DTS-SOTS聯(lián)合故障仿真的設(shè)計與實現(xiàn)

DTS-SOTS聯(lián)合故障仿真的設(shè)計與實現(xiàn)逄健鵬1，高平2，李峰云3，凌志勇4，魏文輝1，白瑋1（1．清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084；

2．北京清華仿真科技有限公司，北京100083；

3．廣東省佛山電力工業(yè)局，廣東省佛山市528000；

4．廣東省電力學(xué)校，廣東省廣州市510520）

摘

要：在DTS-SOTS實時通信接口的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)、變電站操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（DTS-SOTS）聯(lián)合故障仿真的功能。這種新型的聯(lián)合故障仿真系統(tǒng)能夠計算正常狀態(tài)下的電網(wǎng)潮流和各種故障下的短路電流，并通過DTS各個模塊和SOTS配合進(jìn)行狀態(tài)同步及事件處理的交互，真實地再現(xiàn)DTS和SOTS中的保護(hù)裝置的動作行為。在廣東省佛山電力工業(yè)局的現(xiàn)場運行表明，該聯(lián)合故障仿真系統(tǒng)對SOTS的培訓(xùn)效果大為改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)；變電站操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)；聯(lián)合故障仿真1

引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電網(wǎng)調(diào)度中心和廠站操作人員分析及處理故障情況的能力提出了更高的要求。目前，迅速提高電力系統(tǒng)調(diào)度運行人員和現(xiàn)場操作人員業(yè)務(wù)技能的一個行之有效的途徑是采用各種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（DispatcherTrainingSimulator,DTS[1]主要用來培訓(xùn)電網(wǎng)調(diào)度員進(jìn)行正常調(diào)度操作和提高處理事故的能力。它強調(diào)與電網(wǎng)實際調(diào)度環(huán)境的一致性和取得實際數(shù)據(jù)的方便性，基本上由軟件實現(xiàn)。變電站操作員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（SubstationOperatorTrainingSimulator，SOTS[2]用于培訓(xùn)變電站運行人員。它對變電站的各種一次、二次設(shè)備有幾乎完全一對一的模擬，系統(tǒng)組成包括軟件控制部分和硬件盤臺部分。可以看出，現(xiàn)有的DTS與SOTS在仿真范圍和仿真功能上是優(yōu)勢互補的。本文在原有的DTS和SOTS的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了DTS-SOTS聯(lián)合故障模擬功能，結(jié)合DTS和SOTS各自的優(yōu)勢，構(gòu)成了一個聯(lián)合仿真系統(tǒng)，使SOTS的仿真和培訓(xùn)功能大為增強。

該聯(lián)合仿真系統(tǒng)已在佛山電力工業(yè)局的現(xiàn)場運行，收到了很好的培訓(xùn)效果。

2

聯(lián)合故障仿真的設(shè)計

2.1

DTS-SOTS聯(lián)合故障仿真的要求

DTS的電網(wǎng)初態(tài)既可以取自2.2

SOTS的系統(tǒng)構(gòu)成

獨立的SOTS由硬件盤臺和軟件控制中心組成。硬件盤臺上有仿真站內(nèi)所有一次設(shè)備的投停狀態(tài)顯示和量測表計指示，并在保護(hù)屏上顯示二次設(shè)備的保護(hù)裝置動作信號；軟件控制中心由主控臺、教員臺和學(xué)員臺組成，分別運行于前置機、教員機和學(xué)員機上。主控臺負(fù)責(zé)硬件盤臺的上電初始化和盤臺顯示的刷新，教員臺負(fù)責(zé)設(shè)置各種類型的故障和異常，學(xué)員臺供學(xué)員進(jìn)行各種站內(nèi)操作[2]。

2.3

DTS的系統(tǒng)構(gòu)成

獨立的DTS主要由電力系統(tǒng)模塊（PSM）、控制中心模塊（CCM）和仿真支持功能模塊（SSF）組成。具體由功能子模塊實現(xiàn)。它們主要包括：初始化模塊、潮流計算模塊、事件處理模塊、保護(hù)處理模塊和圖形顯示模塊等。所有模塊均運行于作為DTS教員臺的UNIX工作站上，并可以使潮流畫面在多個DTS學(xué)員臺主機上顯示。

2.4

聯(lián)合故障仿真需要增加和增強的功能

為了滿足與SOTS聯(lián)合進(jìn)行故障仿真的要求，在DTS側(cè)需要增加DTS-SOTS網(wǎng)絡(luò)接口模塊（作為服務(wù)器）和短路電流計算模塊，并且要對原有的DTS模塊進(jìn)行功能擴(kuò)充，增加對新模塊的配合和與SOTS進(jìn)行協(xié)作的能力。SOTS側(cè)需要增加DTS-SOTS網(wǎng)絡(luò)接口模塊（作為客戶端），以負(fù)責(zé)發(fā)送/接收操作和故障信息及刷新盤臺顯示；而且還要增加保護(hù)裝置動作模擬功能。DTS側(cè)的短路電流計算模塊和事件處理模塊在聯(lián)合故障仿真功能的實現(xiàn)中是最核心的模塊。網(wǎng)絡(luò)接口模塊作為DTS和SOTS互相通信的途徑。

