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摘要：针对当前我国变电站自动化仿真与培训系统所存在的缺陷，提出一种基于实施仿真技术的变电站数字物理混合仿真与培训系统，它的一次系统采用的是计算机软件实时仿真，也就是采用真实但不带电的设备，其二次系统所采取的是和电力生产现场相同的真实变电站综合自动化设备，在软件仿真的一二次系统之间通过信号转换装置以及功率放大器进行连接，其一二次设备之间则经过电缆将二次回路进行连接，将软件和实物相连接，促使培训与现场实际更接近，增强其培训功能。
关键字：实时仿真技术；变电站；数字；物理混合；仿真培训
引言
目前我国的电力系统变电站的值班员岗位的培训中，大多数都是对软件仿真培训的应用，但也只能在虚拟软件或者三维界面中进行巡视、操作以及故障的处理，具有一定的局限性和单一的培训功能。变电站数字物理混合仿真培训系统可以通过对实际变电站的一、二次设备进行连接，结合数字仿真和实时测试以及暂态仿真技术、通信技术、计算机技术和数字信号处理技术等，让培训更加真实。
一、变电站数字物理混合仿真与培训系统的组成
其中一次系统所采取的是计算机软件实时仿真，即采用的设备为真实不带电。仿真以及实际的一次系统都是独立的典型66kV的变电站，二次系统所采取的是与电力生产现场相符且真实的变电站二次设备。在软件仿真的一次系统与真实的二次系统之间是通过起着互感器作用以及一次设备辅助接点作用的变电站二次信号转换装置所连接的，也就是信号转接箱。经由功率放大器将信号转接箱与二次设备相连接，再通过电缆将真实的一、二次设备进行二次回路的接通。真实的一次设备状态相对计算机中实时仿真软件中的一次设备状态。
二、变电站数字物理混合仿真与培训系统的功能分析
（1）数字仿真系统
数字仿真系统是对变电站一次系统的实时动态仿真计算进行负责，在此系统中包括有电力系统元件模型，可以借助图形界面进行电网结构以及元件参数的修改。结合变电站的接线结构与元件参数进行准确计算变电站一次系统运行的情况，并将和变电站相同的电压和电流波形加以实时输出。可以通过对变电站一次主接线进行改变，进而完整仿真模拟出变电站的运行情况。对电力系统中可能存在的故障以及电力负荷变化等方面进行任意设置和模拟，事故仿真可以是设置的事故，包括线路故障、变压器故障以及母线故障等；也可以是误操作事故，这种事故在模型中会自然引发。此外，还可以通过对开关拒动、保护拒动和误动的设置，将事故范围进行扩大。
（2）真实的一次设备
真实的变电站一次开关可以进行就地、远方分合闸，刀闸可以进行就地操作，通过二次回路将分合闸的状态在监控和数字仿真系统中反映，保护装置可以实现对真实一次设备的保护跳闸。
（3）真实的二次设备
二次系统是真实的变电站综合自动化设备，学员可以开展调试和维护，可以对保护类型进行任意改变，对保护定值进行设置，阅读报文、信号复归以及故障录波等，均能实现其变电站二次设备的所有功能。电压和电流指示以及电能表都能保证运转正常。除了运行人员以外，也能对继电保护人员进行调试维护和保护测试等方面的培训。
（4）信号转接箱
信号转接箱是将一次系统的数字仿真实时连接二次系统的实际变电站综合自动化设备，这样才能保证完整的一个闭环数字物理混合仿真系统的形成。通过仿真系统计算所得到的交流电压以及电流模拟量信号再经过信号转接箱进行输出，也就是模拟TV和TA二次侧输出，而通过继电器接点进行一次系统中的断路器位置、刀闸位置、有载调压变压器分接头位置等相关开关量信号的输出。二次系统实际设备输出的保护跳闸、开关操作、有载调压变压器分接头以及重合闸位置的升降等控制信号会转换成数字信号对仿真系统进行反馈，有利于对一次系统结构以及运行参数进行实时改变；同时也促使一次设备动作。
（5）交流放大器
交流放大器可以便于和信号转接箱的连接，在保护装置中输入其放大后的电流和电压。在仿真系统故障设置中，电压和电流参数能够反应到保护装置，促使现场一次设备进行相应动作。而且交流放大器具有较为完善的自我保护和自检功能，并且还便于正常工作状态的恢复。
三、变电站数字物理混合仿真与培训系统的数字仿真系统的建立
