一种智能变电站混合仿真培训系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能变电站混合仿真培训系统，属于培训教学用的系统。本发明的系统包括电网数字仿真系统、一次设备模拟装置和智能变电站的二次设备；电网数字仿真系统包括电网实时仿真服务器、教员机和I/O接口；一次设备模拟装置包括电子式互感器模拟装置、低压开关模拟装置、断路器模拟装置和刀闸模拟装置；电网数字仿真系统与一次设备模拟装置相连接，一次设备模拟装置与二次设备之间相连。本发明是针对智能电网的专业培训建立的综合培训平台，可以实现变电站运维人员的全范围、全过程、全场景的仿真培训；本发明在网络结构和硬件配置上都遵循开放性原则，使得系统的可扩充性和可维护性强；在网络的配置和功能上具有适度超前性，满足进一步开发和培训的需要，为以后的功能升级奠定了良好的基础。
【专利说明】一种智能变电站混合仿真培训系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于培训的装置。
【背景技术】
[0002]随着智能电网技术的快速发展，电子式互感器、智能高压电气、光纤以态网络和IEC61850标准通信等技术在智能变电站中逐步得到了推广应用。现场运行维护人员对于智能电网的新技术、新设备缺乏了解，大多数运维人员没有掌握智能变电站的运行和检修技术，急需对变电站运维人员进行全面的智能变电站实训。现有面向传统变电站的培训系统远远不能满足智能电网发展的要求，有必要研究开发智能变电站仿真培训系统。
[0003]通常智能变电站是由一次设备和二次设备组成的，图1所示为现有智能变电站的组成结构图。
[0004]一次设备包括系统电源、变压器、母线、输电线路、电子式互感器、低压互感器、低压开关、断路器和刀闸等，二次设备包括合并单元、智能终端、保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置、低压测保一体装置、后台监控系统等，其中保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置以及低压测保一体装置之间通过丽S (manufacturing messagespecification，制造报文规范)网与后台监控系统相连。电子式互感器将电网的一次电流、电压电信号变为二次电流、电压光信号后通过光缆与接入二次设备中的合并单元的输入端，合并单元通过SV (sampled value，采样值)网与保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置相连接；低压互感器将电网的一次电流和电压转换为模拟小信号直接输入到二次设备中的低压测保一体装置，低压测保一体装置通过电缆与一次设备的低压开关相连，低压开关的通过电缆接入电网；
保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置通过GOOSE (面向通用对象的变电站事件)网与智能终端相连；智能终端通过电缆与断路器和刀闸相连，断路器和刀闸通过电缆接入电网。
[0005]现在，并没有一个适用于对智能变电站进行现场培训的仿真系统。对于智能变电站的培训，有一种全数字仿真系统可用，但是该系统虽然可以模拟变电站的正常运行和操作过程，难以仿真系统故障的动态过程；同时由于没有真实设备，不能达到培训维护和检修技能的目的。
[0006]全物理的仿真系统需要使用物理设备模拟实际电网一次系统，可以模拟变电站的正常运行故障状态下的电流电压与真实的二次设备有机结合，但接线方式不灵活、故障不能任意设置、一次设备投资大且后期的升级、维护较困难。