（1）DTS-SOTS網(wǎng)絡(luò)接口模塊

網(wǎng)絡(luò)接口模塊的功能主要是為SOTS提供準(zhǔn)確而真實的實時潮流數(shù)據(jù)支持（所謂的“下行數(shù)據(jù)”，即正常狀態(tài)下的潮流數(shù)據(jù)和故障情況下的短路電流數(shù)據(jù)），以及為DTS提供SOTS側(cè)的操作信息和故障設(shè)置信息（所謂的“上行數(shù)據(jù)”）。當(dāng)DTS與SOTS的聯(lián)接建立后便進(jìn)入聯(lián)合仿真模式。這時，DTS與SOTS互相配合，進(jìn)行仿真培訓(xùn)。主要的培訓(xùn)工作都在SOTS端進(jìn)行。用戶在DTS中可以進(jìn)行配合SOTS培訓(xùn)的一些基本操作，如斷開與SOTS仿真站相連的一條線路等。實現(xiàn)的方法是在DTS主機上啟動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序，在固定的端口等待SOTS主機的聯(lián)接請求；同時在SOTS主機上運行網(wǎng)絡(luò)客戶端程序；當(dāng)需要DTS與SOTS相聯(lián)時，SOTS主動聯(lián)接DTS工作站上的服務(wù)器程序，建立TCP流式聯(lián)接。上行和下行數(shù)據(jù)都通過該聯(lián)接收發(fā)[2]。

（2）短路電流計算模塊

短路電流計算模塊是故障模擬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為故障模擬提供故障時的短路電流和母線電壓等基本電氣數(shù)據(jù)。SOTS側(cè)的保護(hù)裝置就是基于短路電流計算模塊的計算結(jié)果進(jìn)行動作的。

短路電流計算模塊的運行狀態(tài)如圖1所示。

在經(jīng)過初始化之后，短路電流模塊就進(jìn)入故障計算循環(huán)狀態(tài)，直到收到退出信號結(jié)束運行為止。故障計算循環(huán)主要由3個狀態(tài)組成：等待計算信號狀態(tài)、故障計算狀態(tài)和計算完畢狀態(tài)。在沒有故障的時候，模塊處于等待計算信號狀態(tài)。當(dāng)收到短路電流計算（SCC）信號時，模塊進(jìn)入故障計算狀態(tài)；計算完畢后模塊暫時處于計算完畢狀態(tài)，當(dāng)處理完有關(guān)的標(biāo)志變量和信號后，立即返回等待計算信號狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次短路電流計算。

（3）增強的事件處理模塊

事件處理模塊承擔(dān)了處理操作事件、故障設(shè)置事件以及判斷操作是否會引發(fā)故障的任務(wù)，并負(fù)責(zé)SOTS側(cè)的保護(hù)動作和DTS側(cè)的保護(hù)判斷結(jié)果之間的協(xié)調(diào)處理。

圖2為事件處理模塊在處理事件時的活動圖。事件處理分為操作處理和故障處理2種情況。如果收到的事件是故障設(shè)置事件，則直接進(jìn)行故障處理；如果收到的是操作事件，則在進(jìn)行操作處理的時候，需要判斷該操作是否會引發(fā)故障（如帶負(fù)荷拉刀閘、帶電合接地刀閘等），如果會引發(fā)故障，則轉(zhuǎn)入故障處理。故障處理包括給短路電流計算模塊發(fā)送故障信息和進(jìn)行繼電保護(hù)判斷2部分。最后，不論是正常操作處理還是故障處理，都生成潮流計算基本事件，供潮流計算模塊修改導(dǎo)納矩陣和節(jié)點注入量。

（4）增強的保護(hù)處理模塊

保護(hù)處理模塊負(fù)責(zé)DTS中的繼電保護(hù)動作行為的模擬。在DTS獨自運行的時候（穩(wěn)態(tài)模型下），保護(hù)處理模塊根據(jù)故障信息按照邏輯判斷方法判斷出保護(hù)裝置動作情況，并把斷路器動作信息送潮流計算模塊以便進(jìn)行新的潮流斷面計算。在DTS和SOTS聯(lián)合培訓(xùn)的時候，保護(hù)處理模塊需要與SOTS側(cè)的保護(hù)裝置進(jìn)行配合，即仿真站內(nèi)的繼電保護(hù)裝置動作結(jié)果由SOTS給出，仿真站外的保護(hù)裝置動作結(jié)果仍然由DTS的保護(hù)處理模塊自行判斷。最終的保護(hù)裝置動作結(jié)果由事件處理模塊協(xié)調(diào)決定。

