，以及来自教员机、学员机的操作控制命令，模拟变电站内控制系统设 备、量测系统设备、继电保护及自动装置、交直流系统设备的动作和行为，把设备的状态量、 仿真数据发送到教员机和学员机进行显示，同时上传给电网仿真软件进行处理和写入实时 库。所述的学员机，包括监控仿真软件、变电站一次设备仿真软件、变电站二次设备仿真软件；监控仿真软件模拟变电站综合自动化系统的功能，包括遥控、遥调、遥信、遥测、曲 线、报表的显示及处理；变电站一次设备仿真软件和变电站二次设备仿真软件分别用三维 图形模拟变电站一二次设备的外观、空间布局、状态及动作行为，构建三维变电站虚拟场
景ο进一步的，所述的分布式仿真通信中间件，包括一个动态库，其封装了一组与应用 无关的通用的通信及管理服务函数，部署在远程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和 学员机上，为仿真应用软件之间的交互提供通用服务；所述的分布式仿真通信中间件至少 包括同步、仿真应用管理、声明管理、时间管理、数据分发管理等服务。所述的仿真应用软件至少包括电网仿真软件、变电站仿真软件、监控仿真软件、变 电站一次设备仿真软件、变电站二次设备仿真软件和变电站综合自动化系统仿真培训软 件；所述的仿真应用软件按照下列步骤通过通信中间件实现相互之间的数据交互步骤1 仿真应用调用仿真应用管理服务，以仿真应用的名称为参数向通信中间 件注册仿真应用，获得仿真应用句柄；步骤2 仿真应用调用时间管理服务，把所采取的时间管理策略通知通信中间件 并得到仿真系统的当前仿真时间；步骤3 仿真应用调用声明管理服务，以仿真应用句柄、类(数据结构)名称、属性 名称、接收/发送约束条件为参数，通知通信中间件仿真应用能够输出的类及约束条件，即 进行数据发布；同样，仿真应用调用声明管理服务向通信中间件声明能够接收的类及约束 条件，即进行数据订购；仿真应用进行发布和订购后，获得类(数据结构)及属性的句柄；步骤4:仿真应用调用时间管理服务向通信中间件请求推进仿真时间，然后等待 通信中间件批准；步骤5 仿真应用调用数据分发管理服务接收通信数据并进行处理；步骤6 仿真应用按照发送数据的类及约束条件构造数据包，调用数据分发管理 服务发送数据，通信中间件根据发送数据的类句柄查找订购者(仿真应用)，再用数据包中 的约束条件与订购者的约束条件进行比较，把数据发送给满足约束条件的订购者；步骤7 如果仿真培训过程没有结束，则继续步骤4 步骤6的循环处理；如果仿 真培训过程结束，则仿真应用调用通信中间件的服务释放类句柄、属性句柄、取消时间管理 策略、取消仿真应用句柄，然后退出运行。具体的，所述的变电站一次设备仿真软件，采用三维图形展示变电站一次设备外 观及设备之间的空间布局，构建了变电站一次设备三维虚拟场景；变电站一次设备仿真软 件与变电站仿真软件连接，接收设备状态和动作信息，用三维图形显示变电站一次设备正 常、异常、事故状态及其动作过程。所述的变电站二次设备仿真软件，采用三维图形生成变电站二次设备虚拟装置组 件，利用装置组件组装二次设备虚拟屏盘，按照仿真变电站主控室、继保室的实际设备及布 置选取虚拟装置和虚拟屏盘搭建变电站虚拟主控室和继保室，实现变电站二次设备场景的 再现；变电站二次设备仿真软件与变电站仿真软件连接，接收设备状态和动作信息，用三维 图形显示变电站控制及保护设备正常、异常、事故状态的现象。所述的变电站一次设备仿真软件和变电站二次设备仿真软件分别实现变电站一 次设备的三维再现和主控制室、继电保护小室的三维再现，共同构成完整的变电站三维虚拟场景；学员可以通过键盘在虚拟场景中巡视和漫游，用鼠标对虚拟设备进行检查和操作； 学员在三维虚拟场景中按照现场点检卡的模式和内容进行一、二次设备的巡视检查，按照 规范化的处理流程进行缺陷处理及汇报；学员所做全部检查、操作及处理都自动记录，便于 教员评价。