智能配电网运维仿真培训系统的制作方法

智能配电网运维仿真培训系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了智能配电网运维仿真培训系统，包括配电自动化系统和配网混合仿真系统，所述配电自动化系统包括配电自动化主站系统、馈线自动化系统、通信系统及配电仿真信息系统；所述配电自动化系统用于配电调度运行维护仿真培训；所述配网混合仿真系统包括配电一次设备、配电二次设备、配电网实时仿真器、数字物理接口装置、二次回路故障模拟装置以及培训工位机，所述配网混合仿真系统用于模拟电网故障时，一次设备、二次设备开关的开合状态；本申请以真实配电自动化主站系统为核心，应用仿真配电自动化终端、配电自动化仿真主站和真实配电自动化一次、二次设备、通信系统系统集成，实现配电自动化从终端到系统的全面真实的培训环境。
【专利说明】智能配电网运维仿真培训系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及智能配电网运维仿真培训系统。

【背景技术】
[0002] 近年来，智能配电网建设快速发展，配网设备和配电自动化系统的更新换代使现 场对配电运维护人员的需求量迅速增大，配电网运行和生产人员的培训需求非常迫切。众 所周知，配电运行和维护人员的学历水平和技术水平差异较大，综合素质亟待提高。因此， 必须建立配网调控一体仿真实训系统，建立半实物的培训环境，将其与数字仿真技术相结 合，才能满足高水平配电运维人员培训的需求。
[0003] 目前，国内配网运维仿真培训系统研究和应用开展的比较少。通常采用的培训方 式是培训师讲解+设备实物展示的方式，由于缺乏模拟培训环境，学员很难得到形象的培 训并快速掌握运维实操技术，培训效果无法达到要求。智能配电网运维仿真培训系统的提 出，为配电运维人员培训注入了新的内涵，也为配电自动化的发展指明了方向。
[0004] 为了能使配电运维人员熟练掌握配网一、二次设备和配电自动化系统的运行维护 技术，应基于虚拟现实技术建立配电网一二次设备模型和场景，并建立配电调控主站仿真 系统，构建智能配电网运维仿真培训系统。在配网虚拟现实仿真场景和调控主站仿真系统 中，配网调控运行和运维人员可以对现场中所使用的设备和系统进行身临其境的操作和巡 视，对保证配电网的安全、可靠、高效、优质运行起良好的促进作用。
[0005] 智能配电网运维仿真培训系统将紧扣现场实际新设备、新技术等实际培训需求， 实现典型配电网一二次设备、主站系统的物理机理仿真和工作场景仿真，支持对配电运行 和维护专业技术人员的培训、考核和鉴定，具备完善而灵活的培训管理、考核、测试实验和 科研功能。系统具有真实性、一致性、灵活性、开放性和实用性的设计特点，贴合电力培训教 育实际，具有广阔的应用前景。


【发明内容】

[0006] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了智能配电网运维仿真培训系统，结合 实际配电自动化系统的内容及设备层次结构，构建配网一次设备层、配网自动化主站层、配 网终端设备层、配网通讯系统层等四个相应层次的模拟学习情境，实现配电自动化各专业 实训目标。
[0007] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0008] 智能配电网运维仿真培训系统，包括配电自动化系统和配网混合仿真系统，所述 配电自动化系统包括配电自动化主站系统、馈线自动化系统、通信系统及配电仿真信息系 统；所述配电自动化系统用于配电调度运行维护仿真培训；所述配网混合仿真系统包括配 电一次设备、配电二次设备、配电网实时仿真器、数字物理接口装置、二次回路故障模拟装 置以及培训工位机，所述配网混合仿真系统用于模拟电网故障时，一次设备、二次设备开关 的开合状态；