2.5

聯(lián)合故障仿真的事件流程

時鐘激活方式是指：DTS側(cè)的時鐘模塊按照設(shè)定的時鐘周期（一般為5s，可調(diào)）定時激活潮流計算模塊進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計算，并把計算結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給SOTS，供SOTS刷新盤臺的表計（有功、無功、電流、電壓）顯示。

圖3為時鐘激活方式下有關(guān)模塊之間的協(xié)作圖。圖中數(shù)字編號表示事件執(zhí)行順序，下圖同。

3

仿真效果

佛山DTS主機為SUNUltra10工作站，單CPU400MHz、256MRAM、雙顯，操作系統(tǒng)為SunOS5.7。SOTS主機（前置機）配置為奔騰III866MHz，128MRAM，操作系統(tǒng)為WindowsME。DTS配有PC學(xué)員機2臺，SOTS配有PC教員機、學(xué)員機各1臺。DTS和SOTS所在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)。

佛山DTS模擬了佛山地區(qū)地調(diào)系統(tǒng)，仿真規(guī)模為：廠站36個，結(jié)點246個，支路328條，對外部500kV主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了等值簡化處理。佛山SOTS模擬的仿真站包括：220kV線路2條，110kV線路4條，10.5kV線路4條，主變2臺。物理模擬設(shè)備包括仿真盤臺13塊，保護(hù)屏4塊。

聯(lián)合故障仿真模擬包括：潮流量（有功、無功）62個，

聯(lián)合故障仿真開始前，DTS和SOTS分別啟動并進(jìn)入聯(lián)接狀態(tài)。其中DTS側(cè)經(jīng)過“數(shù)據(jù)庫初始化→潮流計算初始斷面→保護(hù)模塊和短路電流模塊啟動→網(wǎng)絡(luò)接口服務(wù)器啟動”等步驟后，等待SOTS側(cè)的聯(lián)接請求；SOTS側(cè)經(jīng)過“盤臺上電→控制臺啟動并初始化盤臺→網(wǎng)絡(luò)接口客戶端啟動→聯(lián)接DTS側(cè)網(wǎng)絡(luò)接口服務(wù)器→取得DTS斷面數(shù)據(jù)并刷新盤臺顯示”等步驟，使SOTS盤臺顯示與DTS計算結(jié)果相一致，從而建立DTS–SOTS聯(lián)合運行的同步初始狀態(tài)。2s

表1表明，仿真站側(cè)（SOTS）的斷路器瞬時動作，檢無壓重合于永久性故障并加速跳閘；仿真站對側(cè)（DTS）斷路器瞬時動作跳閘，重合閘被檢同期裝置閉鎖。由此可見，設(shè)置故障到保護(hù)動作的時間間隔以及事件之間的時序完全符合實際電網(wǎng)中的情況，達(dá)到了模擬真實度的要求。

在現(xiàn)場測試中，對DTS中的動態(tài)模型也進(jìn)行了與SOTS的聯(lián)合模擬試驗，結(jié)果是成功的。DTS動態(tài)模型的計算結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)接口實時送給SOTS，SOTS盤臺的量測表計以“慢動作”的方式逼真地再現(xiàn)了所感受到的系統(tǒng)的動態(tài)變化，取得了一般變電站模擬系統(tǒng)所無法達(dá)到的動態(tài)模擬培訓(xùn)效果。

4

結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)的DTS-SOTS聯(lián)合故障仿真功能，將傳統(tǒng)的DTS和SOTS的功能結(jié)合起來，既發(fā)揮了DTS在電網(wǎng)仿真方面的優(yōu)勢，也充分利用了SOTS對變電站內(nèi)部逼真模擬的長處。在聯(lián)合模擬系統(tǒng)中，DTS為SOTS提供了一個具有交互功能的仿真實時數(shù)據(jù)源，從而使SOTS從原來的單一靜態(tài)斷面模擬方式升級到實時動態(tài)交互模擬方式。在DTS和SOTS協(xié)調(diào)配合的聯(lián)合培訓(xùn)模式下，正常操作和故障發(fā)生時，可使仿真站內(nèi)外的電網(wǎng)狀態(tài)同步變化，分別從局部細(xì)節(jié)和全網(wǎng)概貌上真實地再現(xiàn)了電力系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)過程。

通過DTS-SOTS聯(lián)合故障仿真，既可以分別對電網(wǎng)調(diào)度員和變電站操作員進(jìn)行培訓(xùn)，也可進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)度員和變電站操作員協(xié)同配合的聯(lián)合反事故演習(xí)。變電站運行人員通過DTS-SOTS聯(lián)合故障仿真既能了解電網(wǎng)的正常運行和故障對變電站的影響，也能了解到變電站的運行和故障對電網(wǎng)的影響，從而在變電站的值班崗位上建立起對電網(wǎng)全局的正確概念和真實體會，這對保障整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有很大的現(xiàn)實意義[4]。參考文獻(xiàn)[1]

向春，王心豐（XiangChun，WangXinfeng）．用DTS建立電網(wǎng)實時仿真的方法研究（Methodofestablishingreal-timesimulationindispatchertrainingsyste