一种变电站二次回路实操考核系统及方法与流程

1.本发明涉及电力系统运维技术领域，尤其是涉及一种变电站二次回路实操考核系统及方法。


背景技术：

2.变电站二次系统是一个庞大而复杂的系统，在变电站的运行中所发生的故障或异常中，70％以上事故是二次系统的故障或异常所引起的，并且经常发生因运行、检修维护人员对二次系统原理逻辑不熟悉而误操作导致系统故障范围扩大。变电站二次回路的构成及接线方式也是每个变电二次运检人员所必须掌握的知识，同时二次回路的识图、查线是每个变电二次运检员工所必须掌握的技能。
3.为了更好地服务于继电保护专业人员培训工作，进而促进公司继电保护等专业人员整体技术技能水平的提升，需要采用继电保护及二次回路模拟实操培训工具来对继电保护专业人员进行培训。在培训过程中，对继电保护专业人员培训效果的考核是一个关键环节，出考题时常采用预置一个数字电网的故障，由学员利用二次回路模拟实操培训工具来消除该故障，通过分析学员在消除该故障中所做的实际操作来打分。
4.现有的培训考核中常采用基于评分模板的方法，比如基于马尔科夫链的方法进行评分，这些方法需要预先静态地打上分数，但在二次回路模拟实操培训中，这涉及到如何对培训场景中，学员所有可能的操作进行打分的问题，特别是这些所有可能的操作依据不同的数字电网的故障，在消除各故障时产生的作用是不同的，不能预先静态地打上分数。另外，采用基于评分模板的方法对模板的设置要求高，需要预先设定解决所出故障可能包含的操作，但学员的操作是任意多个的(培训场景中所能包含的各种操作，其操作个数为n，n可以是1千或1万)，所以评分模板只能给出大概率被学员采用的操作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种变电站二次回路实操考核系统及方法，在数字电网给出故障后，将培训场景中所能包含的各种操作一个一个地在数字电网中进行操作，根据每个操作对数字电网产生的电气量的变化程度，并依据高斯模糊算法进行动态打分，可真实评价出学员消除故障的能力。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明提供一种变电站二次回路实操考核系统，包括：
8.培训场景模块，用于模拟变电站二次回路实操培训场景，生成所有能够进行的操作集合a
p
；
9.电气量计算模块，用于培训故障发生后及操作发生后，对变电站一次回路中各元件的电气量进行计算；
10.操作模块，用于根据下发的培训故障在实操培训场景中进行操作，形成解决培训故障的操作集合a
ps
；
11.操作评分模块，用于培训故障发生后对集合a
p
中的所有操作基于元件的电气量变化量进行评分，得到带评分的集合a
pv
；
12.评价模块，用于从带评分的集合a
pv
中筛选出操作集合a
ps
中各操作的评分，整合得到培训考核最终得分。
13.进一步的，所述培训场景模块具体用于，
14.采用220kv常规变电站线路、母线、母联等间隔的继电保护装置以及二次回路为模拟实操对象，构建变电站二次回路实操培训场景；
15.变电站中接线形式如下：
16.220kv采用双母线；110kv采用双母线；10kv采用单母线分段；以及包括2台主变压器；
17.实操培训场景包括：
18.220kv典型线路间隔1个，含1套线路保护、操作箱、断路器操作机构的二次回路及一次设备；
19.220kv母联间隔1个，含1套母联保护、操作箱、断路器操作机构回路及一次设备；
20.220kv母线间隔1个，含一套母线保护回路及一次设备；
21.以及，
22.试验仪器，包括继电保护测试仪和万用表。
23.进一步的，所述培训场景模块具体用于，
24.生成实操培训场景中所有能够进行的操作集合a
p
，包括二次回路故障的实操，以及各种保护装置试验的实操。
25.进一步的，所述电气量计算模块具体用于，
26.采用电磁暂态计算模型计算实操培训场景中变电站一次回路中各元件的电气量。
27.进一步的，所述电气量计算模块具体用于，
28.按如下方式仿真计算一次回路中元件电气量：
29.g
aa
ua(t)＝ia(t)-i
a-g
ab
ub(t)；
30.其中，将变电站一次回路网络分为未知电压的节点构成的a块和已知电压的节点构成的b块，g
aa
为t时刻由未知a块节点间的等值计算电阻形成的节点电导矩阵，g
ab
