摘要：介紹了虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及虛擬變電站的建模方法，采用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言建立了三維虛擬電氣設(shè)備及虛擬變電站，將基于MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真軟件與虛擬變電站連接起來模擬變電站的各種運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)不僅具有三維顯示、實(shí)時(shí)交互及動(dòng)態(tài)仿真等特點(diǎn)，還可以在PC機(jī)和Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，因此具有經(jīng)濟(jì)、高效、便于使用等優(yōu)點(diǎn)。

1 引言

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，提高變電站操作人員的技術(shù)水平對(duì)于保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行具有十分重要的意義。因?yàn)樵谧冸娬具\(yùn)行人員的崗位培訓(xùn)中既不能在運(yùn)行著的系統(tǒng)或設(shè)備上進(jìn)行實(shí)際操作試驗(yàn)，也不允許人為地設(shè)置事故讓學(xué)員觀察處理，這就使得學(xué)員難以在變電站的正常操作及事故處理中得到充分鍛煉。因此，建立一個(gè)與實(shí)際變電站運(yùn)行狀況相似的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是十分必要的。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)的電力系統(tǒng)運(yùn)行人員培訓(xùn)系統(tǒng)。90 年代以后我國(guó)也成功研制了多套變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[1]。這些培訓(xùn)系統(tǒng)大多是物理仿真與數(shù)字仿真相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它們的缺陷日益暴露出來，例如只有二維畫面，無法給使用者以真實(shí)的三維感覺；使用專用設(shè)備來實(shí)現(xiàn)物理仿真，導(dǎo)致了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的龐大、復(fù)雜及昂貴；變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)難以隨真實(shí)變電站的變化而變化等[2]。目前加拿大等國(guó)家已經(jīng)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[3-6]，而我國(guó)在這方面仍處于起步和探索階段[2]。

與以往的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)相比，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①充分利用文本、圖形、三維影象、三維動(dòng)畫和聲音等多媒體表現(xiàn)形式刺激學(xué)員的視覺、聽覺神經(jīng)，調(diào)動(dòng)學(xué)員的積極性和主動(dòng)性，從而改善了培訓(xùn)效果；

②既可以降低培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件投資，又能方便及時(shí)地反應(yīng)變電站的變化。因此采用虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)于不可視、不可摸、不可入的危險(xiǎn)場(chǎng)所的仿真以及解決培訓(xùn)設(shè)備不足、型號(hào)落后且難以更新?lián)Q代等困難，其應(yīng)用前景十分廣闊。

2 虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)能模擬變電站正常、異常和故障時(shí)的各種工況及操作過程，如設(shè)備巡視、設(shè)備投運(yùn)、調(diào)整變壓器分接頭以及斷路器跳閘等[7]。在虛擬變電站內(nèi)，如果受訓(xùn)人員的模擬操作改變了變電站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電力系統(tǒng)仿真軟件將自動(dòng)重新計(jì)算并將仿真結(jié)果立即傳送給虛擬保護(hù)自動(dòng)裝置。再由這些裝置立即進(jìn)行計(jì)算并做出正確反應(yīng)。這樣，模擬操作的過程和結(jié)果就與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)基本一致了。

變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它主要包括以下幾個(gè)模塊：

（1）虛擬變電站對(duì)于用戶是可見的，用戶可直接在其中模擬各種操作。

（2）電力系統(tǒng)仿真能夠?qū)ψ冸娬镜恼＿\(yùn)行、故障及檢修等情況進(jìn)行仿真并連續(xù)不斷地輸出電壓及電流信號(hào)。在建立仿真模型時(shí)考慮了變電站的一次設(shè)備及其操作機(jī)構(gòu)、交直流系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的詳細(xì)模型[8]。

（3）信號(hào)處理對(duì)“電力系統(tǒng)仿真”模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行處理后將其送入“輸入判斷”模塊。