[0007]基于电磁暂态过程的实时计算技术是数字物理混合仿真的核心，也是智能电网研究、分析、测试和培训的重要手段。目前，国内外专家学者已经开始尝试将混合仿真技术应用于智能电网的研究和测试，取得了很好的效果。但由于技术难度大，还仅仅处于研究阶段。而智能变电站混合仿真培训功能更加复杂多样，相比之下难度更大，迄今为止取得突破性进展的机构很少。研究和开发智能变电站混合仿真培训系统，填补该领域的技术空白，具有重大的理论意义和实用价值。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提供一种智能变电站混合仿真培训系统，该系统将电网数字仿真系统、一次设备模拟装置与真实的智能变电站的二次设备置于同一个仿真系统中，各设备之间有机连接、灵活配置、营造了更为逼真的运行环境，可满足变电站运维人员对智能站运行维护的实训需求。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:一种智能变电站混合仿真培训系统，包括电网数字仿真系统、一次设备模拟装置和智能变电站的二次设备；所述电网数字仿真系统包括电网实时仿真服务器、教员机和I/o接口 ；一次设备模拟装置包括电子式互感器模拟装置、低压开关模拟装置、断路器模拟装置和刀闸模拟装置；
所述教员机与电网实时仿真服务器之间相互连接，电网实时仿真服务器通过I/o接口与一次设备模拟装置相连接；
一次设备模拟装置与二次设备之间及二次设备之间按实际智能变电站内的连接方式进行连接；
电网数字仿真系统输出的模拟小信号输入到二次设备中的低压测保一体装置。
[0010]所述一次设备模拟装置中的电子式互感器模拟装置包括与电网实时仿真服务器相连接的互感器模拟板卡和与合并单元相连接的光电转换模块；所述互感器模拟板卡包括依次顺序单向连接的桥芯片、信号处理器、隔离单元和第一驱动单元，所述光电转换模块包括依次顺序单向连接的编码单元、第二驱动单元和转换单元；所述互感器模拟板卡中第一驱动单元的输出端与光电转换模块中编码单元的输入端相连接。
[0011]电网实时仿真服务器与互感器模拟板卡的桥芯片之间单向连接，光电转换模块的转换单元与合并单元之间单向连接。
[0012]所述一次设备组中的电子式互感器模拟装置包括与电网实时仿真服务器相连接的互感器模拟板卡和与合并单元相连接的光电转换模块；所述互感器模拟板卡包括依次顺序连接的桥芯片、信号处理器、隔离单元和第一驱动单元，所述桥芯片的输出端与信号处理器的输入端相连接，所述信号处理器与隔离单元之间双相连接，隔离单元与第一驱动单元之间双向连接；所述光电转换模块包括依次顺序连接的编码单元、第二驱动单元和转换单元，所述编码单元与转换单元、转换单元与第二驱动单元之间均为双向连接；所述互感器模拟板卡的第一驱动单元的与光电转换模块的编码单元之间双向连接。
[0013]电网实时仿真服务器与互感器模拟板卡的桥芯片之间单向连接，光电转换模块的转换单元与合并单元之间双向连接。
[0014]采用上述技术方案取得的技术进步为:
本发明是针对智能电网为继电保护、自动化、变电运行等专业培训建立的综合培训平台，发明将电网数字仿真系统、一次设备模拟装置与真实的智能变电站的二次设备置于同一个仿真系统中，电网数字仿真系统可产生真实电网中的电流、电压等信号，一次设备模拟装置也可真实的模拟实际一次设备的各种功能，系统中各设备之间有机连接、灵活配置、营造了更为逼真的运行环境，可以实现变电站运维人员的全范围、全过程、全场景的仿真培训；本发明在网络结构和硬件配置上都遵循开放性原则，使得系统的可扩充性和可维护性强；在网络的配置和功能上具有适度超前性，可满足进一步开发和培训的需要，为以后的功能升级奠定了良好的基础。
