基于组件技术的变电站二次回路动态仿真系统

李 真

（济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

随着电力系统的不断发展，电网智能化日益重要，智能变电站是智能电网的重要环节，其建设将对变电站的设计、管理、检测和运行维护带来巨大变革。对于智能变电站二次系统的工程设计来说，最具影响的变化，是智能变电站以通信网络取代了常规二次回路，网络中的虚拟数字信息取代了物理上的电气信号，二次系统功能信息逻辑和信号的输入输出关系与通信网络接线不再一一对应，电缆或光缆最多只能反映出通信上的连接关系，不能描述真实的功能互操作、互通关系［1］。这种变化需要变电运行、继电保护专业人员的理论素质和技能水平有相应提高，然而目前变电站二次回路培训手段主要还停留在教师讲课、学生读图及多媒体回路讲解课件等方式上，而现有的仿真培训系统大部分仍将重点放在一、二次设备操作上而并非真正基于图纸或实际二次回路［2］，这些方式有各自的局限性，在系统完整性方面也有欠缺。

系统将变电站二次回路仿真集成到一个综合的全数字化、可视化、交互式变电站仿真环境中，为变电站运行、继电保护等专业人员建立了一个完整的变电运行、二次回路培训平台，将为培训人员深入了解变电站内部接线状况、提高专业知识积累提供直观有力的工具。

1 系统整体结构

二次回路动态仿真系统是支持多文档的图形组态软件，每个文档对应一个二次回路图文件。软件中包括图元对象模块、绘图模块、文件存取模块。整体结构如图1所示。

图1 二次回路动态仿真系统的整体结构图

首先可由系统新建绘图文件，文件通过系统中的画图模块进行二次回路图绘制，绘制过程调用系统中的绘图模块，绘图模块在执行绘制功能时调用图元对象模块，获取图元信息，对所绘制的图元信息进行处理，处理后将所绘制的图元以及图元间的位置连接关系写入绘图文件，当二次回路图绘制完毕后，可通过文件存取模块保存为XML格式文件，亦可将已保存的XML格式二次回路图文件经过文件存取模块打开成二次回路图，重新将二次回路图呈现，通过绘制模块以及图元信息模块进行进一步修改。

2 技术实现

软件采用Visual C++编程语言，在MFC架构下进行编程，所以软件将逻辑结构嵌入到MFC的架构中。MFC采用的是文档式结构，有固定的类结构，包括应用程序类、边框窗口类、文档边框窗口类、文档类、视类、文档模板类。

为更好利用MFC编程框架，将逻辑结构稍作改动，使其适应MFC框架类，在子窗口的视类中加入绘图面板，作为访问绘图模块以及文件存取模块的接口，可以更方便地调用绘图模块以及文件模块，嵌入后的整体架构如图2所示。

图2 嵌入MFC结构的系统整体架构

二次回路动态仿真系统为简化操作过程，提高工作效率，采用了基于图形组态技术进行开发。组态的含义就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。而针对电气绘图开发的图形组态软件，目标就是提供图形化的电力系统元件、连接工具和方法作为“部件”，用户只需要将这些“部件”进行“组装”便能完成图形的绘制工作，最后以数据文件的形式保存成品，而不是执行程序。作为电力系统的图形组态软件，除了处理一般的图形绘制任务，还有一个重要的任务，就是当电力系统的接线图绘制完成后，要自动生成电力系统的网络拓扑信息，为电力系统的高层应用分析提供支持。而且，电力系统的状态都是瞬间变化的，有自己特殊的数据结构、特殊的算法［3］，这些都要求在设计时预留电气属性接口。

设备逻辑图元实体类架构不但需要满足所有信息的存储，而且还要使得图形绘制时依赖于图元的各个算法的复杂度尽量低。系统运用抽象工厂模式对图元类架构进行设计，并设计了合适的数据结构对信息进行保存，满足所有有效信息的存取以及方便使用。