（4）輸入判斷根據(jù)處理后的信號(hào)判斷此時(shí)虛擬設(shè)備的狀態(tài)是否發(fā)生變化并將這種變化實(shí)時(shí)地反映到虛擬變電站中。

（5）輸出判斷首先判斷虛擬變電站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，再根據(jù)所發(fā)生的變化來改變“電力系統(tǒng)仿真”模塊的計(jì)算條件。例如如果虛擬變電站斷路器的狀態(tài)發(fā)生變化則“電力系統(tǒng)仿真”模塊將重新計(jì)算變電站的潮流。

（6）用戶交互用戶通過該模塊與虛擬變電站交互并模擬變電站的操作。

 
圖1 虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig. 1 Structure of substation training simulator basedon virtual reality technique

3 虛擬變電站建模

3.1 模型的建立

采用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（Virtual RealityModeling Language，VRML）建立虛擬變電站能夠使其設(shè)備及運(yùn)行狀況更加逼真[9]。VRML是一種由ISO 定義的用于在網(wǎng)絡(luò)上傳輸三維數(shù)據(jù)的文件格式。為了實(shí)現(xiàn)操作人員與虛擬變電站的交互功能，首先采用VRML語言建立變壓器、斷路器、電流互感器、電壓互感器及隔離開關(guān)等虛擬電氣設(shè)備，然后將它們放入同一場(chǎng)景中，從而初步實(shí)現(xiàn)了虛擬變電站的建模，如圖2 所示。

 
圖2 虛擬變電站場(chǎng)景
Fig. 2 Scene of virtual substation

3.2 使用腳本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互控制

在變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，使用者可以利用VRML 中的腳本（Script）節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與虛擬變電站的交互。Script節(jié)點(diǎn)接收“入事件”（用戶的操作）并把該事件的值傳遞給URL（Uniform ResourceLocator）域指定的腳本，再由該腳本給出Script節(jié)點(diǎn)的“出事件”（輸出的目標(biāo)）。例如在操作隔離開關(guān)的過程中，VRML首先給定一個(gè)時(shí)間檢測(cè)器作為控制動(dòng)畫效果的時(shí)鐘，然后通過該時(shí)鐘的輸出來驅(qū)動(dòng)虛擬變電站中的各種內(nèi)插節(jié)點(diǎn)使隔離開關(guān)產(chǎn)生開合的動(dòng)畫效果，如圖3(a)、(b)所示。

 
(a) 虛擬隔離開關(guān)打開時(shí)(b) 虛擬隔離開關(guān)閉合時(shí)
圖3 虛擬隔離開關(guān)開合時(shí)的場(chǎng)景圖
Fig. 3 Scene of virtual isolating switch closing

4 虛擬變電站與仿真系統(tǒng)的交互

虛擬變電站通過MATLAB 虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱中的VR Sink與VR Source子模塊實(shí)現(xiàn)與“電力系統(tǒng)仿真”模塊的交互[10]，其中VR Sink子模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)從“電力系統(tǒng)仿真”模塊輸出到虛擬變電站，VR Source子模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)從虛擬變電站輸出到“電力系統(tǒng)仿真”模塊。以虛擬控制屏為例，其仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中的“電力系統(tǒng)仿真”模塊含有“電源”、“斷路器”（開合狀態(tài)受“輸出判斷”模塊的控制）及“分布參數(shù)線路”等子模塊，且后者采用了分布參數(shù)穩(wěn)態(tài)模型。

 
圖4 虛擬控制屏仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig. 4 Structure of simulation systemfor virtual control panel