[0009] 所述配电自动化主站系统分成配电主站层和终端层两层结构，其中采用光纤通信 终端通过光纤通信网经采集网接入配电自动化主站系统的前置数据采集服务器；模拟大量 终端数据的"配网混合仿真设备"经采集网接入配电自动化主站系统的前置数据采集服务 器；采用无线通信的终端通过无线通信网经无线通道接入路由器后穿过防火墙接入公网采 集服务器，并经过正反向隔离装置接入配电自动化主站系统。
[0010] 所述馈线自动化系统包括馈线自动化线路及线路动态模拟平台，所述馈线自动化 线路包括架空线路就地型馈线自动化线路、架空线路集中型馈线自动化线路、电缆线路集 中型馈线自动化线路及架空电缆混合线路集中型馈线自动化线路；所述线路动态模拟平台 通过电流源装置模拟故障仿真10kV线路的主干线各区段单相接地故障及相间短路故障电 流并送入一次、二次设备，实现就地型架空线路、集中型架空线路、集中型电缆及集中型架 空电缆混合线路故障模拟以及逻辑关系。
[0011] 所述馈线自动化线路包括三组模拟线路，其中第一组为两联络线路，用于模拟演 示架空电缆混合线路和电缆线路的集中型馈线自动化故障处理模式；第二、三组为单联络 线路，用于模拟演示架空线路的集中型和就地型馈线自动化故障处理模式。
[0012] 所述配电仿真信息系统用于产生大量终端信息并采用DL/T634《远动设备及系统》 标准（IEC60870)的104、101通信规约接入配电自动化主站系统，用于模拟配电网运行数据 信息具有单个通信节点数据流量小但节点数量巨大运行环境下配电自动化主站的调控运 行环境。
[0013] 所述通信系统包括光纤通信系统和无线通信系统，在馈线自动化用户分界开关设 备采用无线通信接入，除馈线自动化用户分界开关设备之外的设备采用光纤通信方式接入 配电自动化主站系统；其中光纤通信接入网采用无源光网络（Ρ0Ν)技术，传输网采用光纤 接入配电自动化主站；无线通信接入方式采用公网GPRS技术。
[0014] 所述通信系统的通信方式，对于遥控功能均采用非对称密钥技术的单向认证加密 技术进行安全防护。
[0015] 所述配网实时仿真器用于建立配电网一次设备的电磁暂态模型，通过混合仿真接 口设备将配网实时仿真器的交流电网电磁暂态数字仿真与真实的物理设备无缝对接，形成 配网数字仿真与真实的物理设备及模拟装置的有机结合；
[0016] 所述配网实时仿真器包括电源、馈线、变压器、负荷断路器、刀闸以及集中电阻、电 感和电容等配电网电磁暂态模型，实现母线、线路、变压器等设备的短路和断线等系统任意 位置和任意类型的故障模型。
[0017] 所述数字物理接口装置包括高速高精度同步输出的数字模拟转换器、高速通信及 开关量输入输出系统和混合仿真专用的智能型电流、电压功率放大器，所述数字模拟转换 器将信号传递至高速通信及开关量输入输出系统，高速通信及开关量输入输出系统将得到 的信号传送至智能型电流、电压功率放大器，进行信号的放大。
[0018] 所述二次回路故障模拟装置通过在配电终端和低压保护的二次回路中串联或并 联各种节点、电阻及电容来模拟各种断线、接地、短路、错线、线圈烧毁、接触不好、熔断器熔 断及寄生电容故障。
[0019] 配电一次设备及配电二次设备采用真实物理设备，建立典型局部配电网，基于数 字物理混合仿真技术，通过数模接口技术准确地仿真配电网一、二次设备的运行特性，提升 配电运维人员的日常运行和事故处理技能。配网混合仿真实训开关设备为便于了解终端内 部结构及工艺采用透明设计，动作过程清晰可见，内部结构一目了然；配网混合仿真实训开 关设备机械使用寿命长，适用于频繁操作。配网混合仿真系统包含1套就地型实训柱上开 关设备（含配电终端）、1套集中型实训柱上开关设备（含配电终端）、1套实训柱上用户分 界开关设备（含配电终端）、3台实训DTU、2套实训智能真空环网柜（4个负荷开关单元）、 1套实训智能真空环网柜（3个负荷开关单元、1个分界断路器单元）。
[0020] 配电设备工位培训系统针对该设备配备对应的设备实训机。设备实训机装载支持 配电一次设备、二次设备及其相关应用的配套课件，可对配电一、二次设备内部结构、元件 组成、工作原理以及使用方法等内容进行详细介绍和分析，也能对现场一次、二次设备进行 互动操作，并配有针对配电设备的实操考核系统。