更进一步的，所述的变电站一次设备仿真软件、变电站二次设备仿真软件、监控仿 真软件可以运行于同一台学员计算机上。所述的电网仿真软件、数据库、教员系统软件可以运行于同一台教员计算机上，在 就地培训时采用这种运行模式。所述的仿真培训系统应用于基于企业网/广域网的变电站操作技术的远程培训、 就地培训或远程联合反事故演习。与现有技术比较，本发明的优点是1.将分布式广域网的硬件拓扑结构和分布式仿真通信中间件技术应用于仿真培 训系统，减少了网络通讯数据流量，与整个电网的实际拓扑结构和分布式布局相匹配，满足 了同时进行远程培训和就地培训的实际培训需要；2.采用全三维方式再现整个变电站虚拟场景，更加逼真和符合实际操作环境，有 助于迅速提高受训者的实际操作水平和操作能力；3.同时对电网、变电站和变电站综合自动化系统进行仿真操作培训，可以正确反 映变电站、综合自动化系统和电网的相互作用、相互影响，提高了整个仿真培训系统的真实 性和正确性。


图1是本发明的系统硬件结构示意图；图2是本发明的系统软件结构示意图；图3是实施例的网络部署图；图4是实施例的软件结构图；图5是电网仿真软件结构图；图6是变电站仿真软件结构图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。图1中，本分布式区域电网变电站三维仿真培训系统包括集中培训教室和分布于 其他地点的至少一个变电站培训教室，在集中培训教室设置有包括远程培训服务器、教员 机、数台就地学员机组成的第一仿真培训局域网，其在变电站设置一套包括教员机、数台远 方学员机组成的第二仿真培训局域网；第一、第二仿真培训局域网之间，经交换机、防火墙、 路由器以及企业网/广域网连接和进行数据通讯。本系统在网络结构上采用以太网组网，通信采用TCP/IP协议，硬件采用商用微 机，安装Windows XP操作系统，开发软件采用VC和Fortran，系统应用分布采用教员远程配 置的方式，使得系统扩充升级方便，便于学习使用。其中，教员台由三台微机组成，其中两台作为一组部署在集中培训教室中，用于集中培训时互相配合制作教案并存档数据，以及与其他计算机同步；另一台教员部署在变电 站培训教室中，变电站内就地培训时使用，集中培训教员台制作教案后，可以将教案下发到 远方教员(变电站培训室教员)，远方教员直接发送相应的教案进行培训。同时，教员台计 算机还可以对学员进行监视、控制和收卷评价等。学员台分为就地学员台和远方学员台，用于变电站仿真、巡视培训培训、变电站正 常操作及事故处理培训、操作票图形开票培训等；每个学员台包括2台学员机，一台运行变 电站仿真软件、监控仿真软件、变电站二次设备仿真软件，一台运行变电站一次设备仿真软 件，而且变电站仿真服务器与学员机共有一台计算机，在图1中不再单独标出变电站仿真 服务器。图2中，本三维仿真培训系统采用分布式仿真通信中间件作为分布式应用的基 础，在每个仿真应用的主机都设置有通信接口，为仿真应用之间的交互提供通用服务，各个 仿真应用软件直接利用通信中间件进行通信，通过通信中间件将各仿真应用软件粘合起 来，形成一个整体，构成分布式仿真培训系统。本三维仿真培训系统采用分布式仿真通信中间件作为分布式应用的基础，远程培 训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机上都部署有通信中间件，通信数据首先发送 给通信中间件，通信中间件根据数据的定购关系找到订购者，然后把数据发送到订购者所 在的计算机，订购者通过通信中间件接口获得数据；所述的通信中间件提供通用的通信和管理服务，实现数据交互的发布/订购机 制，有效地减少了网络上的数据流量，将分布在不同地点的仿真应用有机结合起来，构成分 布式远程联合仿真培训系统。