[0015]本发明中开创性的使用了电子式互感器模拟装置，该装置可与真实的电子式互感器得功效相同，不仅可以模拟真实设备的正常运行，还可模拟其异常运行，既减少了购买真实设备的费用，又满足了培训要求，大大降低了建设成本，应用价值极高。该装置的使用使得本发明的系统成本大大减小，使其更加适用于电力部门的培训课程。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为现有智能变电站的结构不意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明电子式互感器模拟装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]由图2所示可知，一种智能变电站混合仿真培训系统，包括电网数字仿真系统、一次设备模拟装置和智能变电站的二次设备；所述电网数字仿真系统包括电网实时仿真服务器、教员机和I/o接口 ；一次设备模拟装置包括电子式互感器模拟装置、低压开关模拟装置、断路器模拟装置和刀闸模拟装置；
所述教员机与电网实时仿真服务器之间相互连接，电网实时仿真服务器通过I/o接口与一次设备模拟装置相连接。
[0018]一次设备模拟装置与二次设备之间及二次设备之间按实际智能变电站内的连接方式进行连接；
电网数字仿真系统输出的模拟小信号输入到二次设备中的低压测保一体装置。
[0019]在实际的智能变电站中，电网是由真实一次设备连接构成，在本发明中电网一次设备中的断路器、刀闸、电子式互感器采用物理模拟装置；电源、负荷、变压器、线路、母线等一次设备均采用数学模型搭建，采用数字模拟，由电网数字仿真系统模拟其运行。电网数字仿真系统包括电网实时仿真服务器、教员机和I/o接口。电网数字仿真系统采用电磁暂态实时仿真技术完整模拟智能变电站一次系统(由一次设备连接而成)的各种运行工况，通过一次设备模拟装置与真实的二次设备有机结合，为真实的二次系统(由二次设备连接而成)提供精准的电流电压的数据源:变电站正常运行时，电网数字仿真系统为二次系统提供正常负荷；变电站内某处故障时，为二次系统提供所需的故障电流、电压，相应的保护动作、考核保护的配合性能，并能对保护装置的性能进行全面细致的测试，同时将断路器模拟装置跳闸后的实时状态反馈到电网数字仿真系统，仿真系统根据改变的拓扑结构重新计算，为二次系统提供实时的电流电压。
[0020]电网实时仿真服务器可以产生电网在正常运行及一次系统发生各种故障时的电流电压量，教员机是用来实时控制此仿真服务器的，因此两者之间需要双向通信。电网实时仿真服务器通过I/o接口与一次设备模拟装置相连接，为一次设备模拟装置中的电子式互感器发送电流电压量，并接收来自低压开关模拟装置、断路器模拟装置和刀闸模拟装置的实际位置。一次设备模拟装置与二次设备之间的连接方式和信号传送方向等与实际智能变电站内中相应的一次设备和二次设备之间的连接方式和信号传送方向完全相同。[0021]本发明的具体工作过程为:教员在教员机上设置电网常见故障，然后电网实时仿真服务器根据此故障通过电磁暂态计算得出故障时的电网应有的电流电压信号，电网实时仿真服务器将此故障电流电压通过I/o接口输入到电子式互感器模拟装置，该装置将数字信号形式的故障量转换为合并单元需要的光信号形式输入到合并单元，合并单元将此光信号通过SV网上传到保护装置、故障录波及网络分析装置，待相应保护装置感受到故障动作后，再通过GOOSE网将动作信号发送到智能终端；
在智能终端控制下，相应的断路器模拟装置、刀闸模拟装置跳闸，再将跳闸后的实时状态通过I/O接口反馈给电网数字仿真系统，仿真系统再根据改变的拓扑结构重新计算，为二次设备组成的二次系统提供实时的电流电压。
[0022]电网实时仿真服务器输出的模拟小信号输入到低压测保一体装置，该装置动作后将信号处理并发回到低压开关模拟装置，低压开关模拟装置动作后将自身的动作状态实时反馈给电网实时仿真服务器，电网实时仿真服务器根据状态信号调整其内部数据，使其始终与该培训系统的最新状态保持一致；
