一種基于硬件在環的智能變電站虛擬現實仿真培訓系統的制作方法

本發明涉及一種智能變電站技術，特別是一種基于硬件在環的智能變電站虛擬現實仿真培訓系統。

背景技術：

隨著智能電網技術的快速發展，智能高壓電氣、光纖以太網絡和IEC61850標準通信等技術在智能變電站中逐步得到了推廣應用。現場運行維護人員對于智能電網的新技術、新設備缺乏了解，大多數運維人員沒有掌握智能變電站的運行和檢修技術，急需對變電站運維人員進行全面的智能變電站培訓。現有面向傳統變電站的培訓系統遠遠不能滿足智能變電站發展的要求，有必要研法智能變電站仿真培訓系統。

通常智能變電站是由一次設備和二次設備組成的，圖1所示為現有智能變電站的組成結構圖。

一次設備包括系統電源、變壓器、母線、輸電線路、電子式互感器、斷路器和刀閘等，二次設備包括合并單元、智能終端、保護裝置、測控裝置和后臺監控系統等，其中保護、測控裝置之間通過MMS(制造報文規范)網與后臺監控系統相連。電子式互感器將電網一次電流、電壓電信號變為二次電流、電壓光信號后通過光纜接入二次設備中的合并單元的輸入端，合并單元通過SV(采樣值)網與保護、測控裝置連接；保護、測控裝置通過GOOSE(面向通用對象的變電站事件)網與智能終端相連；智能終端通過電纜與斷路器和刀閘相連。

目前，對于智能變電站的培訓，有一種全數字仿真系統可用，但是該系統雖然可以模擬變電站的正常運行和操作過程，但由于是全數字仿真，沒有真實的設備，不能達到培訓維護和檢修技能的目的。另一種全物理仿真系統，需要使用物理設備模擬實際電網一次系統，接線方式不靈活、故障不能任意設置、一次設備建設投資大且維護較困難。而智能變電站混合仿真培訓系統功能更加復雜，由于變電站一次仿真軟件與智能二次保護設備通訊接口不同，基于軟硬結合的變電站仿真培訓系統也沒有取得很好的發展。研究和開發智能變電站軟硬混合仿真培訓系統，具有重大的理論意義和實用價值。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種智能變電站一次仿真模型與二次保護設備有機結合的混合仿真培訓系統，該系統將變電站數字仿真系統與真實的智能變電站二次設備置于同一個仿真系統中，各設備之間有機連接、靈活配置、營造了逼真的運行環境，適應智能變電站的建設和發展的需求，為運行維護人員進行全范圍、全過程、全場景的仿真培訓。

一種基于硬件在環的智能變電站虛擬現實仿真培訓系統，包括變電站一次仿真系統、信號轉換接口和智能變電站二次設備；所述變電站一次仿真系統包括通過以太網相互連接的變電站三維仿真系統、教員機、學員機；所述智能變電站二次設備包括通過MMS網連接的保護測控裝置、后臺監控系統；所述教員機或學員機上設置電網常見的故障，所述變電站三維仿真系統根據故障情況計算出故障時電網應有的電流、電壓、頻率信號，所述保護測控裝置對電網故障處進行保護動作并形成信號，所述后臺監控系統進行后臺檢測，所述信號轉換接口對三維仿真系統產生的信息進行格式轉換發送至保護測控裝置，及對保護測控裝置產生的信息進行格式轉換發送至變電站三維仿真系統。

采用上述系統，所述信號轉換接口包括依次連接的一次側接收模塊、信號解析重組模塊和二次側發送模塊，以及依次連接的二次側接收模塊、信號解析重組模塊和一次側發送模塊；其中一次側接收模塊與變電站三維仿真系統通訊，二次側發送模塊與保護裝置、測控裝置通訊，二次側接收模塊與保護、測控裝置通訊，一次側發送模塊與變電站三維仿真系統通訊，信號解析重組模塊將接收的信息轉換格式后發出。