具体的，分布式仿真通信中间件，包括一个动态库，其封装了一组与应用无关的通 用的通信及管理服务函数，部署在远程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机 上，为仿真应用软件之间的交互提供通用服务；所述的分布式仿真通信中间件至少包括同 步、仿真应用管理、声明管理、时间管理、数据分发管理等服务。所述的仿真应用软件至少包括电网仿真软件、监控仿真软件、变电站一次设备仿 真软件、变电站二次设备仿真软件和变电站综合自动化系统仿真培训软件；所述的仿真应 用软件按照下列步骤通过通信中间件实现相互之间的数据交互步骤1 仿真应用调用仿真应用管理服务，以仿真应用的名称为参数向通信中间 件注册仿真应用，获得仿真应用句柄；步骤2 仿真应用调用时间管理服务，把所采取的时间管理策略通知通信中间件 并得到仿真系统的当前仿真时间；步骤3 仿真应用调用声明管理服务，以仿真应用句柄、类(数据结构)名称、属性 名称、接收/发送约束条件为参数，通知通信中间件仿真应用能够输出的类及约束条件，即 进行数据发布；同样，仿真应用调用声明管理服务向通信中间件声明能够接收的类及约束 条件，即进行数据订购；仿真应用进行发布和订购后，获得类(数据结构)及属性的句柄；步骤4:仿真应用调用时间管理服务向通信中间件请求推进仿真时间，然后等待 通信中间件批准；步骤5 仿真应用调用数据分发管理服务接收通信数据并进行处理；步骤6 仿真应用按照发送数据的类及约束条件构造数据包，调用数据分发管理服务发送数据，通信中间件根据发送数据的类句柄查找订购者(仿真应用)，再用数据包中 的约束条件与订购者的约束条件进行比较，把数据发送给满足约束条件的订购者；步骤7 如果仿真培训过程没有结束，则继续步骤4 步骤6的循环处理；如果仿 真培训过程结束，则仿真应用调用通信中间件的服务释放类句柄、属性句柄、取消时间管理 策略、取消仿真应用句柄，然后退出运行。进一步的，远程培训服务器包括电网仿真软件和实时数据库；电网仿真软件实现 电力系统潮流计算和继电保护及自动装置的仿真，它通过通信中间件接口接收培训操作命 令，由潮流计算模块、继电保护仿真模块把培训操作命令信息转变成输电系统的扰动信息 然后进行模拟计算，计算结果写入实时数据库并发送给变电站仿真服务器、教员机和学员 机。实时数据库用于存储由教员机和学员机发出培训操作命令信息以及由电网仿真软件和 变电站仿真软件产生的潮流数据、设备状态数据、保护动作信息等仿真数据。教员机包括教员系统软件；教员系统软件用来控制仿真系统运行、设置故障和操 作、监视和维护系统运行状态、组织和管理仿真数据、编制和下发教案。变电站仿真服务器包括变电站仿真软件；变电站仿真软件接收电网仿真软件的计 算结果，以及来自教员机、学员机的操作控制命令，模拟变电站内控制系统设备、量测系统 设备、继电保护及自动装置、交直流系统设备的动作和行为，把设备的状态量、仿真数据发 送到教员机和学员机进行显示，同时上传给电网仿真软件进行处理和写入实时库。学员机包括监控仿真软件、变电站一次设备仿真软件、变电站二次设备仿真软件。 监控仿真软件模拟变电站综合自动化系统的功能，包括遥控、遥调、遥信、遥测、曲线、报表 的显示及处理。变电站一次设备仿真软件和变电站二次设备仿真软件分别用三维图形模拟 变电站一二次设备的外观、空间布局、状态及动作行为，构建变电站虚拟场景。前述的分布式仿真通信中间件包括一个动态库，封装了一组与应用无关的通用的 通信及管理服务函数，部署在远程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机上，为 仿真应用软件之间的交互提供通用服务；分布式仿真通信中间件至少包括同步、仿真应用 管理、声明管理、时间管理、数据分发管理等服务。变电站一次设备仿真软件采用三维图形展示变电站一次设备外观及设备之间的 空间布局，构建了变电站一次设备三维虚拟场景；变电站一次设备仿真软件与变电站仿真 软件连接，接收设备状态和动作信息，用三维图形显示变电站一次设备正常、异常、事故状 态及其动作过程。