变电站仿真培训系统设计

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院
本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表
学生姓名：学号：专业：电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：变电站仿真培训系统设计
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学生姓名：学号：专业：电气工程及其自动化
毕业设计（论文）题目：变电站仿真培训系统设计
论文原创性声明
本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文《变电站仿真培训系统设计》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。

论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。

对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。

本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。

论文作者（签字）：
日期：2014年9月15日
摘要
随着电力工业的迅速发展，以及计算机技术和网络技术的应用，变电站综合自动化系统朝多功能，数字化和规范化方向发展，由于其功能强大，结构复杂，难以学习和快速掌握。

研发一种基于实时仿真技术的数字物理混合仿真的变电站综合自动化培训系统，模拟真正变电站各种运行工况，对大中专院校电气工程专业的学生和变电站运行人员进行实验培训。

本文首先综述了变电站自动化的发展历程，分析了其主要内容和基本功能，研究了变电站综合自动化系统仿真的两种传统模式，在此基础上，提出数字物理混合仿真的方案，分析了数字物理混合仿真的结构和原理。

该方案将数字仿真的一、二次系统设备的变电站综合自动化系统设备放置于同一个仿真系统中，有机连接，灵活配置，营造了逼真的运行环境；变电站仿真培训系统由一、二次仿真信号源系统(包括一、二次信号生成系统及电力网信号模拟软件系统)和真实的变电站综合自动化系统(包括微机保护、测控系统及Centra2000 监控软件系统)两大部分组成；TQWX-II 微机型继电保护试验测试仪设备产生一、二次信号，可以输出一定幅值范围内任意大小和相位角的电流电压二次信号；研究Centra2000监控软件在数字物理仿真中的应用，功能和通讯协议。

取消了复杂庞大的一次实验设备，由组态软件灵活方便直观地组建任意结构的变电站一次系统设备，输入实际的设备参数，并配置了潮流计算和短路计算软件，可以任意设置故障点和故障类型；最后，进行了线路保护实验、主变压器差动及高低压侧后备保护测控装置测试实验和电容器保护测控装置测试实验。

数字物理仿真培训系统变电站环境模拟逼真，人机界面友好，组态灵活，培训人员动手操作性强，功能强大，成本较低，具有重要的应用价值和现实意义。

【关键词】变电站综合自动化；培训系统；仿真；监控系统
目录
摘要 (V)
第1章绪论 (1)
1.1 变电站综合自动化及其发展 (1)
1.2 变电站自动化仿真培训装置研究现状 (2)
1.3 本文研究课题的背景、概述和意义 (2)
1.4 本文所作的工作 (3)
第 2 章培训系统构成原理与功能 (5)
2.1 仿真培训系统基本结构 (5)
2.2 数字物理仿真系统组成 (7)
2.3 仿真培训系统的功能 (13)
第三章培训系统硬件组成 (16)
3.1 基本硬件要求 (16)
3.2 TQWX-II 微机型继电保护试验测试仪 (16)
第四章培训系统软件部分的研究与设计 (23)
4.1 Centra2000 监控软件概 (23)
4.2 一、二次系统仿真 (23)
4.3 Centra2000 监控系统功能分析 (24)
第五章结论 (26)
参考文献 (28)
致谢 (29)
第一章绪论
1.1变电站综合自动化及其发展
变电站综合自动化技术是一项随着计算机技术和网络技术的发展而发展起来的专业性综合技术，是电网运行管理中的一次变革。

变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通讯技术和信息处理技术等将变电站的二次设备，经过功能组合和优化设计，实现对变电站主要设备和输配电线路的运行情况执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统变电站中的电气部分通常被分为一次设备和二次设备。

属于一次设备的有配电装置和电力变压器。

配电装置是汇集、分配电能的电气装置的组合设施，它包括母线、断路器、隔离开关、电压互感器(TV)、电流互感器(TA)和避雷器等；电力变压器是变电站中变换电压的设备，它连接着不同电压的配电装置。

有些变电站还有为无功平衡、系统稳定和限制过电压等而装设的同步调相机、并联电容器、并联电抗器、静止补偿装置和串联补偿装置等。

二次设备包括控制、测量、保护、自动装置及远动装置等。

自 20 世纪 70 年代诞生微处理器后，变电站系统中，一些国家开始淘汰布线逻辑的远动装置，采用微机型的远动装置，明显提高了变电站综合自动化水平，变电站综合自动化的时代开始了。