本發明所述的一種基于硬件在環的智能變電站虛擬現實仿真培訓系統，變電站一次系統采用數字化仿真，利用3D虛擬技術實現變電站一次設備的三維重現，如刀閘、斷路器、變壓器、瓷片、表記等，能逼真地模擬各天氣狀況，形象地反映設備的正常、異常、事故狀態及其動作過程，可以實現在場景中任意漫游，對一次設備進行就地操作，實現各種操作功能和故障現象。仿真系統中的線路潮流數據通過信號轉換接口傳送給實際的智能二次保護測控裝置，保護測控裝置根據當前系統數據發送跳閘出口信號，通過信號轉換接口傳給變電站三維仿真系統，仿真系統內的斷路器根據具體情況動作。實現了仿真軟件與保護硬件的有機結合。并且針對智能變電站培訓建立了綜合培訓系統，可以實現變電站運維人員的全范圍、全過程、全場景的仿真培訓。本發明開發的信號轉換接口作為一次仿真系統和智能二次設備連接和通訊的橋梁，模擬了合并單元和智能終端的功能。在滿足培訓維護和檢修技能的同時大大減少了培訓系統的成本，使其更加適用于電力部門的培訓課程。

下面結合說明書附圖對本發明作進一步描述。

附圖說明

圖1是現有智能變電站的結構示意圖。

圖2是本發明的系統結構示意圖。

圖3是本發明的信號轉換接口結構示意圖。

圖4是本發明的信號轉換接口具體裝置圖。

具體實施方式

由圖2所示可知，一種基于硬件在環的智能變電站虛擬現實仿真培訓系統，包括：變電站一次仿真系統、信號轉換接口和智能變電站二次設備。

所述變電站一次仿真系統包括變電站三維仿真系統、教員機、學員機和連接它們的以太網總線；所述智能變電站二次設備包括保護、測控裝置、后臺監控以及連接設備的SV、GOOSE和MMS網；所述信號轉換接口如圖3所示，包括一次側接收/發送模塊、信號解析重組模塊和二次側接收/發送模塊。

所述教員機通過以太網總線與變電站三維仿真系統、學員機連接，變電站三維仿真系統通過信號轉換接口與智能二次設備連接。

如圖3所示，所述信號轉換接口包括依次連接的一次側接收模塊、信號解析重組模塊和二次側發送模塊，以及依次連接的二次側接收模塊、信號解析重組模塊和一次側發送模塊。

所述智能變電站二次設備后臺監控系統與保護、測控裝置之間通過MMS網連接；所述保護、測控裝置分別通過GOOSE網和SV網與信號轉換接口連接。

所述教員機通過以太網總線監控變電站三維仿真系統以及下達培訓項目給學員機，實現一次系統的仿真監控培訓功能。

所述變電站三維仿真系統輸出的電壓、電流等數字信號輸入到信號轉換接口，經信號轉換接口輸出光信號通過SV網輸入保護、測控裝置；所述保護、測控裝置輸出光信號經GOOSE網輸入信號轉換接口，經信號轉換接口輸出電信號給變電站三維仿真系統。

所述信號轉換接口一次側接收模塊與變電站三維仿真系統通訊，接收變電站三維仿真系統輸出的電流、電壓、頻率等數字信息，并將接收的信息發送至信號解析重組模塊，信號解析重組模塊將信息提取打包成SV報文，通過二次側發送模塊經光纖發送給保護、測控裝置。

所述信號轉換接口二次側接收模塊與保護、測控裝置通訊，經光纖接收保護、測控裝置輸出的GOOSE報文，并將報文發送給信號解析重組模塊，信號解析重組模塊提取跳閘出口動作信息，并以電信號的形式發送給一次側發送模塊，一次側發送模塊將這些信號發送給變電站三維仿真系統。