教员机实时与电网实时仿真服务器保持通信，从教员机上可以观察到电网实时仿真服务器的实时状态。
[0023]上述是教员进行的故障设置操作以及各设备之间的信号传输关系。
[0024]由于本系统是用于培训学员，因此，教员设置故障之后，学员根据保护装置、智能终端、断路器模拟装置的动作行为、动作报告、监控后台的动作信息、故障录波及网络分析装置电流、电压波形分析，判断故障类型、故障性质、故障地点、保护装置动作行为是否正确等，已达到培训的目的。
[0025]本发明按照典型220kV智能变电站搭建，一次系统主接线包括两台主变、220kV、IlOkV和IOkV三个电压等级，其中220kV、IlOkV采用双母线接线形式，IOkV为单母线分段接线方式。该培训系统具有完整的二次回路、通信网络及二次设备所需的电流电压的数据源。220kV、IlOkV侧仿真系统输出光信号，IOkV侧仿真系统输出模拟小信号。
[0026]在本发明中，电网实时仿真服务器与电子式互感器模拟装置、断路器模拟装置、刀闸模拟装置、低压开关模拟装置之间通过PCI总线相连接。
[0027]电子式互感器模拟装置与合并单元输入之间通过光纤相连接，合并单元保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置通过光纤接入SV网。
[0028]保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置通过光纤接入GOOSE网，智能终端通过光纤接入GOOSE网。智能终端与断路器模拟装置、刀闸模拟装置之间通过二次电缆连接。
[0029]保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置、低压测保一体装置通过网线接入MMS 网。
[0030]低压测保一体装置与低压开关模拟装置之间通过二次电缆连接。
[0031]本发明中电网实时仿真服务器是一台装有电磁暂态实时仿真软件的服务器，此仿真服务器还可以是具有电磁暂态实时计算功能的电路装置，只要其能实现电磁暂态计算功能、提供相应的信号即可。断路器模拟装置、刀闸模拟装置、低压开关模拟装置为厂家定做的设备，型号分别为:ISU2000、ISU2002、ISU2003。保护装置、测控装置、故障录波及网络分析装置、低压测保一体装置均采用真实的二次设备，本领域技术人员根据需要选择合适型号即可。
[0032]本发明具有以下几个特点:
1、本发明设计全面、完整，建立与真实智能站一致的全过程、高逼真度实训环境；
2、能精确再现智能变电站各种运行工况下的电磁暂态过程，实现数字仿真系统与真实物理设备的无缝对接；
3、成功开发了与不同厂家合并单元的互连的电子式互感器模拟装置，可满足培训学员对多个厂家合并单元的调试检验、缺陷处理的实训需求；
4、系统能模拟智能变电站线路、变压器、母线各种故障，故障的形式可灵活设置，故障的波形具有高度的真实性；
5、系统能反演智能站的各种事故及常见缺陷，能够很好的满足变电站运维人员对智能变电站的事故分析及二次系统缺陷处理的实训需求；
6、设备涵盖多个国内知名厂家的最新技术的产品，种类繁多、型号齐全，可满足培训学员对多个厂家的不同种类设备的培训需求。
[0033]本发明中的电子式互感器模拟装置是本发明的一个创新点，该装置是发明人根据多年的实际工作经验，结合实际需要制作的一种模拟装置。该装置具有电子式互感器的基本功能，但是成本却大大低于现有的各类互感器设备，非常适用于培训系统。
[0034]图3所示为电子式互感器模拟装置的结构示意图，其包括与电网实时仿真服务器相连接的互感器模拟板卡和与合并单元相连接的光电转换模块。