1975 年底日本研制出世界上第一套综合数字式保护和控制系统 SCDS-I。

德国西门子公司于 1985 年推出了第一套变电站综合自动化系统 LSA678，此后陆续在德国以及欧洲投运了 300 多套该种型号的变电站自动化系统。

目前变电站综合自动化已经较普遍的应用于美国、德国、法国等国家。

我国变电站综合自动化技术的研究工作开始于 20 世纪 80 年代。

1987 年，清华大学电机工程系研制的 35kV 变电站微机保护、监控自动化系统，在山东威海望岛变电站成功投入运行。

20 世纪 90 年代，变电站综合自动化成为热点，功能和性能也得到不断的完善，国内有不少高校、研究单位和制造厂商投入到变电站综合自动化系统的研究和制造工作中，具有代表性的公司和单位有南瑞公司、四方公司和许昌继电器自动化公司等。

变电站综合自动化技术的优越性主要有以下几方面：
(1) 提高变电站的安全、可靠运行水平。

(2) 提高电能质量，提供电压合格率。

(3) 提高电力系统的运行、管理水平。

(4) 缩小变电站占地面积，降低成本，减少总投资。

(5) 减少维护工作景，减少值班员劳动，创造了经济效益。

1.2 变电站自动化仿真培训装置研究现状
变电站综合自动化在电力系统中得到了广泛的应用，近年来变电站改造和新建变电站均按变电站综合自动化技术规范进行设计与建设。

为了提高变电站综合自动化的现场运行教学与实验水平，国内许多企业、科研单位和高校都投入了大量的研究。

针对变电站综合自动化系统的实验仿真，从其模式上主要分盘台模式和纯软件模式。

前者视觉直观，但投资大，可维护性和可扩充性不强；后者造价低，维护方便，可扩充性好，但操作缺乏真实感，光靠提供一个模拟环境不能良好地达到培训目的。

文献[10]介绍了一种采用复制与虚拟相结合的仿真形式，建立变电站仿真培训系统的仿真环境，其仿真仪表盘采用一比一的方式，完全仿真真实仪表盘台的面板建立，对变电站进行物理模拟，实质上相当于一个小型的真实变电站，可以归结于盘台模式仿真或称物理仿真，其造价较高；文献[11]介绍了数字仿真/交流驱动的变电站综合自动化技术培训系统，其电网一次系统及设备采用计算机实时数字仿真，模拟一次系统及设备的各种运行状态、故障和异常，交流回路采用三相交流信号驱动，可以归结于纯软件仿真模式。

二者代表了当前典型的变电站仿真模式
1.3 本文研究课题的背景、概述和意义
变电站数字物理培训仿真系统成功的应用于常德电业局培训工作，建立在一、二次仿真信号源系统和真实变电站综合自动化系统平台上，控制、保护屏具有与真实变电站完全相同的外观和布置方式，并以先进的计算机及电子技术仿真变电站的一、二次信号，构建了一个“真实”、“节能”的变电站，给培训工作带来了便捷，且能提高被培训人员的兴趣，使他们更积极、主动的掌握变电站运行、维护、操作、检修等所需要的技能，提高变电站运行、维护、操作、检修人员的技术水平，保证变电站安全、可靠地运行，从而提高整个电网运行的稳定性，产生极大的经济效益和社会效益，具有其它培训方式所不可替代的优点，具体体现在以下几个方面：
(1) 它是一种基于实时仿真技术的变电站数字、物理混合仿真方案，该方案将数字的一、二次仿真信号源系统设备以及物理的变电站综合自动化系统设备放置于同一个仿真系统中，有机连接，灵活配置，营造了逼真的运行环境,帮助培训者更加深入地了解变电站一次设备及综合自动化二次设备的运行性能和工作特性。

(2) 一、二次仿真信号源系统和真实的变电站综合自动化系统相结合，并采用模拟断路器，既节省了对一次设备投资，减少了占地面积，使室内仿真成为可能，又具备真实性和可操作性。

真实性体现在综合自动化系统本身就是一套可实际运行的系统；可操作性体现在可以投退软、硬压板，整定定值，手动或遥控方式拉合断路器。

(3) 一、二次仿真信号源系统在正常情况下，可同步输出仿真变电站各点的电压、电流、有功功率、无功功率模拟变电站的正常运行情况；在故障情况下可模拟线路或主变压器的各种故障，输出故障电压、电流模拟变电站的故障运行情况；在异常情况下，可模拟断路器、主变压器的各种异常行为输出异常信号。