用戶通過點(diǎn)擊虛擬控制屏上的控制開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真系統(tǒng)的控制：“輸出判斷”模塊判斷控制開關(guān)的狀態(tài)是否發(fā)生變化并將其實(shí)時(shí)傳送到“電力系統(tǒng)仿真”模塊以控制其斷路器的開合；“電力系統(tǒng)仿真”模塊再根據(jù)此時(shí)斷路器的開合狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算出電力系統(tǒng)仿真結(jié)果；“信號(hào)處理”模塊根據(jù)“電力系統(tǒng)仿真”模塊輸出的電壓及電流等信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算相應(yīng)的電壓、電流、有功和無功值并將其傳遞給“輸入判斷”模塊；“輸入判斷”模塊根據(jù)輸入的電流值判斷系統(tǒng)的狀態(tài)并控制虛擬控制屏中的紅、綠指示燈的顯示狀態(tài)；虛擬電流表、有功表和無功表將顯示“信號(hào)處理”模塊的計(jì)算結(jié)果。以斷路器處在斷開位置為例，此時(shí)系統(tǒng)的電壓和電流的波形如圖5 所示。

 
圖5 斷路器閉合前后電流電壓波形圖
Fig. 5 Waveform diagram of currents and voltages when circuit breaker closing

在0.3s 時(shí)用戶點(diǎn)擊虛擬屏上的控制開關(guān)使其閉合，“輸出判斷”模塊也隨即閉合圖4中的斷路器，此時(shí)虛擬電流表、有功表及無功表上顯示著當(dāng)前的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，且綠色指示燈滅，紅色指示燈亮；在0.4s 時(shí)用戶點(diǎn)擊虛擬控制開關(guān)使其斷開，從而導(dǎo)致圖4 中的斷路器也斷開，此時(shí)虛擬電流表、有功表及無功表的指針歸零，虛擬控制屏上的綠色指示燈亮，紅色指示燈滅。斷路器斷開與閉合時(shí)虛擬屏上的表計(jì)及控制開關(guān)的狀態(tài)以及線路的電流、電壓波形如圖6 所示。由圖5 和圖6 的仿真結(jié)果可知，該系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了虛擬變電站與“電力系統(tǒng)仿真”模塊之間的交互控制，真實(shí)地模擬了實(shí)際變電站的運(yùn)行工況。

 
(a) 斷路器斷開                                                (b) 斷路器閉合
圖6 虛擬控制屏上的表計(jì)和斷路器狀態(tài)圖
Fig. 6 State diagram of virtual meter andcircuit breaker on virtual panel

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

針對(duì)江西贛東北供電公司的110kV 東風(fēng)變電站研制的虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)包括了變電站虛擬開關(guān)場(chǎng)和虛擬主控室等部分。該系統(tǒng)不僅模擬了繼電保護(hù)、五防機(jī)和綜合自動(dòng)化等各部分的功能，還實(shí)現(xiàn)了虛擬變電站的設(shè)備之間以及設(shè)備與“電力系統(tǒng)仿真”模塊之間的交互功能。例如當(dāng)受訓(xùn)人員在虛擬變電站綜合自動(dòng)化后臺(tái)機(jī)上斷開某一斷路器時(shí)，變電站虛擬開關(guān)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的斷路器就會(huì)立即改變狀態(tài)，同時(shí)“電力系統(tǒng)仿真”模塊將自動(dòng)重新計(jì)算并將仿真結(jié)果立即傳送給虛擬保護(hù)和自動(dòng)裝置，再由該裝置立即進(jìn)行計(jì)算并做出正確反應(yīng)。

6 結(jié)論

采用 VRML 語言建立的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)將虛擬變電站與“電力系統(tǒng)仿真”模塊相結(jié)合，不僅能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)地模擬變電站的各種運(yùn)行狀態(tài)，而且具有形象生動(dòng)、效果逼真等特點(diǎn)。該系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件配置要求較低，可以運(yùn)行于PC 機(jī)和Windows操作系統(tǒng)環(huán)境中，因此具有方便使用、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。但是VRML網(wǎng)絡(luò)通信功能較弱，對(duì)分布式系統(tǒng)的支持也不夠充分，因此在后續(xù)的研究中有必要將VRML 與其它語言相結(jié)合從而開發(fā)出基于網(wǎng)絡(luò)的分布式虛擬變電站。

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