数字仿真系统包含有图形仿真建模系统、电力系统暂态仿真计算系统、教练员台以及实时进程控制系统。其中图形仿真建模系统和教练员台是采用的是基于图模库一体化技术图形的最新建模软件，采用面向对象技术对系统进行分析和设计，以确保系统的稳定性和可靠性，也将系统的可扩充性能以及可维护性加以增强。图形分层次进行管理，可以进行任意多图层的添加，在激活的图层上就行图形的绘制，并分层进行图形的显示。通过计算机语言进行电源、负荷以及网络结构数学模型的建立，计算电网动态，具有良好的鲁棒性。电力系统暂态仿真是基于电磁暂态计算的，具有固定频率电源模型，不仅仅能够对系统的工频电量进行计算，还能够对非周期、快速并且高频分量的动态过程加以考虑。当仿真软件与物理设备相互对接的时候，实时进程控制系统就会对整个仿真测试过程的时序以及同步控制加以负责，进而对计算的实时性以及多路信号的同步性进行有效保证。
四、变电站数字物理混合仿真与培训系统硬件配置和性能指标
1、仿真主机
通常采用的计算机是高速双CPU的，对一次系统的建模和实时计算进行负责。
2、信号转接箱
信号转接箱中放置了基于DSP的高速通信卡。仿真主机经过针对电磁暂态仿真的PCI并行总线在信号转接箱中输入信号，在屏柜中分别放置功率放大器和信号转换箱，在装置屏柜的端子排上直接引入输出的模拟量以及I/O信号，由仿真主机对各个信号转接箱的输出和输入。其模拟信号采取的是16位的数/模输出，其±10V为峰值，开关量输入信号所采取的是光电耦合输入，开关量输出信号所采取的是继电器输出，接点容量大于等于200V/0.3A。具有AD转换以及电流电压输出的功能，也就是可以把仿真结果转换为交流模拟量进行输出，具有开关量输入/输出功能，在系统与二次设备开关量交换过程中作用；结合自动化设备的情况以及实际需要进行电压与电流通道数、电压、电流放大倍数、I/O端口数以及电流电压转换系数等的设置。
结束语
总而言之，基于实时仿真技术的变电站数字物理混合仿真与培训系统能够开展数字仿真以及实施测试，将实际的变电站二次设备相连于真实的一次设备，让培训与实际更相近，并且方式灵活，让其培训效果得到有效增强，还能让变电检修、自动化远动以及继电保护等培训功能加以增加，因此在实际培训中具有较好的反响。但是该系统还是存在有一定的缺陷，因此需要对该系统进行深入研究和创新，进而促进基于实时仿真技术的变电站数字物理混合仿真与培训系统更加稳定的发展。
参考文献：
[1]黄文涛，魏文辉，吴季浩，徐正清，张海青. 基于变电站数字物理混合仿真技术的多级联合仿真培训系统[J]. 电网技术，2008，23：95-98+102.
[2]肖京园，刘文定. 变电站数字物理混合实时仿真培训系统初探[J]. 中国高新技术企业，2009，07：15-17+20.
[3]武卫平，孔玉娟. 变电站数字物理混合仿真培训系统[J]. 东北电力技术，2010，02：37-39.
[4]王永清，赵连政. 特高压变电站数字物理混合仿真培训系统[J]. 中国电力教育，2010，30：234-235.
关键字：实时仿真技术；变电站；数字；物理混合；仿真培训
引言
目前我国的电力系统变电站的值班员岗位的培训中，大多数都是对软件仿真培训的应用，但也只能在虚拟软件或者三维界面中进行巡视、操作以及故障的处理，具有一定的局限性和单一的培训功能。变电站数字物理混合仿真培训系统可以通过对实际变电站的一、二次设备进行连接，结合数字仿真和实时测试以及暂态仿真技术、通信技术、计算机技术和数字信号处理技术等，让培训更加真实。
一、变电站数字物理混合仿真与培训系统的组成
其中一次系统所采取的是计算机软件实时仿真，即采用的设备为真实不带电。仿真以及实际的一次系统都是独立的典型66kV的变电站，二次系统所采取的是与电力生产现场相符且真实的变电站二次设备。在软件仿真的一次系统与真实的二次系统之间是通过起着互感器作用以及一次设备辅助接点作用的变电站二次信号转换装置所连接的，也就是信号转接箱。经由功率放大器将信号转接箱与二次设备相连接，再通过电缆将真实的一、二次设备进行二次回路的接通。真实的一次设备状态相对计算机中实时仿真软件中的一次设备状态。
二、变电站数字物理混合仿真与培训系统的功能分析
（1）数字仿真系统
数字仿真系统是对变电站一次系统的实时动态仿真计算进行负责，在此系统中包括有电力系统元件模型，可以借助图形界面进行电网结构以及元件参数的修改。结合变电站的接线结构与元件参数进行准确计算变电站一次系统运行的情况，并将和变电站相同的电压和电流波形加以实时输出。可以通过对变电站一次主接线进行改变，进而完整仿真模拟出变电站的运行情况。对电力系统中可能存在的故障以及电力负荷变化等方面进行任意设置和模拟，事故仿真可以是设置的事故，包括线路故障、变压器故障以及母线故障等；也可以是误操作事故，这种事故在模型中会自然引发。此外，还可以通过对开关拒动、保护拒动和误动的设置，将事故范围进行扩大。
（2）真实的一次设备