[0021] 配网混合仿真系统实现对配电一次设备、二次设备功能原理、具体结构、互动操 作、运行维护等综合培训。
[0022] 本发明的有益效果：
[0023] 本申请涵盖配电自动化系统从主站、一次、二次设备以及通信，满足配电网调度管 理人员、运行维护和操作检修人员等配电自动化系统的使用对象的培训。
[0024] 本申请以真实配电自动化主站系统为核心，应用仿真配电自动化终端、配电自动 化仿真主站和真实配电自动化一次、二次设备、通信系统系统集成，实现配电自动化从终端 到系统的全面真实的培训环境。通过建立与配电自动化系统完全一致生产环境对学员进行 培训，让学员在真实的环境中学习和掌握在配电自动化系统中可能出现的各种工作任务， 培训配电网运行管理人员、调度人员调度、安装、调试、运维等各项基本技能，以及如何应用 智能系统正确判断和处理配电网故障的能力。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图1智能配电网运维仿真培训系统硬件架构和数据示意图；
[0026] 图2配电自动化主站系统（含实训）软件架构图；
[0027] 图3线路动态模拟平台、配电设备以及配电自动化主站系统的关系示意图；
[0028] 图4集中型自动化实训区接线示意图；
[0029] 图5 (a)架空线路就地型馈线自动化线路示意图；
[0030] 图5(b)架空线路集中型馈线自动化线路示意图；
[0031] 图6配网混合仿真系统结构示意图；
[0032] 图中，1、配电自动化主站系统，2、配电终端，3、二次回路故障模拟装置，4、电流、电 压放大器，5、实时接口装置，6、配网混合仿真系统，7、开关，9、培训工位机，10、配电网实时 仿真器，11、数字物理接口装置，12、光纤交互机，13、交换机。

【具体实施方式】：
[0033] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0034] 如图1所示，智能配电网运维仿真培训系统，包括配电自动化系统和配网混合仿 真系统，所述配电自动化系统包括配电自动化主站系统、馈线自动化系统、通信系统及配电 仿真信息系统；所述配电自动化系统用于配电调度运行维护仿真培训；所述配网混合仿真 系统包括配电一次设备、配电二次设备、配电网实时仿真器、数字物理接口装置、二次回路 故障模拟装置以及培训工位机，所述配网混合仿真系统用于模拟电网故障时，一次设备、二 次设备开关的开合状态。
[0035] >配电自动化系统
[0036] 配电自动化主站实训系统采用分层、分布式架构模式，主要包括基本平台、配电 SCADA、基于地理背景的配电SCADA应用、馈线故障处理、配电分析应用、WEB发布功能、配电 仿真、课件及考核功能、典型案例功能等，满足配调SCADA日常运行、监视、使用、数据维护、 前置、规约等的实训需求，其具体软件结构如图2所示。其中配电自动化主站系统根据应用 场景分为学员工作站、教员工作站。学员工作站用于学员的培训，教员工作站用户教员设定 典型案例、课件、考试以及学员管理等工作。
[0037] 馈线自动化系统由架空线路就地型馈线自动化线路、架空线路集中型馈线自动化 线路、电缆线路集中型馈线自动化线路、架空电缆混合线路集中型馈线自动化线路和线路 动态模拟平台组成。线路动态模拟平台通过电流源装置模拟故障仿真10kv线路的主干线 各区段单相接地故障及相间短路故障电流并送入一次、二次设备，实现就地型架空线路、集 中型架空线路、集中型电缆及集中型架空电缆混合线路故障模拟以及逻辑处理关系，如图3 所示。馈线自动化线路由3组模拟线路组成，其中第1组为两联络线路，模拟演示架空电缆 混合线路和电缆线路的集中型馈线自动化故障处理模式；第2、3组为单联络线路，模拟演 示架空线路的集中型和就地型馈线自动化故障处理模式。