变电站二次设备仿真软件采用三维图形生成变电站二次设备虚拟装置组件，利用 装置组件组装二次设备虚拟屏盘，按照仿真变电站主控室、继保室的实际设备及布置选取 虚拟装置和虚拟屏盘搭建变电站虚拟主控室和继保室，实现变电站二次设备场景的再现； 变电站二次设备仿真软件与变电站仿真软件连接，接收设备状态和动作信息，用三维图形 显示变电站控制及保护设备正常、异常、事故状态的现象。变电站一次设备仿真软件和变电站二次设备仿真软件分别实现变电站一次设备 的三维再现和主控制室、继电保护小室的三维再现，共同构成完整的变电站三维虚拟场景； 学员可以通过键盘在虚拟场景中巡视和漫游，用鼠标对虚拟设备进行检查和操作；学员在 三维虚拟场景中按照现场点检卡的模式和内容进行一、二次设备的巡视检查，按照规范化 的处理流程进行缺陷处理及汇报；学员所做全部检查、操作及处理都自动记录，便于教员评价。二次设备虚拟场景与变电站仿真软件运行于同一台学员机上，一次设备虚拟场景 运行于另一台学员机上；变电站仿真、一次场景、二次场景通过通信中间件连接起来；其电 网仿真给变电站仿真提供电网仿真计算所得的计算结果，开关及保护装置的遥测信息通过 变电站仿真软件来计算和发布，以减少局域网间的数据流量。综上可见，分布式仿真通信中间件ACE (Adaptive Communication Environment) 是本仿真培训系统分布式应用的基础，它为仿真应用软件提供了透明、高效运行管理通信 环境，并为分布式应用软件提供通信框架和通信接口。在仿真系统运行过程中，各个仿真应用软件直接利用通信中间件进行通信， 而不需要关心与哪个应用通信，整个仿真系统内的相互交互任务由ACE服务配置组件 (ACEService Configurator)来完成，这些应用的服务可在安装时或运行时被动态装配。实施实例采用图1的硬件结构和图2的系统软件结构，在位于XX市超高压输变电公司局办 所在地的集中培训室与下属某变电站之间，构建了一套分布式区域电网变电站三维仿真培 训系统，其网络部署如图3所示，其软件结构如图4所示。在该500kV变电站三维仿真培训系统的网络部署方案中，充分考虑了原有网络系 统的硬件配置情况和网络现状，在不影响生产系统和病毒防护的情况下，实现了远程培训 系统的适用性和灵活性。图3中，通过软件权限管理功能，集中培训室教员可以控制和管理集中培训室学 员以及远方变电站培训室内的学员，实现远程培训与就地培训的同时进行，同时，变电站培 训室教员也可以在变电站培训室内进行就地培训，系统实现了分散培训与集中培训相结合 的培训模式。图4中，本仿真培训系统是一套高交互性分布式仿真培训系统，软件系统在总体 上可分为三个部分分布式仿真通信中间件、仿真应用软件、教员系统软件。仿真应用软件由电网仿真软件、变电站仿真软件、变电站一次设备仿真软件、变电 站二次设备仿真软件、变电站综合自动化系统仿真、图形开票系统培训软件等组成。A、分布式仿真通信中间件(ACE)ACE为各个仿真应用之间的交互提供了通用服务，包括同步、仿真应用管理、声明 管理、所用权管理、时间管理、数据分发管理和应用程序接口。ACE使得进程间通信和网络通 信变得更加简单和有效。B、仿真应用软件(1)电网仿真软件电网仿真软件采用暂态、中期、长过程一体化计算方法进行计算，对于详细仿真 变电站，采用电磁暂态建模，使用电磁暂态计算方法进行计算，并输出计算瞬时值，给详细 仿真变电站录波器模块使用，机电暂态模型同时提供外网动态等值数据给电磁暂态计算模 块。另外机电暂态计算还提供整个仿真系统的时间推进。在电网仿真模型中，不但考虑了 电网的动态模型，还详细考虑了变电站模型对电网模型的影响。电网仿真软件还为变电站 仿真和变电站集中监控系统仿真提供服务。该电网仿真软件结构图如图5所示。