为t时刻由未知a块节点与已知b块节点间的等值电阻形成的节点电导矩阵，ua(t)为未知a块节点的电压，ub(t)为已知b块节点的电压，ia(t)为未知a块节点的电流，ia为由未知a块节点(t-δt)时刻的电压和电流值计算而得到的等值电流源列向量，δt为仿真计算步长。
31.进一步的，所述电气量计算模块具体用于，
32.收到培训所指定的故障后，对实操培训场景中变电站一次回路中各元件电气量进行循环迭代计算直到达到预设次数n1；
33.以及，启动操作后，对实操培训场景中变电站一次回路中各元件电气量进行循环迭代计算直到达到预设次数n2。
34.进一步的，所述操作评分模块具体用于，
35.采用母线电压幅值的变化量对操作进行评分。
36.进一步的，所述操作评分模块具体用于，
37.收到培训所指定的故障后，获取电气量计算模块对母线电压进行循环迭代计算的
计算结果，记录下母线电压幅值的最大值v0；
38.针对操作集合a
p
的操作元素a，启动操作元素a后，获取电气量计算模块对母线电压进行循环迭代计算的计算结果，记录下母线电压幅值的最大值v
am
；
39.将母线电压幅值的变化量v
am-v0作为xi，基于高斯模糊算法计算操作a的评分，
40.基于高斯模糊算法计算评分如下：
[0041][0042][0043]
其中，xi为电气量变化量，p(xi)为电气量变化量为xi时的操作评分，σ为方差；
[0044]
对操作集合a
p
内的每个操作元素，基于操作后母线电压幅值的变化量，采用高斯模糊算法计算得到操作评分，最终得到带评分的操作集a
pv
。
[0045]
进一步的，所述评价模块具体用于，
[0046]
根据操作集合a
ps
的各操作元素，在整个培训场景的带评分的操作集a
pv
中得到各操作元素的扣分值；
[0047]
将操作集合a
ps
中所有操作元素的扣分值累加起来，利用一百分扣除所得的累加值得到培训考核最终得分。
[0048]
本发明还提供一种变电站二次回路实操考核方法，采用前述的变电站二次回路实操考核系统对学员进行二次回路实操考核，所述方法包括：
[0049]
下发培训故障至变电站二次回路实操考核系统搭建的二次回路实操培训场景；
[0050]
对故障发生后变电站二次回路实操培训场景中各元件的电气量进行计算，以及对培训场景中所有能够进行的操作逐一计算，计算操作发生后各元件的电气量；
[0051]
基于操作发生后元件电气量的变化量对操作进行评分，得到带评分的集合a
pv
；
[0052]
根据培训故障在实操培训场景中进行实际操作，形成解决培训故障的操作集合a
ps
；
[0053]
从带评分的集合a
pv
中筛选出操作集合a
ps
中各操作的评分，整合得到培训考核最终得分。
[0054]
本发明的有益效果为：
[0055]
(1)本发明利用学员实操一次所引发的电气量的变化来评判其此步操作的得分，以及利用高斯模糊算法产生的图形进行100分的补差，作为实操的扣分评判，克服了其它评分算法需要为所有可能的操作预先静态地打上分数的不足。
[0056]
(2)本发明允许学员在消除故障中进行任意次的实操，并将这些实操进行扣除性的评分，可真实评价出学员消除故障的能力。
附图说明
[0057]
图1为本发明实施例中进行电气量计算流程图；
[0058]
图2为高斯模糊算法的概率分布图；
[0059]
图3为本发明实施例中基于高斯模糊算法的扣分概率分布图。
具体实施方式
[0060]
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0061]
实施例1
[0062]
本实施例提出了一种变电站二次回路实操考核系统，包括：
[0063]
培训场景模块，用于模拟变电站二次回路实操培训场景，生成所有能够进行的操作集合a
p
；
[0064]
电气量计算模块，用于培训故障发生后及操作发生后，对变电站一次回路中各元件的电气量进行计算；
[0065]
操作模块，用于根据下发的培训故障在实操培训场景中进行操作，形成解决培训故障的操作集合a
ps
；
[0066]
操作评分模块，用于培训故障发生后对集合a
p
中的所有操作基于元件的电气量变化量进行评分，得到带评分的集合a
pv
；
[0067]
评价模块，用于从带评分的集合a
pv
中筛选出操作集合a
ps
中各操作的评分，整合得到培训考核最终得分。
[0068]
本发明实施例中，培训场景模块具体用于，
[0069]
采用典型的220kv常规变电站线路、母线、母联等间隔的继电保护装置以及二次回路为模拟实操对象，构建变电站二次回路实操培训场景。