[0038] 如图4及图5&-图513所示，081、082、083、084、085、086、087为用于模拟变电站出 线断路器的智能保护装置，FS1-FS5为架空主干线分段负荷开关设备（含配电终端），LSI、 LS3为联络开关设备（含配电终端），PS2-PS4为用户分界负荷开关设备（含配电终端），FN 为分布式电源装置（风能发电），TYN分布式电源装置（太阳能发电）。
[0039] 图4中D点发生永久性故障馈线自动化工作原理说明：
[0040] (1)变电站10kV出线断路器CB5检测到故障后分闸。
[0041] (2)安装于D区和G区之间的VSR3真空环网柜中配电终端DTU检测到电流超限及 持续失压，产生故障遥信并上传至主站。
[0042] (3)配电自动化主站收到CB5开关变位及FS1、FS2的故障信号后，将故障点定位 在FS2之后的D区。
[0043] (4)配电自动化主站发出遥控分闸指令，分开D区和G区之间的VSR3真空环网柜 中L1开关和分段开关FS2,将故障隔离。
[0044] (5)隔离成功后，配电自动化主站经计算决策出位于Η区和K区之间的VSR3真空 环网柜中L2联络开关转供，配电自动化主站发出遥控合闸指令，合上出口断路器CB5及Η 区和Κ区之间的VSR3真空环网柜中L2联络开关，恢复非故障区段的供电。
[0045] 对图5 (a)中C区发生故障馈线自动化工作原理说明：
[0046] ⑴CB1检测到故障电流分闸，全线路失电，FS1、FS2对应的线路开关因线路失压 全部分闸。
[0047] ⑵CB1经过1S延时重合闸，开关FS1、FS2得电后延时合闸，如故障是瞬时性故障， 则合闸成功；如故障是永久性故障，则CB1再次检测到故障电流跳闸，故障定位于开关FS2 和开关FS3之间，主站根据事故区间判定结果控制CB1合闸，恢复故障前非故障区段的供 电。
[0048] (3)配电自动化主站根据事故区间判定结果遥控LS3合闸，开关FS3得电后延时 (延时时间为设定值）合闸，恢复故障后非故障区段的供电。
[0049] Η区发生相间短路故障
[0050] (1)故障发生后，出线断路器CB1检测到故障后分闸。同时，分界开关PS3检测到 故障，分闸，隔离故障。
[0051] ⑵变电站出线断路器CB1分闸1S后，重合闸成功，恢复供电。
[0052] Η区发生单相接地故障
[0053] 发生单相接地故障，分界开关PS3直接切除故障，不影响主干线及其它用户。
[0054] 对图5 (b)中C区发生永久性故障馈线自动化工作原理说明：
[0055] (1)变电站10kV出线断路器CB3检测到故障后分闸。
[0056] (2)FS1、FS2检测到电流超限及持续失压，产生故障遥信并上传至配电自动化主 站。
[0057] (3)配电自动化主站收到CB3开关变位、FS1、FS2故障信号后，将故障点定位在分 段开关FS2与FS3之间C区。
[0058] (4)配电自动化主站发出遥控分闸指令，分开FS2、FS3,将故障区段隔离。
[0059] (5)隔离成功后，配电自动化主站发出遥控合闸指令，合上出口断路器CB3,恢复 故障前端的供电。
[0060] (6)隔离成功后，配电自动化主站经计算决策出LS3联络开关转供，配电自动化主 站发出遥控合闸指令，合上LS2联络开关，恢复非故障区段的供电。
[0061] 配电仿真信息系统用于产生大量终端信息并采用DL/T634《远动设备及系统》标 准（IEC60870)的104U01通信规约接入配电自动化主站系统，模拟配电网运行数据信息具 有单个通信节点数据流量小但节点数量巨大运行环境下配电自动化主站的调控运行环境。 [0062] 通信系统由光纤通信系统和无线通信系统组成，在馈线自动化用户分界开关设备 采用无线通信接入，其余设备采用光纤通信方式接入配电自动化主站系统。其中光纤通信 接入网采用无源光网络（Ρ0Ν)技术，传输网采用光纤接入配电自动化主站；无线通信接入 方式采用公网GPRS技术。所有通信方式，包括光纤专网通信在内，对于遥控功能需采用非 对称密钥技术的单向认证加密技术进行安全防护。
[0063] >配网混合仿真系统