(2)变电站仿真软件变电站仿真软件对变电站一二次设备全范围进行了建模仿真，具体包括变电站的 一次系统、控制系统、量测系统、交流系统、直流系统、继电保护与自动装置和综合自动化系 统的详细模型，而且考虑变电站仿真详细模型对电网仿真抽象模型的影响。变电站仿真软件接收电网仿真软件的计算结果，以及来自教员机、学员机的操作 控制命令，模拟变电站内控制系统设备、量测系统设备、继电保护及自动装置、交直流系统 设备的动作和行为，把设备的状态量、仿真数据发送到教员机和学员机进行显示，同时上传 给电网仿真软件进行处理和写入实时库。变电站仿真软件的主要功能有正常操作、设备巡视、事故和异常的模拟、“五防” 屏系统仿真、培训指导和辅助培训等功能。该变电站仿真软件结构图如图6所示。(3)变电站一、二次设备仿真软件变电站一次设备仿真软件采用基于OpenGL的虚拟现实技术，实现了变电站一次 设备的三维重现，形象地反映了设备的正常、异常、事故状态及其动作过程，不但可以对虚 拟场景中的设备巡视、检查、漫游，而且可以进行虚拟操作，提高了系统的真实感、现场感。变电站二次设备采用虚拟仪器技术和虚拟现实技术进行仿真，将变电站的各种二 次设备按照各自的物理特性分别生成各自的三维虚拟设备，将生成的虚拟设备按照仿真变 电站实际主控制室拼装起来，最后形成整个仿真变电站的全三维虚拟主控制室，运行人员 可以根据需要在三维场景中随意进行漫游，巡视，操作。变电站一、二次设备三维仿真软件再现了整个变电站虚拟场景，学员可以在仿真 系统上进行巡视和虚拟操作，并根据现场点检卡的模式和内容进行相关一、二次设备的巡 视检查，对于不同的缺陷，进行缺陷汇报、处理的培训，学员所做的全部操作都自动记录，便 于教员评价。软件设计和开发采用基于仿真对象原理的组件建模技术，将变电站的一二次设备 制作成一个个可以复用的三维组件，形成虚拟设备组件库，用户可以根据实际需要进行组 装变电站。(4)变电站综合自动化仿真系统变电站综合自动化系统是变电运行人员进行日常监视和操作处理的工作平台，变 电站综合自动化仿真系统为变电学员提供了一个能够覆盖全部工作范畴的虚拟监控环境。变电站综合自动化仿真系统通过分布式仿真通信中间件ACE接口实现模块间的 互联，同时接收电网仿真模块的计算结果和详细仿真变电站的信息作为数据源，驱动综合 自动化仿真系统的运行。(5)操作票开票系统培训软件操作票开票培训系统采用全图形操作开票方式，通过鼠标点击需要操作的设备自 动生产操作票项语句，并且按照实际生产的票样生成操作票；开票系统内部包含了“五防” 检查模块，能根据设备的状态自动判断是否满足“五防”规则。开票培训时，教员可以取消 “五防”检查功能，增加开票的难度，加深培训效果。C、教员系统软件教员系统软件包括学员机控制模块和培训进程控制模块。
12
变电站培训室学员 机(二次设备仿真)
变电站培训室学员 机(一次设备仿真)
集中培训室学员机 (二次设备仿真)
集中培训室学员机 (一次设备仿真)
118.2
435.5 431.3
15.1 0.257 435.8
431.6 14.1 0.207
13.9
427.8
426.7 0.133 0.073
429.9
428.8 0.123 0.063
39.9 432.5 431.8 0.381 0.077 432.1 431.3 0.371 0.067 发生母线故障后，持续两分钟的网络流量如下表学员机控制模块提供教员控制学员计算机的手段，其主要功能包括系统配置管 理、系统软件版本管理、角色管理、培训结果管理、分布式工况发布、系统对时、系统锁定、系 统启停机等。培训进程控制模块提供控制仿真系统运行、监视学员操作和评估学员操作过程的 手段。主要包括教员控制台、培训进程控制、培训过程的动态跟踪、培训评估等。实际应用效果系统开发完成后对远程培训功能进行了测试，测试环境为集中培训室与变电站培 训室进行远程联合仿真培训。网络连接方案为将集中培训教室内的第一培训局域网通过 路由器连接到电力公司公共信息网，变电站培训室内的第二培训局域网通过电力猫(2M) 与电力公司公共信息网相连。在集中培训室启动电网仿真软件和一个变电站仿真软件及其 一、二次设备仿真软件，在变电站培训室运行一个变电站仿真软件及其一、二次设备仿真软 件，变电站仿真软件、电网仿真软件通过通信中间件相连，进行远程联合仿真培训。采用NetMeter3. 0软件进行网络流量监测，系统启动后持续两分钟时的网络流量 如下所示