[0070]
本发明实施例中，构建实操变电站的接线形式如下：
[0071]
(1)220kv采用双母线；
[0072]
(2)110kv采用双母线；
[0073]
(3)10kv采用单母线分段；
[0074]
(4)2台主变压器；
[0075]
对以上间隔的一次、二次设备场景进行建模，建模范围包括以下内容：
[0076]
(1)220kv典型线路间隔1个，含1套线路保护、操作箱、断路器操作机构的二次回路及一次设备。
[0077]
(2)220kv母联间隔1个，含1套母联保护、操作箱、断路器操作机构回路及一次设备。
[0078]
(3)220kv母线间隔1个，含一套母线保护回路及一次设备。
[0079]
(4)试验仪器，包括继电保护测试仪、万用表。
[0080]
基于所构建的变电站实操培训场景，生成所有可能进行的操作集合a
p
，包括二次回路故障的实操，即回路端子、电缆、继电器、接点等元件的常见异常解决操作，如在图纸和屏后的端子上用万用表进行测量分析、排故；以及各种保护装置试验的实操，如用模拟实操保护测试仪，按照试验流程模拟保护装置试验过程。
[0081]
需要说明的是，每个学员进入实操培训场景后，考官会通过数字电网指定某个故障，变电站二次回路实操考核系统会弹出相应的告警窗。
[0082]
本发明实施例中，电气量计算模块具体用于，
[0083]
利用电磁暂态计算模型来计算实操培训场景中变电站一次回路中各元件的电气量。
[0084]
电磁暂态计算在相空间求解，在离散的时间点δt,2δt,
…
,nδt上求解各元件上的电压或电流值。在元件等值计算电路的基础上，将网络的暂态计算变成在各离散时间点上直流电阻网络的计算。
[0085]
一个有n个节点的网络可由n个线性代数方程式形成的节点方程组表示：
[0086]
gu(t)＝i(t)-i(1)
[0087]
式中，g为t时刻由网络中等值计算电阻形成的节点电导矩阵；u(t)u(t)为节点电压列向量；i(t)为节点电流列向量；i为由(t-δt)时刻的电压和电流值计算而得到的等值电流源列向量。
[0088]
将网络分成a和b两块，其中a块表示未知电压的节点，b块表示已知电压的节点，则由下式求出未知电压为：
[0089]gaa
ua(t)＝ia(t)-i
a-g
ab
ub(t)(2)
[0090]
其中，g
aa
为t时刻由未知a块节点间的等值计算电阻形成的节点电导矩阵，g
ab
为t时刻由未知a块节点与已知b块节点间的等值电阻形成的节点电导矩阵，ua(t)为未知a块节点的电压，ub(t)为已知b块节点的电压，ia(t)为未知a块节点的电流，ia为由未知a块节点(t-δt)时刻的电压和电流值计算而得到的等值电流源列向量，δt为仿真计算步长。
[0091]
在初值计算的基础上，对于每一时步可以计算出式(2)的右端量，继而由线性方程组求出ua(t)。
[0092]
在暂态计算中，对电力系统元件采用电磁暂态模型，采用交互式、全过程电磁暂态仿真技术，并利用瞬时值方式来进行计算，从而可以分析几十微秒级的电压、电流瞬时变化情况，如图1所示。
[0093]
需要说明的是，在切换到平行态进行电磁暂态计算之初，先从实时数据库中获取本区域电网的静态参数，并在初始化阶段根据这些参数来设置断路器刀闸模拟装置的初始状态。
[0094]
本发明实施例中，操作评分模块具体用于，
[0095]
基于高斯模糊算法对每个操作进行评分。
[0096]
高斯模糊算法是一种常用的模糊算法，该算法以正态分布的密度函数(即高斯函数)为基础，如公式所示：
[0097][0098]
其中，μ是x的均值，σ是x的方差。因为计算平均值的时候，中心点就是原点，所以μ等于0，则，
[0099][0100]
其概率分布为正态分布中，越接近中心点，取值越大，越远离中心，取值越小，如图2所示。
[0101]
本发明实施例在计算评分值的时候采用扣分制，高斯函数的概率分布图的中心点(即原点，对应最高峰值点)表示不扣分，也即该操作没有引发数字电网中元件的电气量的变化。
[0102]
当某操作引发数字电网中元件的电气量的变化增大时，变化为正增长则对应概率
分布图的右半变，且增量值越大，离中心点越远；
[0103]
当某操作引发数字电网中元件的电气量的变化为负增长时，则对应概率分布图的左半变，且增量绝对值越大，离中心点越远。
[0104]