将电气元件的功能属性加入仿真系统，可拓展仿真系统的应用领域，使仿真系统在图形数据方面适应要求［4］。通过该系统搭建的变电站二次回路图，在接受到虚拟电气信号后，可以作出正确的动态变化。

3 系统主要内容

3.1 整体概述

二次回路动态仿真系统包含电流回路、电压回路和控制回路3个部分，3个回路密切结合，实现220 kV变电站系统中线路与变压器二次侧保护功能。电流电压回路中保护屏的示数来源于变电站仿真一次系统值的设定，在电流电压回路中显示故障数据的获取过程。而控制回路则是基于单装置测试中的故障跳闸动作和合闸复位。

3.2 电流回路

在电流回路中，项目划分两个层次来表现电流数据获取过程。

首先通过简易流程图能够直观清晰的看清一次系统和CT之间，以及CT和端子箱和各个保护屏之间的连接关系，并且能够使用户了解到各个保护屏之间的电流示数的联系，并在简易流程图中标注CT根部的三相电流示数。然后通过详细流程图，能够详细了解电流走向。

通过电流互感器将一次侧电流转换为适合的二次侧电流；详细表现CT二次侧根部连线到CT端子箱的过程，细致到每一相，并且通过颜色加以区分A、B、C三相；详细表现CT端子箱连线到各保护装置的过程，同样细致到每一相，并且通过颜色加以区分 A、B、C 三相。

电流信号可人为模拟设置，并且在详细的流程图中可以实时显示其电流的变化，利用数据源解析之后显示其数据。

3.3 电压回路

通过电压互感器将一次侧电压转换为适合的二次侧电压；详细表现PT二次侧根部连线到PT端子箱的过程，细致到每一相，并且通过颜色加以区分A、B、C三相；详细表现PT端子箱连线到并列屏，再从并列屏转接到各保护装置的过程，同样细致到每一相，并且通过颜色加以区分A、B、C三相。

电压信号可人为模拟设置，并且在流程图中可以实时显示电压变化，利用数据源解析之后显示其数据，同时，电压回路中空气开关或辅助触点也可以通过开断影响数据显示。

3.4 控制回路

控制回路的元件通过图元搭建，回路中开关可控，并且通过继电器，把一些开关关联起来，形成一个完整的控制回路。控制回路运行，系统可模拟一个故障信号，经过原理库的计算和逻辑，就会触发跳闸或者合闸回路［5］。

控制回路的实现分为两个层次：首先是三相动作回路，可通过手动实现断路器动作，同时也可通过模拟故障信号控制，改变动作过程；然后是单相动作回路，单相回路中的辅助触点的开关受控于三相回路中的继电器，可看做三相动作的具体实现，同时也可通过模拟故障信号的控制，来独立实现动作过程。

4 结语

系统突破了以往大部分二次回路仿真分析仅局限于图纸的限制，使二次回路仿真有了一个更加完整的虚拟环境。

通过软件模拟电网二次装置的运行机理、输入输出特性和电气回路，使用户可以深入到保护装置内部了解装置工作的深层原理，图形化、可视化的显示逻辑输出和动作特性，为用户提供了深入分析微机保护装置工作过程、动作结果的有力工具，使学员从系统的角度了解和掌握二次装置的动作逻辑。

［1］ 陈礼义，顾强.电力系统数字仿真及其发展［J］.电力系统自动化，1999，23（23）：1-6.

［2］ 宋人杰，陆达，徐涛.通用型继电保护及二次回路多媒体仿真培训平台系统［J］.继电器，2001，29（9）：37-39.

［3］ 焦彦军，张新国.电力系统继电保护通用仿真分析系统的方案设计［J］.电力系统及其自动化学报，2001，13（2）：44-47.

［4］ 龚庆武，姜芳芳，陈义飞.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统［J］.电网技术，2005，29（24）：74-77.

［5］ 吕霞，曾克娥，李银红，等.基于组件技术的继电保护整定软件研究［J］.继电器，2003，31（2）：31-33.