平均值 (KB/S)
37.9
计算机 远程培训服务器
方向上传
最大值 (KB/S)
121.1
最小值 (KB/S)
13.8
下传上传下传上传下#上#下#上#下贞14 14.2 91.5
203.8 0.133 0.073 251.7
305.9 0.073
平均值 (KB/S)
43.9 47.1 383.5 381.8 6.9 0.236
404.7
408.8 6.1
计算机
远程培训服务器
变电站培训室学员 机(二次设备仿真)
变电站培训室学员 机(一次设备仿真)
集中培训室学员机 (二次设备仿真)
集中培训室学员机 (一次设备仿真)‘ 0.991 0.073 0.201
传从以上数据可以看出，远程联合仿真培训时，网络上数据流量一般不会超过 500KB/S(根据变电站的规模稍有变化)，在发生故障时，网络流量峰值只是较正常值稍微 偏大一点，而网络平均流量较正常值还有一定的下降，这是由于正常时，网络上主要是传输 的电网机电暂态计算潮流状态的变化，而故障时，由于故障过程中，变电站仿真只需要知道 故障瞬间的值，在故障过程中学员不需要看到故障时电网潮流的快速变化过程，可以不传 输故障中的潮流变化，因此网络平均流量反而减少，这种方式可以省出更多的时间来处理 保护装置的动作状态信息变化。本技术方案全面仿真了申请人所属电网公司的500kV电网输变电运行的主要环 节，实现了 500kV变电站的分布式三维仿真培训，可以正确反映变电站、综合自动化系统和 电网的相互作用、相互影响，提高了整个仿真培训系统的真实性和正确性。本仿真系统可以通过教员控制台控制多个学员台同时进行相同或不同内容的培 训，可以满足规模培训与技能鉴定的要求。本仿真系统是一个新型开放的可分布于各地的系统，在变电站人机交互上采用虚 拟现实技术，实现了三维变电站仿真，操作方便，形象生动，学员可以在三维场景中巡视检 查和虚拟操作。本发明可广泛用于变配电系统的培训领域。
方向上传下传上传下传上传下传上传下传上传
权利要求
一种分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，包括集中培训教室和分布于其它地点的至少一个变电站培训教室，其特征在于在集中培训教室设置包括远程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机组成的第一仿真培训局域网；在变电站培训教室设置一套包括教员机、变电站仿真服务器和学员机组成的第二仿真培训局域网；所述的第一、第二仿真培训局域网之间，经过企业网/广域网等公共网络资源进行连接，构成一个既能进行远程联合仿真培训、又能进行就地培训的网络培训系统；所述集中培训教室中的教员机和学员机发出的操作和控制命令，首先发送到远程培训服务器进行处理，然后由远程培训服务器通过通信中间件把数据发送到变电站培训教室中的变电站仿真服务器；所述变电站培训教室中的变电站仿真服务器接收变电站培训教室中学员机的操作命令和远程培训服务器转发的操作命令及潮流数据，经过处理后把变电站设备状态信息发送到远程培训服务器，实现电网变电站远程联合仿真培训；所述的三维仿真培训系统采用分布式仿真通信中间件作为分布式应用的基础，远程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机上都部署有通信中间件，通信数据首先发送给通信中间件，通信中间件根据数据的定购关系找到订购者，然后把数据发送到订购者所在的计算机，订购者通过通信中间件接口获得数据；所述的通信中间件提供通用的通信和管理服务，实现数据交互的发布/订购机制，有效地减少了网络上的数据流量，将分布在不同地点的仿真应用有机结合起来，构成分布式远程联合仿真培训系统。