本发明实施例中，设定导致故障扩大的操作为扣除50分以上，特殊操作可能导致严重事故的扣除100分，则可将高斯模糊算法进行变换，用100减去其x轴各点的值，得到如图3所示的评分分配模式图。
[0105]
评分计算具体如下：
[0106][0107]
其中，xi为电气量变化量，p(xi)为电气量变化量为xi时的评分(扣分)。
[0108]
本发明实施例中，电气量计算模块具体用于，
[0109]
收到培训所指定的故障后，对实操培训场景中变电站一次回路中各元件的电气量进行循环迭代计算直到达到预设次数n1；
[0110]
以及，启动操作后，对实操培训场景中变电站一次回路中各元件的电气量进行循环迭代计算直到达到预设次数n2。
[0111]
本发明实施例中，操作评分模块采用母线电压的波动对操作进行评分，具体实现方式为，
[0112]
收到考题所指定故障后，获取电气量计算模块对母线电压进行循环迭代计算的计算结果，记录母线电压幅值的最大值v0；
[0113]
针对操作集合a
p
的操作元素a，启动操作元素a后，获取电气量计算模块对母线电压进行循环迭代计算的计算结果，记录母线电压幅值的最大值v
am
；
[0114]
将母线电压幅值的变化量v
am-v0作为xi，基于高斯模糊算法计算出对应的值，作为操作a的评分；
[0115]
基于高斯模糊算法的评分计算具体如下：
[0116][0117][0118]
其中，xi为电气量变化量，p(xi)为电气量变化量为xi时的操作评分。
[0119]
对操作集合a
p
内的每个操作元素进行上述操作，基于操作后母线电压幅值的变化量，利用高斯函数的概率分布，得到操作评分，最终得到带评分的操作集a
pv
。
[0120]
需要说明的是，本发明实施例中，操作的评分为扣分值。
[0121]
本发明实施例中，n1取值为100，在循环迭代100次后，此时已躲过故障的冲击，故障发生后的电气量输出特性已趋于平稳。
[0122]
本发明实施例中，n2取值为100。
[0123]
本发明实施例中，评价模块具体用于，
[0124]
根据操作集合a
ps
的各操作元素，在整个培训场景的带评分的操作集a
pv
中得到各操作元素的扣分值；
[0125]
将操作集合a
ps
中所有操作元素的扣分值累加起来，利用一百分扣除所得的累加值得到培训考核最终得分。
[0126]
实施例2
[0127]
本实施例提供一种变电站二次回路实操考核方法，基于实施例1的变电站二次回路实操考核系统对学员进行二次回路实操考核，该方法包括：
[0128]
下发培训故障至变电站二次回路实操考核系统搭建的二次回路实操培训场景；
[0129]
对故障发生后变电站二次回路实操培训场景中各元件的电气量进行计算，以及对培训场景中所有能够进行的操作逐一计算，计算操作发生后变电站二次回路中各元件的电气量；
[0130]
基于操作发生后元件电气量的变化量对操作进行评分，得到带评分的集合a
pv
；
[0131]
根据培训故障在实操培训场景中进行实际操作，形成解决培训故障的操作集合a
ps
；
[0132]
从带评分的集合a
pv
中筛选出操作集合a
ps
中各操作的评分，整合得到培训考核最终得分。
[0133]
本发明实施例中，采用采用电磁暂态模型计算元件电气量，计算过程中，采用交互式、全过程电磁暂态仿真技术，并利用瞬时值方式来进行计算，从而可以分析几十微秒级的电压、电流瞬时变化情况。
[0134]
本发明实施例中，评分计算如下：
[0135][0136][0137]
其中，xi为电气量变化量，p(xi)为电气量变化量为xi时的操作评分。
[0138]
本发明实施例中，将操作集合a
ps
中所有操作元素的扣分值累加起来，利用一百分扣除所得的累加值得到培训考核最终得分。
[0139]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0140]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0141]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0142]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0143]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。