真实的变电站一次开关可以进行就地、远方分合闸，刀闸可以进行就地操作，通过二次回路将分合闸的状态在监控和数字仿真系统中反映，保护装置可以实现对真实一次设备的保护跳闸。
（3）真实的二次设备
二次系统是真实的变电站综合自动化设备，学员可以开展调试和维护，可以对保护类型进行任意改变，对保护定值进行设置，阅读报文、信号复归以及故障录波等，均能实现其变电站二次设备的所有功能。电压和电流指示以及电能表都能保证运转正常。除了运行人员以外，也能对继电保护人员进行调试维护和保护测试等方面的培训。
（4）信号转接箱
信号转接箱是将一次系统的数字仿真实时连接二次系统的实际变电站综合自动化设备，这样才能保证完整的一个闭环数字物理混合仿真系统的形成。通过仿真系统计算所得到的交流电压以及电流模拟量信号再经过信号转接箱进行输出，也就是模拟TV和TA二次侧输出，而通过继电器接点进行一次系统中的断路器位置、刀闸位置、有载调压变压器分接头位置等相关开关量信号的输出。二次系统实际设备输出的保护跳闸、开关操作、有载调压变压器分接头以及重合闸位置的升降等控制信号会转换成数字信号对仿真系统进行反馈，有利于对一次系统结构以及运行参数进行实时改变；同时也促使一次设备动作。
（5）交流放大器
交流放大器可以便于和信号转接箱的连接，在保护装置中输入其放大后的电流和电压。在仿真系统故障设置中，电压和电流参数能够反应到保护装置，促使现场一次设备进行相应动作。而且交流放大器具有较为完善的自我保护和自检功能，并且还便于正常工作状态的恢复。
三、变电站数字物理混合仿真与培训系统的数字仿真系统的建立
数字仿真系统包含有图形仿真建模系统、电力系统暂态仿真计算系统、教练员台以及实时进程控制系统。其中图形仿真建模系统和教练员台是采用的是基于图模库一体化技术图形的最新建模软件，采用面向对象技术对系统进行分析和设计，以确保系统的稳定性和可靠性，也将系统的可扩充性能以及可维护性加以增强。图形分层次进行管理，可以进行任意多图层的添加，在激活的图层上就行图形的绘制，并分层进行图形的显示。通过计算机语言进行电源、负荷以及网络结构数学模型的建立，计算电网动态，具有良好的鲁棒性。电力系统暂态仿真是基于电磁暂态计算的，具有固定频率电源模型，不仅仅能够对系统的工频电量进行计算，还能够对非周期、快速并且高频分量的动态过程加以考虑。当仿真软件与物理设备相互对接的时候，实时进程控制系统就会对整个仿真测试过程的时序以及同步控制加以负责，进而对计算的实时性以及多路信号的同步性进行有效保证。
四、变电站数字物理混合仿真与培训系统硬件配置和性能指标
1、仿真主机
通常采用的计算机是高速双CPU的，对一次系统的建模和实时计算进行负责。
2、信号转接箱
信号转接箱中放置了基于DSP的高速通信卡。仿真主机经过针对电磁暂态仿真的PCI并行总线在信号转接箱中输入信号，在屏柜中分别放置功率放大器和信号转换箱，在装置屏柜的端子排上直接引入输出的模拟量以及I/O信号，由仿真主机对各个信号转接箱的输出和输入。其模拟信号采取的是16位的数/模输出，其±10V为峰值，开关量输入信号所采取的是光电耦合输入，开关量输出信号所采取的是继电器输出，接点容量大于等于200V/0.3A。具有AD转换以及电流电压输出的功能，也就是可以把仿真结果转换为交流模拟量进行输出，具有开关量输入/输出功能，在系统与二次设备开关量交换过程中作用；结合自动化设备的情况以及实际需要进行电压与电流通道数、电压、电流放大倍数、I/O端口数以及电流电压转换系数等的设置。
结束语
总而言之，基于实时仿真技术的变电站数字物理混合仿真与培训系统能够开展数字仿真以及实施测试，将实际的变电站二次设备相连于真实的一次设备，让培训与实际更相近，并且方式灵活，让其培训效果得到有效增强，还能让变电检修、自动化远动以及继电保护等培训功能加以增加，因此在实际培训中具有较好的反响。但是该系统还是存在有一定的缺陷，因此需要对该系统进行深入研究和创新，进而促进基于实时仿真技术的变电站数字物理混合仿真与培训系统更加稳定的发展。
参考文献：
[1]黄文涛，魏文辉，吴季浩，徐正清，张海青. 基于变电站数字物理混合仿真技术的多级联合仿真培训系统[J]. 电网技术，2008，23：95-98+102.
[2]肖京园，刘文定. 变电站数字物理混合实时仿真培训系统初探[J]. 中国高新技术企业，2009，07：15-17+20.
[3]武卫平，孔玉娟. 变电站数字物理混合仿真培训系统[J]. 东北电力技术，2010，02：37-39.
[4]王永清，赵连政. 特高压变电站数字物理混合仿真培训系统[J]. 中国电力教育，2010，30：234-235.