(4) 运行于一、二次仿真信号源系统上位计算机的电力网信号模拟软件系统，具备组态功能，理论上可模拟任意接线的变电站，功能一旦组态完成，并不需要培训教练具备较高的继电保护理论计算水平。

只需要点击某种功能按钮，系统立即输出具有某种仿真功能的信号。

(5) 仿真培训系统定义了三种主接线相同，但线路及负载参数不同的仿真模式，配有三套综合自动化系统各保护、测控装置的定值。

这样针对不同组的学员，可以应用不同的仿真模式，学员也必须亲自动手下达不同的定值参数等，使培训真正落到实处。

(6) 综合自动化系统上位计算机监控系统，采用服务器/工作站的分布模式，两计算机上所显示的仿真变电站运行参数一模一样，教练可以不下位即可知道学员的倒闸操作、故障判断和处理是否正确。

1.4 本文所作的工作
本文研制一套能在室内的条件下，模拟真正变电站各种运行行为的变电站仿真硬件及软件系统，以达到在培训中心就能仿真培训变电运行、维护、检修人员的目的。

通过变电站的仿真培训，变电运行、维护、检修人员很容易掌握现场实际应用的不同型号的其它变电站综合自动化系统，其侧重点在电气量的运行仿真。

全文主要工作及结论如下：
(1) 综述了变电站自动化的发展历程，分析了其主要内容和基本功能，仔细研究了变电站综合自动化系统仿真的两种传统模式，在此基础上，提出数字物理混合仿真的方案。

(2) 提出了数字物理混合仿真的结构和原理。

变电站数字物理仿真培训系统
采用了基于实时仿真技术的变电站数字、物理混合仿真方案，变电站仿真培训系统由一、二次仿真信号源系统(包括一、二次信号生成系统及电力网信号模拟软件系统)和真实的变电站综合自动化系统(包括微机保护、测控系统及Centra2000监控软件系统)两大部分组成。

(3) 研究了 TQWX-II 微机型继电保护试验测试仪设备。

测试仪在仿真实验系统中是作为实验信号的发生器，可以输出一定幅值范围内任意大小和相位角的电流电压信号。

硬件结构主要由六部分组成：以 DSP 为核心的控制与处理模块，D/A 转换及滤波模块，电压放大模块，电流放大模块，开入开出模块和电源模块。

(4) 研究了 Centra2000 监控软件在数字物理仿真中的应用，功能和通讯协议转换。

取消了复杂庞大的一次实验设备，由组态软件灵活方便直观地组建任意结构的变电站一次系统设备，并输入实际的设备参数，并配置了潮流计算和短路计算软件，可以任意设置故障点和故障类型。

(5) 最后，真实模拟了变电站综合自动化系统的设备运行，进行了 110kV 线路保护实验、主变压器差动和高低压侧后备保护测控装置测试实验、10kV 线路302 保护测控装置测试实验和 10kV 电容器组 304 保护测控装置测试实验。

第二章培训系统构成原理与功能
2.1 仿真培训系统基本结构
变电站仿真培训系统由一、二次仿真信号源系统(包括：一、二次信号生成系统及电力网信号模拟软件系统)和真实的变电站综合自动化系统(包括：微机保护、测控系统及 Centra2000 监控软件系统)两大部分组成，如图 2.1 所示。

培训系统能够较好地仿真模拟变电站的实际运行情况，完成培训任务。

2.1.1 一次主接线图
根据研制方案和仿真培训的要求，仿真变电站的一次主接线图如图 2.2 所示。

2.1.2 一次设备
1. 110kV 一次设备母线部分：电压互感器 TV、5×14 刀闸、5×14-1 接地刀闸、避雷器。

504 线路部分：504 断路器、5041 刀闸、5043 刀闸、5043-1 接地刀闸。

2. 主变压器一次设备高压侧部分：510 断路器、5101 刀闸、5103 刀闸。

主变本体部分：电压比为 110kV/10.5kV 的主变压器、5×14 接地刀闸、避
雷。

低压侧部分：310 断路器、3101 刀闸、3103 刀闸。

3. 10kV 一次设备
母线部分：电压互感器 TV、3×14 刀闸、熔断器、避雷器。

302 线路部分：302 断路器、3021 刀闸、3023 刀闸、避雷器。

304 电容器组部分：304 断路器、3041 刀闸、电容器组、放电 TV。

2.1.3 二次设备
1. 110kV 线路 504 间隔二次设备
主要是对该间隔的线路断路器进行控制、保护、测量的微机保护及测控装置，以及用来模拟真实断路器分合特性的模拟断路器。