[0035]本发明中电子式互感器可以有两种结构，其中一种结构为:所述互感器模拟板卡包括依次顺序单向连接的桥芯片、信号处理器、隔离单元和第一驱动单元，所述光电转换模块包括依次顺序单向连接的编码单元、第二驱动单元和转换单元；所述互感器模拟板卡中第一驱动单元的输出端与光电转换模块中编码单元的输入端相连接；电网实时仿真服务器与互感器模拟板卡的桥芯片之间单向连接，光电转换模块的转换单元与合并单元之间单向连接。
[0036]电子式互感器模拟装置的工作原理为:互感器模拟板卡具有多路输入多路输出，通过PCI总线与电网实时仿真服务器进行数据交互。互感器模拟板卡将从主机接收到的数据进行组包、转换，再将组好的数据发送至光电装换模块。
[0037]来自于电网实时仿真服务器的数据进入互感器模拟板卡后，首先进入通过PCI总线进入桥芯片，此桥芯片为专用于PCI总线的接口芯片，桥芯片将PCI总线上的数据发送至信号处理器，信号处理器将数据进行格式转换及组包处理后发送至隔离单元，隔离单元主要负责对信号处理器输出信号进行隔离，防止外部干扰对内部信号处理器的干扰和损坏，处理之后隔离单元将信号发送至第一驱动单元，第一驱动单元对隔离后的信号进行驱动，以使此信号更良好更完整地传送到光电转换模块。至此，互感器模拟板卡的数据处理任务就完成了。
[0038]光电转换模块的主要功能是将来自互感器模拟板卡上所有通道的电信号转换成合并单元需要的光信号，以适应与合并单元光纤接口的连接，同时还实现曼彻斯特编码、通道切换等功能。
[0039]光电转换模块也具有多路输入多路输出，并通过集成电缆与互感器模拟板卡相连。[0040]来自互感器模拟板卡的电信号通过第一驱动单元后进行入光电转换模块，其首先进入编码单元，编码单元将此电信号进行曼彻斯特编码，然后将编码信号再发送至第二驱动单元，第二驱动单元将信号驱动后发送至转换单元，转换单元将电信号转换成光信号，最后发送至合并单元。
[0041]通过上述实现的电子式互感器模拟装置的工作方式为异步式:电子互感器模拟装置采用的是根据采样频率自主定时发送的方式，互感器模拟板卡按照自己的晶振来获得发送的时间间隔，发送时间点到了之后再进行组包和发送。这样电子式互感器模拟装置与合并单元之间并不同步，因此称为异步式。
[0042]还有一种同步式结构，同步式电子式互感器模拟装置组成部分与异步式的相同，仅仅是连接关系上存在区别:互感器模拟板卡中的信号处理器与隔离单元之间双相连接，隔离单元与第一驱动单元之间双向连接；光电转换模块中的编码单元与转换单元、转换单元与第二驱动单元之间均为双向连接，互感器模拟板卡的第一驱动单元的与光电转换模块的编码单元之间双向连接；光电转换模块的第二驱动单元与合并单元之间双向连接。
[0043]同步式电子式互感器模拟装置的工作方式为:合并单元将同步脉冲信号发送到光电转换模块的第二驱动单元，第二驱动单元的信号依次经过转换单元、编码单元、互感器模拟板卡的第一驱动单元、隔离单元，最后送至信号处理器，信号处理器接收到此同步脉冲信号后，再对来自电网实时仿真服务器的信号进行组包和发送，这样，整个模拟装置发送信号的时间间隔即采样频率就与合并单元同步了，因此称为同步式工作方式。
[0044]本发明中桥芯片采用的是CYPRESS公司的CY7C系列产品，信号处理器采用的是TI公司的TMS320F系列DSP处理器，隔离单元的主要芯片采用的是IL711，驱动单元采用的主要芯片为TI公司的74AHC245。
[0045]在本发明中编码单元采用的芯片为3D7521，第二驱动单元采用的芯片为75452，转换单元采用的是光电耦合器，其型号为HFBR1414。
[0046]下面给出一组优选的互感器模拟板卡和光电转换模块的性能参数。
[0047]互感器模拟板卡的具体参数如下:
通道数:16路输出，16路输入
总线类型:PCI总线v2.2 接口类型:37针D型插头(插孔)
支持同步或异步方式 支持多种采样率 支持多种波特率 隔离电压:2500Vrms (Imin)