本發明的具體工作過程為：教員在教員機或學員機上設置電網常見的故障，通過以太網總線將指令發送給變電站三維仿真系統，變電站三維仿真系統根據故障情況計算出故障時電網應有的電流、電壓、頻率信號，并將這些信號傳給信號轉換接口，信號轉換接口實時處理后將這些信號通過SV網發送給智能保護測控裝置，智能保護測控裝置感受到故障，并進行相應的保護動作，再通過GOOSE網將動作信號發送到信號轉換接口，信號轉換接口實時處理后將信號發送給變電站三維仿真系統，變電站三維仿真系統內的斷路器根據故障情況動作，同時計算斷路器動作后的系統新的潮流參數。教員機通過以太網總線與變電站三維仿真系統實時通訊，從教員機上可以觀察到電網實時狀態。

由于本系統是用于培訓學員，因此，教員設置故障之后，學員根據保護測控裝置動作行為、動作報告以及監控后臺動作信息等，判斷故障類型、故障性質、故障地點、保護裝置動作行為是否正確等，從而達到培訓目的。

本發明的變電站三維仿真系統按照實際典型220kV智能變電站搭建，一次系統主接線包括兩臺主變、220kV、110kV和35kV三個電壓等級，其中220kV、110kV采用雙母線接線形式，35kV為單母線分段接線方式，該仿真系統具有完整的一次回路，系統能根據接線情況自行計算潮流參數。智能變電站二次保護測控裝置采用廠家制造的設備，分別為110kV數字化變壓器保護測控裝置，型號為UDT-531以及110kV線路保護測控裝置，型號為UDL-531A。后臺監控系統為配套的super5000監控軟件。

與圖1所示的實際智能變電站結構不同，本發明用開創的信號轉換接口代替了實際的合并單元和智能終端，模擬了采樣和輸出跳閘信號的功能。如圖4所示，為本發明的信號轉換接口具體方案，包括MMS客戶端軟件、NI CRIO平臺、FPGA采集板卡以及通訊接口。所述MMS客戶端為一次側接收/發送模塊，所述NI CRIO平臺為信號解析重組模塊，所述FPGA采集板卡為二次側接收/發送模塊。

所述MMS客戶端軟件和FPGA采集卡為本發明開發，所述NI CRIO平臺為美國NI公司開發。

以在教員機設置1號變壓器110kV側與35kV側匝間短路故障為例，變電站三維仿真系統將故障時電流、電壓、頻率發送到MMS客戶端軟件，通訊接口為常見的RJ45網口。

MMS客戶端將接收到的信號通過網線傳給NI CRIO平臺，通訊接口為常見的RJ45網口，這里控制器用的CRIO-9014，底板用的是4槽的CRIO-9111。

NI CRIO平臺提取變壓器中低壓側電流、電壓、頻率信息，組幀成SV格式報文通過底板CRIO-9111傳給FPGA采集板卡，接口常見的DB15接口。

這里采用兩塊FPGA采集卡，一塊采集低壓側信息，一塊采集中壓側信息，FPGA采集卡上均有光電轉換模塊，通過光電轉換模塊將電信號轉換為光信號，通過光纖將SV報文傳給保護測控裝置。

保護測控裝置根據SV報文動作，保護動作的GOOSE信號經光纖傳給第三塊FPGA采集卡，經過光電轉換模塊，將光信號轉換為電信號，并通過DB15接口傳給NI CRIO平臺。

NI CRIO平臺提取GOOSE報文中的動作信號傳給MMS客戶端，通訊接口為常見的RJ45網口。

MMS客戶端將動作信號發給變電站三維仿真系統，通訊接口為常見的RJ45網口，1號變壓器中低壓側斷路器動作，三維仿真系統重新計算故障切除后的潮流情況，通過教員機可以實時監控線路接線以及潮流變化。通過查看保護裝置保護動作記錄，可以看到主變差動保護動作時間為0.12ms，在一個周波20ms以內，說明系統實時性滿足要求。為了提高整套仿真系統的實時性，對于SV報文的組幀采用查表法，以空間換取時間，以減少傳輸延時。

如果需要采集多路電流、電壓信號，NI CRIO平臺的底板可以使用CRIO-9112等具有更多插槽的底板。