[0064] 配网混合仿真系统包括配网实时仿真器、混合仿真接口设备、二次回路故障模拟 装置、配电一次二次设备以及培训工位机，其中配网实时仿真器用于建立配电网一次设备 的电磁暂态模型，通过混合仿真接口设备将配网实时仿真器的交流电网电磁暂态数字仿真 与真实的物理设备无缝对接，形成配网数字仿真与真实的物理设备及模拟装置有机结合。 (参见图6)
[0065] 配电网实时仿真器用于建立配电网电磁暂态模型，包括电源、馈线、变压器、负荷 断路器、刀闸以及集中电阻、电感和电容等，同时实现了母线、线路、变压器等设备的短路和 断线等系统任意位置和任意类型的故障模型，可以进行任意的组合以构建更为复杂的复合 故障模型。
[0066] 混合仿真接口设备由高速高精度同步输出数字模拟转换器、高速通信及开关量输 入输出系统和混合仿真专用智能型电流、电压功率放大器组成。
[0067] 二次回路故障模拟装置通过在配电终端和低压保护的开入回路、控制回路、交流 回路、直流系统、电流电压回路等二次回路中串联或并联各种节点、电阻、电容等来模拟各 种断线、接地、短路、错线、线圈烧毁、接触不好、熔断器熔断、寄生电容等故障。
[0068] 配电一次二次设备采用真实物理设备，建立典型局部配电网，基于数字物理混合 仿真技术，通过数模接口技术准确地仿真配电网一、二次设备的运行特性，提升配电运维人 员的日常运行和事故处理技能。配网混合仿真实训开关设备为便于了解终端内部结构及工 艺采用透明设计，动作过程清晰可见，内部结构一目了然；采用特殊加工，延长设备机械使 用寿命，适用于频繁操作。配网混合仿真系统包含1套就地型实训柱上开关设备（含配电 终端）、1套集中型实训柱上开关设备（含配电终端）、1套实训柱上用户分界开关设备（含 配电终端）、3台实训DTU、2套实训智能真空环网柜（4个负荷开关单元）、1套实训智能真 空环网柜（3个负荷开关单元、1个分界断路器单元）。
[0069] 配电设备工位培训系统针对该设备配备对应的设备实训机。设备实训机装载支持 配电一次设备、二次设备及其相关应用的配套课件，可对配电一、二次设备内部结构、元件 组成、工作原理以及使用方法等内容进行详细介绍和分析，也能对现场一次、二次设备进行 互动操作，并配有针对配电设备的实操考核系统。
[0070] 如图3所示，线路动态模拟平台经实时接口装置经电流、电源放大器把电流注入 二次回路模拟装置，二次回路模拟装置产生配电网事故信息并注入配电终端，配电终端通 过通信系统，采用104规约把信号上送给配电自动化主站系统。当电流超过设定的限制，终 端通过二次回路模拟装置发出信号，驱动开关事故跳闸，并把开关分信号通过二次回路模 拟装置和终端上送至配电自动化主站系统。
[0071] 如图6所示，通过培训工位机设定配电网实时仿真器仿真模拟配电网事故，配电 网实时仿真器把仿真信号经二次回路故障模拟装置和数据物理接口设备接入配电终端设 备，配电终端设备经通信网络把信号上送给配电自动化主站系统，同时配电终端设备根据 接收的信号驱动配电一次设备开关或环网柜开发进行动作。
[0072] 配网混合仿真系统实现对配电一次设备、二次设备功能原理、具体结构、互动操 作、运行维护等综合培训。
【权利要求】
1. 智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，包括配电自动化系统和配网混合仿真系 统，所述配电自动化系统包括配电自动化主站系统、馈线自动化系统、通信系统及配电仿真 信息系统；所述配电自动化系统用于配电调度运行维护仿真培训；所述配网混合仿真系统 包括配电一次设备、配电二次设备、配电网实时仿真器、数字物理接口装置、二次回路故障 模拟装置以及培训工位机，所述配网混合仿真系统用于模拟电网故障时，一次设备、二次设 备开关的开合状态； 所述配电自动化主站系统通过交换机分成两路，每一路均通过对应交换机与配电终端 相连，每个配电终端均配有开关装置，配电终端均通过数字物理接口装置与配电网实时仿 真器相连，配电网实时仿真器与培训工位机相连。
2. 如权利要求1所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述配电自动化主 站系统采用分层、分布式架构模式。