工作温度范围:0?70°C 存储温度范围:-65?150°C 接口类型:37针D型插头(插孔)
采用高速DSP芯片作为处理器，其主频可达150MHz
光电转换模块的具体参数为:配置成32路发送通道或16路发送16路接收通道；通过37针电缆与互感器模拟板卡相连；转换单元采用高性能的安捷伦光电耦合器，最高通信速度可达lOMBd，装置带有指示灯指示所有通道目前的状态。[0048]电子式互感器模拟装置可以模拟智能变电站所有间隔电子式互感器的基本功能，可与真实的电子式互感器得功效相同，不仅可以模拟真实设备的正常运行，还可模拟其异常运行。除此之外可以模拟基于罗科夫斯基线圈的互感器(简称罗氏互感器)和基于法拉第磁旋光效应的电子式电流互感器、基于电阻或电容分压原理(电子式)和基于Pockets效应(光学)的电子式电压互感器，功能非常齐全。目前一台110 kV以上的电子式互感器的价格一般在15-20万元，而一台本发明结构的电子式互感器模拟装置成本约5万元，用电子式互感器模拟装置代替实际设备，一台电子式互感器节约成本10-15万元，减少了购买真实设备的费用，又满足了培训要求，大大降低了建设成本，应用价值极高。
【权利要求】
1.一种智能变电站混合仿真培训系统，其特征在于包括电网数字仿真系统、一次设备模拟装置和智能变电站的二次设备；所述电网数字仿真系统包括电网实时仿真服务器、教员机和I/o接口 ；一次设备模拟装置包括电子式互感器模拟装置、低压开关模拟装置、断路器模拟装置和刀闸模拟装置； 所述教员机与电网实时仿真服务器之间相互连接，电网实时仿真服务器通过I/o接口与一次设备模拟装置相连接； 一次设备模拟装置与二次设备之间及二次设备之间按实际智能变电站内的连接方式进行连接； 电网数字仿真系统输出的模拟小信号输入到二次设备中的低压测保一体装置。
2.根据权利要求1所述的一种智能变电站混合仿真培训系统，其特征在于所述一次设备模拟装置中的电子式互感器模拟装置包括与电网实时仿真服务器相连接的互感器模拟板卡和与合并单元相连接的光电转换模块；所述互感器模拟板卡包括依次顺序单向连接的桥芯片、信号处理器、隔离单元和第一驱动单元，所述光电转换模块包括依次顺序单向连接的编码单元、第二驱动单元和转换单元；所述互感器模拟板卡中第一驱动单元的输出端与光电转换模块中编码单元的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的一种智能变电站混合仿真培训系统，其特征在于电网实时仿真服务器与互感器模拟板卡的桥芯片之间单向连接，光电转换模块的转换单元与合并单元之间单向连接。
4.根据权利要求1所述的一种智能变电站混合仿真培训系统，其特征在于所述一次设备组中的电子式互感器模拟装置包括与电网实时仿真服务器相连接的互感器模拟板卡和与合并单元相连接的光电转换模块；所述互感器模拟板卡包括依次顺序连接的桥芯片、信号处理器、隔离单元和第一驱动单元，所述桥芯片的输出端与信号处理器的输入端相连接，所述信号处理器与隔离单元之间双相连接，隔离单元与第一驱动单元之间双向连接；所述光电转换模块包括依次顺序连接的编码单元、第二驱动单元和转换单元，所述编码单元与转换单元、转换单元与第二驱动单元之间均为双向连接；所述互感器模拟板卡的第一驱动单元的与光电转换模块的编码单元之间双向连接。
5.根据权利要求4所述的一种智能变电站混合仿真培训系统，其特征在于电网实时仿真服务器与互感器模拟板卡的桥芯片之间单向连接，光电转换模块的转换单元与合并单元之间双向连接。
【文档编号】G09B23/18GK103680238SQ201310537173
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】田青, 曹苒, 杨东方, 高艳萍, 刘洁云, 夏英 申请人:国家电网公司, 国网河北省电力公司培训中心