2. 主变压器间隔二次设备
主要是对该间隔的主变压器高、低压侧断路器及主变压器本体进行控制、保
护、测量的微机保护及测控装置，以及用来模拟真实断路器分合特性的模拟断路器。

3. 10kV 线路及电容器组间隔二次设备
主要是对该间隔的线路及电容器组断路器进行控制、保护、测量的微机保护及测控装置，以及用来模拟真实断路器分合特性的模拟断路器。

4. 其它二次设备
主要是为保护、测控装置提供工作电源及为模拟断路器控制回路提供操作电源的 220V 直流电源系统。

2.2 数字物理仿真系统组成
2.2.1 设备组成
仿真培训系统由仿真培训教练活动区和仿真培训学员活动区两大区域组成，基本结构如图 2.3 所示，其中仿真培训教练活动区，也就是一、二次仿真信号源系统所在的区域，包括：一、二次仿真信号生成系统和电力网信号模拟软件系统(不包括仿真站监系统服务器)，前者安装在信号发生器屏上，后者安装在信号源控制系统计算机上；仿真培训学员活动区也就是真实的变电站综合自动化系统所在的区，包括微机保护、测控系统和 Centra2000 监控软件系统，微机保护和测控系统分别安装在 110kV 线路及交直流电源屏、主变压器屏、10kV 线路及电容器屏上，监控软件安装在仿真站监控系统服务器和监控系统工作站计算机上
2.2.2 一、二次仿真信号源系统组成、功能及工作过程
2.2.2.1 一、二次仿真信号生成系统组成
根据仿真目标，一、二次信号生成系统要由五台 TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪组成。

但根据系统设备组成图却只提供了四台 TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪，其中，10kV 线路及电容组共用一台测试仪。

主要是：一是为了节省系统研制费用；二是共用一台测试仪，通过切换连接片实现电流回路的切换可同样达到仿真目的。

四台 TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪以上下排列方式装于一面尺寸为 2260mm×800mm×600mm 的国标 PK 屏上面板布置分为五个区：
(1) 电源开关区
(2) 接综合自动化系统保护、测控装置的电压输出回路区共有 5 个输出插孔，其中 Z 插孔可自定义，A、B、C 三个插孔分别为 A、B、C 三相电压输出插孔，各相电压输出大小可以独立设定，N 插孔为三相中性点插孔。

(3) 接综合自动化系统保护、测控装置的电流输出回路区共有 5 个输出插孔，其中 Z 插孔可自定义，A、B、C 三个插孔分别为 A、B、C 三相电流输出插孔，各相电流输出大小可以独立设定，N 端为三相中性点。

(4) 接综合自动化系统保护、测控装置的开关量输出回路区本区主要用于仿
真断路器或主变压器本体的一些故障、异常和运行状态，共有 8 对无源输出接点，其接点的闭合或断开状态可分别单独设定。

仿真对象可由用户通过软件自行定义。

(5) 接综合自动化系统保护、测控装置的开关量输入回路区本区主要用于采集模拟断路器的动作状态，共有 8 对开关量输入插孔，只能接受无源接点输入。

其中，第一对开关量输入插孔在本系统中接模拟断路器的分位输出，第二对开关量输入插孔在本系统中接模拟断路器的合位输出。

本区中还有一个特殊的同步联线的插孔，用于本装置发出或接收其它装置的同步电压、电流输出信号，但所有开关量输出信号不受此信号控制。

TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪是一种基于 DSP 信号处理芯片的高性能电力系统继电保护测试装置，除了具有输出功率大、精度高、体积小、可靠性强、适用范围广、使用灵活方便的特点外，还具备多台同型号的装置采用 RS-485通讯总线组网由其连接上位计算机控制以及利用其同步联线由某台装置发出同步输出命令，其它装置同步输出电压、电流信号的特点。