2.按照权利要求1所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征在于所述 的远程培训服务器，包括电网仿真软件和实时数据库；所述的电网仿真软件实现电力系统 潮流计算和继电保护及自动装置的仿真，它通过通信中间件接口接收培训操作命令，由潮 流计算模块、继电保护仿真模块把培训操作命令信息转变成输电系统的扰动信息然后进行 模拟计算，计算结果写入实时数据库并发送给变电站仿真服务器、教员机和学员机；所述的 实时数据库用于存储由教员机和学员机发出培训操作命令信息以及由电网仿真软件和变 电站仿真软件产生的潮流数据、设备状态数据、保护动作信息等仿真数据；所述的教员机包括教员系统软件；教员系统软件用来控制仿真系统运行、设置故障和 操作、监视和维护系统运行状态、组织和管理仿真数据、编制和下发教案；所述的变电站仿真服务器包括变电站仿真软件；变电站仿真软件接收电网仿真软件的 潮流计算结果，以及来自教员机、学员机的操作控制命令，模拟变电站内控制系统设备、量 测系统设备、继电保护及自动装置、交直流系统设备的动作和行为，把设备的状态量、仿真 数据发送到教员机和学员机进行显示，同时上传给电网仿真软件进行处理和写入实时库；所述的学员机，包括监控仿真软件、变电站一次设备仿真软件、变电站二次设备仿真软 件；监控仿真软件模拟变电站综合自动化系统的功能，包括遥控、遥调、遥信、遥测、曲线、报 表的显示及处理；变电站一次设备仿真软件和变电站二次设备仿真软件分别用三维图形模 拟变电站一二次设备的外观、空间布局、状态及动作行为，构建三维变电站虚拟场景。
3.按照权利要求1所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征在于所述 的分布式仿真通信中间件，包括一个动态库，其封装了一组与应用无关的通用的通信及管理服务函数，部署在远程培训服务器、教员机、变电站仿真服务器和学员机上，为仿真应用 软件之间的交互提供通用服务；所述的分布式仿真通信中间件至少包括同步、仿真应用管 理、声明管理、时间管理、数据分发管理等服务。
4.按照权利要求1所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征在于所述 的仿真应用软件至少包括电网仿真软件、变电站仿真软件、监控仿真软件、变电站一次设备 仿真软件、变电站二次设备仿真软件和变电站综合自动化系统仿真培训软件；所述的仿真 应用软件按照下列步骤通过通信中间件实现相互之间的数据交互步骤1 仿真应用调用仿真应用管理服务，以仿真应用的名称为参数向通信中间件注 册仿真应用，获得仿真应用句柄；步骤2 仿真应用调用时间管理服务，把所采取的时间管理策略通知通信中间件并得 到仿真系统的当前仿真时间；步骤3 仿真应用调用声明管理服务，以仿真应用句柄、类(数据结构)名称、属性名 称、接收/发送约束条件为参数，通知通信中间件仿真应用能够输出的类及约束条件，即进 行数据发布；同样，仿真应用调用声明管理服务向通信中间件声明能够接收的类及约束条 件，即进行数据订购；仿真应用进行发布和订购后，获得类(数据结构)及属性的句柄；步骤4:仿真应用调用时间管理服务向通信中间件请求推进仿真时间，然后等待通信 中间件批准；步骤5 仿真应用调用数据分发管理服务接收通信数据并进行处理；步骤6:仿真应用按照发送数据的类及约束条件构造数据包，调用数据分发管理服务 发送数据，通信中间件根据发送数据的类句柄查找订购者(仿真应用)，再用数据包中的约 束条件与订购者的约束条件进行比较，把数据发送给满足约束条件的订购者；步骤7 如果仿真培训过程没有结束，则继续步骤4 步骤6的循环处理；如果仿真 培训过程结束，则仿真应用调用通信中间件的服务释放类句柄、属性句柄、取消时间管理策 略、取消仿真应用句柄，然后退出运行。
