220kV智能变电站数字物理仿真实训系统设计方案研讨

曹玥洁

摘 要：智能变电站数字物理仿真教培系统是将智能变电站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监控等基本功能。利用智能电网计算的电磁暂态仿真软件，通信模块采用GB/T860国家标准的IO接口，物理的智能变电站二次设备，监控装置，直流系统，二次回路，光电断路器及刀闸操作机构模拟装置和教练员操控系统有机结合，构成了完善的综合教培平台。为电力类高职院校师生教学、科研和企业员工岗前培训，从理论知识到专业技能进行全范围、全过程、全场景的教学实训。

关键词：智能变电站;仿真系统;数字物理混合型

【中图分类号】G 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1216（2016）11C-0067-02

近年来，随着改革开放不断深化，我国职业技术教育在教学模式和实训手段上进行了创新发展，更加注重人才质量培养的多面性，树立创新的人才观、质量观。在这样的背景下，电力各类职业院校和培训中心更加重视将仿真技术应用到教学和科研中来，注重智能变电站培训基地的创新建设。

一、技术方案

（一）智能变电站的组成

智能变电站由过程层、间隔层、站控层三部分构成，其结构框图如图1所示。

1.过程层。

遥测量采用模拟的光电压互感器、电流互感器、一次信号采用电压源及电流源，所有设备内部结构做成可视化模块。合并单元采用真实的设备，同电压互感器、电流互感器利用光纤通道组成完整的信息采用网络。遥信量、遥控量采用模拟断路器加智能汇控柜或智能操作箱的模式，实现智能断路器的基本功能。

2.间隔层。

间隔层采用真实的数字化保护及测控装置，按IEC61850协议同过程层及站控层组成智能变电站的监控系统。

3.站控层。

依据220kV变电站的标准配置监控后台机及远动机。监控系统软件采用国家电网公司所属220kV变电站通用公司的产品。

（二）设计原则

智能变电站遵照DL860标准，与传统变电站综合自动化系统在结构上具有本质区别。需要针对智能变电站站控层、间隔层和过程层的三层结构，制定出智能变电站仿真实训环境的整体方案。同时智能变电站在继电保护及自动化的专业实训方面，系统在设计上充分考虑了网络架构，软、硬件的配置上遵循兼容开放性原则，具有适度超前性，为后续系统升级和教学科研开发留有余地。

（三）体系结构

智能变电站数字物理仿真实训系统主要包括智能电力网实时仿真软件和变电站电气二次设备两大部分，如图2所示：

智能变电站数字物理仿真系统总体结构是由实时仿真核心单元，电气一次设备模拟装置、光电式互感器模拟装置、智能操作箱，GOOSE网络保护装置、各类设备保护装置，教员机等设备组成。智能变电站二次设备依据电力规程，配置真实的继电保护、测控设备、监控后台系统，合并单元，智能操作箱，直流系统、交流系统、通信网络等设备。

二、系统规模及实现功能

实训项目的内容及规模按照标准220kV智能变电站设计，一次设备采用软仿真，二次设备采用与智能变电站电力规程设计要求真实设备和间隔配置。

（一）智能电网实时仿真系统

智能电网实时仿真结构包括电力网实时仿真核心单元，时钟同步模块，实时输入输出（IO）接口设备。智能电力网实时仿真软件核心单元。实时IO接口具有模拟扩展功能。依据实时电网仿真软件的计算结果，IO接口以数字或模拟信号为各类继保测控装置提供实时、准确、高精度的模拟电压、电流信号源，并能实时采控光电断路器、隔离开关、接地设备的状态反馈给电网仿真系统。

（二）仿真模拟装置

1.光电式互感器模块。

光电式互感器模块是模拟光电互感器输入输出信号的一次主要设备。可按照设计要求配置并与智能变电站的过程层设备相接，主要用于过程层合并单元和智能终端等设备运行和检修技能的教学培训。

2.过程层智能终端模块。

智能终端模拟接口模块采用国家标准GB/T860架构，主要面向变电站时间（GOOSE）成为智能变电站间隔层和过程层各类信息交互接口，可完成智能终端信息功能模拟。同时终端通信仿真模块可以实现GOOSE通信报文，仿真智能单元可实现信息上传和对设备的遥控。过程层智能终端模拟接口模块输出全部采用光纤网络接口，网络接口带宽不低于100Mbit/s。

3.过程层合并单元模块。

根据 GB/T860国家标准，针对过程层合并单元发出的信息报文，将静态模拟信息或电磁暂态计算波形实时发送，为间隔层设备提供了可靠、精确的仿真数据流，实现了智能变电站中合并单元的模拟。

合并单元模块可采用集中配置方式，同时为确保仿真数据实时性的要求，不同合并单元的模块采用独立网络接口，网络接口带宽不应低于100Mbit/s。

4.智能一次设备模块。

由于资金、场地的限制，智能变电站一次设备，可采用先进的3D技术模拟光电断路器，刀闸，主变及操作机构等设备。可以模拟一次设备的各类状态、信息和控制量。通过电缆接线盒、光纤终端连接，实现智能终端和间隔设备的软仿真。同时可利用嵌入技术开发智能变电站一次设备，例如，光电断路器、刀闸及操作机构的模拟装置，具体操作机构有接点、接入设备端子箱，可考虑与光电互感器（TA、TV）端子箱组屏。这样可以模拟光电断路器，刀闸及操作机构的正确操作和故障状态下事故的分析和处理。

三、智能变电站二次设备

依据电力行业标准，为了使实训场地满足现场环境，要求配备以下二次电气设备：

1.继电保护设备。

包括220kV主变保护柜;220kV线路保护柜;220kV母线保护柜;110kV线路保护柜;10kV线路保护柜;故障录波器屏;直流屏。配置数量依据电力规程而定。

2.监控系统及设备。

包括操作员工作站兼工程师站;站控层网络通信柜;卫星时钟接收和时钟同步装置;公用测控柜;220kV线路及母联测控柜;110kV线路及母联测控柜;主变测控装置。

3.过程层设备。

主要包括不同电压等级的合并单元，如10kV线路间隔合并单元;10kV电容间隔合并单元;10kV主变间隔合并单元。智能终端（智能操作箱），其中包括：220kV线路智能终端;220kVPT智能终端;110kV线路智能终端;110kVPT智能终端;主变智能终端;10kV线路智能终端;10kVPT智能终端。

四、结束语

目前，随着特高压建设进入实用化阶段，风电、光伏等新能源也要陆续接入电网，电网的安全稳定性要求更高，对作为智能电网支撑点的变电站提出了新要求。比如，优化资源配置，智能设备之间应实现进一步的互联互通，支持采用系统级的运行控制策略，提供高级应用，与大用户，调度相邻变电站之间协同互动等内容。

220kV智能变电站数字物理仿真实训系统能够模拟和现场完全一致的工作环境，对电网安全生产、设备、维检等岗位员工的培训有着重要意义，使各职业院校在各种工况下进行技术的分析和智能控制系统的研究创新成为可能。

参考文献：

[1]周鑫.变电站数字物理混合仿真培训系统的研究与应用[D].华北电力大学（北京），2006.

[2]冯军.智能变电站原理及测试技术[M].北京：中国电力出版社，2012.