智能变电站混合仿真系统研究分析

张 可，田 皞，杨凯江，段晓雪

（云南电网有限责任公司大理供电局，云南 大理 671000）

0 引 言

将某校在2018年投资建设的220 kV雁园智能变电站作为主要案例开展相关研究。这一案例中，变电站系统主要包括10 kV、110 kV以及220 kV共3个等级。10 kV的设计是单母分段，110 kV和220 kV的设计为双母线接线。变电站中主要包含1台180 kV的主电压器、1条20 kV进线线路、3条110 kV出线线路、2条10 kV无功补偿电容器线路以及1条站用变压器线路。智能变电站的系统选择使用北京四方变电站综合自动化系统，因为这一变电站主要是用来开展教学工作，因此不连接实际的电网一次系统，二次系统也不能得到符合运行条件的实时数据。为能实现模拟电网一次系统和二次系统的运行状况，应不断提高相关工作人员的专业能力和技术水准。在创建数字和物理混合仿真系统的基础上，使用电网数字模型和实际变电站二次设备有效结合的混合仿真系统，完成智能变电站一次系统和二次系统的仿真。

1 基本概述

按照《智能变电站技术导则》的规定，智能变电站主要使用具有先进性、可靠性、集成化以及节能环保的智能设备，根本要求是信息数字化、通信网络平台化以及信息共享标准化[1]，自动实现对数据的收集、测量、保护、控制以及监控，并按自身需求对电网进行自动控制、协同交互以及线上分析。智能变电站混合仿真技术是利用计算机虚拟智能变电站及周边设备的仿真技术，使用计算机将虚拟和现实有效结合，模拟三维场景交互的仿真环境，建立智能变电站的混合仿真系统。

2 理解智能变电站混合仿真系统的设计

2.1 设计混合仿真系统的条件

开展220 kV智能变电站混合仿真系统设计的过程中，根据三层两网的系统结构，使用分层的方法建立智能化一次设备和网络化二次设备，并将IEC61850标准作为通信协议的标准。IIEC61850标准能够有效落实MMS和SV等各种网络协议，并利用MMS功能和SV功能传送信息流，同时开展过程层、间隔层以及站控层的模拟仿真[2]。

2.2 设计智能变电站混合仿真系统的整体结构

智能变电站通常使用具有先进性和可靠性的智能设备，以此落实电力系统的数字信息化、数据共享、自动收集以及处理信息，支持电网的智能安排和控制。智能变电站主要利用计算机通信系统实现智能变压器和控制系统的连接，有效落实对电压变压器运行状况的实时控制[3]。智能变电站的整体结构是根据IEC61850标准设计完成的三层体系架构，将二次设备、智能电网仿真平台以及过程仿真装置集于一体，形成封闭的智能变电站混合仿真系统。

2.3 设计智能变电站混合仿真系统的结构和性能

智能变电站主要是实现信息共享，按照IEC61850标准设计混合仿真系统，利用目标建模技术和系统结构完成系统设计。仿真系统的设计主要是使用三层两网的结构开展设计如图1和图2所示。

图2 智能变电站混合仿真系统网络结构图

站控层MMS和间隔层的以太网设计是在IEEE802.2标准的基础上开展的。站控层网络用于落实站控制层和间隔层的信息通信，并实现传送站控层中的信息，能落实MMS制造消息规范的基础数据传送作用[4]。位于间隔层和过程层间的过程层网络，主要作用是实时传送智能变电站的模拟量等信息数据，利用网络模式完成数据间的共享。站控层的主要作用是为智能变电站提供运作界面和操作界面；间隔层包含了继电保护等各种设备，结合IEC61850标准实现信息数据的传输，为智能一次设备供应通信接口；过程层主要包括电子式互感器等智能装置。

3 软件设计

3.1 上位机程序的设计

上位机利用串口来颁发指令，下位机则把串口数据流转变成并行数据字符提供给主控单元，以此来完成使用者对机器人运动场景的实时监控，实现交互的时效性。控制屏幕如图3所示。

3.2 下位机程序的设计

上位机和控制板间的通信往往利用UART通信来完成，UART通信程序能使用查询、中断以及DMA方式。一般情况下，应用多样化的中断方法来写出UART通信程序的方法。

4 对方案配置选型进行设计

根据现场的实际情况，需要24个电压输出、38个电流输出以及90个开关量，主要有两种方案。

图3 Wi fi控制界面

图4 程序设计

（1）RTDS和功率放大器结合，包含1台进口的RTDS主机、6个模拟卡（每块能输出12个信号）、1个开关卡、2台电压功率放大器（每台12路输出）以及3台电流功率放大器（每台12路输出）[5]。

（2）5个后台掌控62个随意改变的量，缺少RTDS时可以当成继电保护测试仪；具有RTDS时，可以切换至功放接口实现功放作用。这一方案选择FPGA基础上的数字仿真平台，使用实时数字仿真平台内的FPGA解算器开展相关的计算和通信，根据IEC61850协议标准发送，通过GOOSE和SV报文，与实际保护装置有效连接，实现对回路变电站硬件的实时仿真。FRTDS内的FPGA解算器经高速以太网和PC机开展数据的交互，将上位机软件安装在PC机上，实现对仿真过程的监督。

5 系统构架

在FPGA基础上完成的实时数字仿真平台流程，如图5所示。

图5 数字仿真平台流程图

6 系统功效

系统功效主要包括：（1）开启和暂停仿真过程；（2）实时体现系统运作的状况；（3）设定电源参数、检测变压器中的电量故障和非电量故障；（4）设定站内负荷有功功率和无功功率；（5）设定站内节点故障，通过建立节点的单相故障、两相故障以及三相故障模拟仿真系统中各个节点的短路故障；（6）设定线路故障；（7）模拟系统内部的线路短路和故障；（8）设定组合故障，并模拟系统内产生的大量故障；（9）设定CT传输故障，模拟其实际状况；（10）设定开关跳闸。在用户初始表中设定初始电路、负载CT以及变压器等各项参数[6]。

7 实际运作状况

智能变电站三期一次系统和二次系统建设工作已完成，项目逐渐进入调试阶段，通过二次系统和仿真系统的有效结合，调试系统的各项性能。例如，设定“线路故障”，在上位机程序的任意一条线路上设定故障，利用鼠标点击线路故障的设定按钮，开启线路故障设定选项，仿真页面如图6所示。单击箭头指示的线路，打开线路故障设定选项后，设定模拟故障。

图6 仿真界面

8 结 论

通过模拟智能变电站的实际状况，完成对智能变电站混合仿真系统的设计和研究，并完成了对智能变电站仿真的虚拟操纵，落实了对信息的收集及网络测验分析等，仿真规模较大，作用完善。综上所述，设计智能变电站的仿真系统能有效提升电网运行的安全性和可靠性，具有重要的现实意义。