3. 如权利要求1所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述馈线自动化系 统包括馈线自动化线路及线路动态模拟平台，所述馈线自动化线路包括架空线路就地型馈 线自动化线路、架空线路集中型馈线自动化线路、电缆线路集中型馈线自动化线路及架空 电缆混合线路集中型馈线自动化线路；所述线路动态模拟平台通过电流源装置模拟故障仿 真10kV线路的主干线各区段单相接地故障及相间短路故障电流并送入一次、二次设备，实 现就地型架空线路、集中型架空线路、集中型电缆及集中型架空电缆混合线路故障模拟以 及逻辑关系。
4. 如权利要求3所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述馈线自动化线 路包括三组模拟线路，其中第一组为两联络线路，用于模拟演示架空电缆混合线路和电缆 线路的集中型馈线自动化故障处理模式；第二、三组为单联络线路，用于模拟演示架空线路 的集中型和就地型馈线自动化故障处理模式。
5. 如权利要求1所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述配电仿真信息 系统用于产生大量终端信息并采用DL/T634远动设备及系统标准IEC60870的104U01通 信规约接入配电自动化主站系统，用于模拟配电网运行数据信息具有单个通信节点数据流 量小但节点数量巨大运行环境下配电自动化主站的调控运行环境。
6. 如权利要求1所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述通信系统包括 光纤通信系统和无线通信系统，在馈线自动化用户分界开关设备采用无线通信接入，除馈 线自动化用户分界开关设备之外的设备采用光纤通信方式接入配电自动化主站系统；其中 光纤通信接入网采用无源光网络P0N技术，传输网采用光纤接入配电自动化主站；无线通 信接入方式采用公网GPRS技术。
7. 如权利要求6所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述通信系统的通 信方式，对于遥控功能均采用非对称密钥技术的单向认证加密技术进行安全防护。
8. 如权利要求1所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述配网实时仿真 器用于建立配电网一次设备的电磁暂态模型，通过混合仿真接口设备将配网实时仿真器的 交流电网电磁暂态数字仿真与真实的物理设备无缝对接，形成配网数字仿真与真实的物理 设备及模拟装置的有机结合； 所述配网实时仿真器包括电源、馈线、变压器、负荷断路器、刀闸以及集中电阻、电感和 电容，用于模拟母线、线路及变压器设备的短路和断线的系统任意位置和任意类型的故障 模型。
9. 如权利要求1所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述数字物理接口 装置包括高速高精度同步输出的数字模拟转换器、高速通信及开关量输入输出系统和混合 仿真专用的智能型电流、电压功率放大器，所述数字模拟转换器将信号传递至高速通信及 开关量输入输出系统，高速通信及开关量输入输出系统将得到的信号传送至智能型电流、 电压功率放大器，进行信号的放大。
10. 如权利要求1所述的智能配电网运维仿真培训系统，其特征是，所述二次回路故障 模拟装置通过在配电终端和低压保护的二次回路中串联或并联各种节点、电阻及电容来模 拟各种断线、接地、短路、错线、线圈烧毁、接触不好、熔断器熔断及寄生电容故障。
【文档编号】G09B23/18GK104091482SQ201410340035
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】李宏伟, 潘志远, 张正茂, 郑鑫, 许光, 王兴念 申请人:国家电网公司, 国网技术学院, 珠海许继电气有限公司, 珠海许继芝电网自动化有限公司