5.按照权利要求2或4所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征在于 所述的变电站一次设备仿真软件，采用三维图形展示变电站一次设备外观及设备之间的空 间布局，构建了变电站一次设备三维虚拟场景；变电站一次设备仿真软件与变电站仿真软 件连接，接收设备状态和动作信息，用三维图形显示变电站一次设备正常、异常、事故状态 及其动作过程。
6.按照权利要求2或4所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征在于 所述的变电站二次设备仿真软件，采用三维图形生成变电站二次设备虚拟装置组件，利用 装置组件组装二次设备虚拟屏盘，按照仿真变电站主控室、继保室的实际设备及布置选取 虚拟装置和虚拟屏盘搭建变电站虚拟主控室和继保室，实现变电站二次设备场景的再现； 变电站二次设备仿真软件与变电站仿真软件连接，接收设备状态和动作信息，用三维图形 显示变电站控制及保护设备正常、异常、事故状态的现象。
7.按照权利要求2、4、5或6所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征 在于所述的变电站一次设备仿真软件和变电站二次设备仿真软件分别实现变电站一次设 备的三维再现和主控制室、继电保护小室的三维再现，共同构成完整的变电站三维虚拟场 景；学员通过键盘在虚拟场景中巡视和漫游，用鼠标对虚拟设备进行检查和操作；学员在三维虚拟场景中按照现场点检卡的模式和内容进行一、二次设备的巡视检查，按照规范化 的处理流程进行缺陷处理及汇报；学员所做全部检查、操作及处理都自动记录，便于教员评 价。
8.按照权利要求2、4、5或6所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征 在于所述的变电站一次设备仿真软件、变电站二次设备仿真软件、监控仿真软件可以运行 于同一台学员计算机上。
9.按照权利要求1所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征在于所述 的电网仿真软件、数据库、教员系统软件可以运行于同一台教员计算机上，在就地培训时采 用这种运行模式。
10.照权利要求1所述的分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，其特征在于所述 的仿真培训系统应用于基于企业网/广域网的变电站操作技术的远程培训、就地培训或远 程联合反事故演习。全文摘要
一种分布式区域电网变电站三维仿真培训系统，属数据处理领域。包括集中培训教室和位于其他地点的变电站，在集中培训教室设置第一仿真培训局域网，其在变电站设置第二仿真培训局域网；第一、第二仿真培训局域网之间经过企业网/广域网等公共网络资源进行连接，构成一个既能进行远程联合仿真培训、又能进行就地培训的网络培训系统；其采用分布式仿真通信中间件作为分布式应用的基础，在每个仿真应用的主机都部署有通信中间件，通信中间件提供通用的通信和管理服务，实现数据交互的发布/订购机制，有效地减少了网络上的数据流量，将分布在不同地点的仿真应用有机结合起来，构成分布式远程联合仿真培训系统。可广泛用于变配电系统的技能培训领域。
文档编号G09B9/00GK101894488SQ20101023585
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者余波, 冯可, 庄建, 张辉, 徐正清, 李志义, 李炼, 林尉, 梁厚军, 沈勇, 车平, 陈宁, 陈敏 申请人:上海市电力公司超高压输变电公司;北京科东电力控制系统有限责任公司