图 2.3 中的信号发生器屏 4P 内，自上而下的四台 TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪(1U～4U)分别用于 110kV 线路 504 间隔、主变压器高压侧 510 间隔、主变压器低压侧 310 间隔、10kV 线路 302 间隔或 10kV 电容器组 304 间隔的一、二次仿真信号的生成。

2.2.2.2 一、二次仿真信号生成系统功能
一、二次仿真信号生成系统主要用于生成模拟实际变电站所需要的电压、电流等模拟量信号，以及断路器本体、断路器操作机构、主变压器本体等设备产生的反映其其运行状态和模拟综合自动化系统 RS-485 通讯总线通讯状况的开关量信号。

因此，它有如下的功能：
(1) 正常潮流模拟信号的输出功能；
(2) 故障模拟信号的输出功能；
(3) 故障或异常开关量信号的输出功能；
(4) 模拟量信号的同步输出功能。

一、二次仿真信号生成系统有四台 TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪，为保持四台测试仪的输出信号在任何时候其相角都保持一致，从而客观真实地反映出系统实际情况。

因此，四台测试仪应有同步机制，将四台测试仪的信号输出同步。

其同步机制工作原理如下：每台测试仪都有一个同步联线端口(插孔)，根
据系统需求，设定一台测试仪作为主控测试仪，在需要同步时，主控测试仪的软件通过同步端口发出同步信号给其他三台测试仪，以保持四台测试仪输出信号的同步。

2.2.2.3 电力网信号模拟软件系统组成
电力网信号模拟软件系统是整个一、二次仿真信号源系统的控制核心。

其主要由四部分组成。

(1) 潮流计算分析：根据仿真变电站的主接线图，计算系统潮流。

(2) 短路故障计算分析：根据仿真变电站的主接线图上设定的故障类型，计算系统故障时的电压、电流。

(3) 脚本动态链接库：软件通过不同的脚本函数，控制一、二次仿真信号生成系统中的四台 TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪输出。

(4) 通信部分：件通过通信，将分析计算的结果或脚本控制信号下载到一、二的仿真信号生成系统中。

2.2.2.4 电力网信号模拟软件系统功能
1．图形组态功能
用户可以自行编辑图形界面以适应电网主接线(输电网、配电网、变电站)的变化，可以添加删除设备，修改线路、主变压器、电容器和电抗器等各个设备的参数。

2．计算分析功能
能根据图形组态形成的电网系统，自行形成电力网络拓扑图，利用牛顿—拉夫逊方法分析系统的各点各线的正常潮流，能够分析网络任意点发生各种类型的短路故障时，系统网络各节点的电压和各线路的短路电流。

因此，本软件也是一款可视化的电力系统潮流、短路分析软件。

3．模拟仿真功能
通过接口程序，可将网络中各节点电压、各线路电流信号下载到 TQWX-II 型微机型继电保护试验测试仪中，实时模拟电网的潮流或故障信号。

2.2.2.5 仿真的一、二次信号源系统工作过程
仿真的一、二次信号源系统共有三种工作过程：正常潮流模拟信号的输出过程；故障模拟信号的输出过程；故障或异常开关量信号的输出过程。

其工作过程如图 2.5 所示。

1．正常潮流模拟信号的输出工作过程
运行于一、二次仿真信号源系统上位控制计算机的电力网信号模拟软件系统软件，根据仿真变电站的一次主接线图及其设定的电气参数，计算出整个系统的潮流信号，通过 RS-485 通信总线将计算的潮流信号的大小和幅值下载到一、二次仿真信号生成系统，并由其将接收到的数字信号通过 D/A 转换、滤波、放大，输出相应系统的保护、测控装置。

2．故障模拟信号的输出工作过程
在该过程下，系统中各种设备、各条线路的各种故障类型，在运行于一、二次仿真信号源系统上位控制计算机的电力网信号模拟软件系统中，通过软件组态模式已预先设好，在软件运行模式下选择相应的故障类型按钮，电力网信号模拟软件系统软件计算出所设定的故障参数，通过 RS-485 通信总线将故障参数下载到一、二次仿真信号生成系统，并由其将接收到的数字信号通过 D/A 转换、滤波、放大，输出相应的故障电压、电流等二次模拟信号，通过控制电缆提供给真实综合自动化系统的保护或保护测控装置。

3．故障或异常开关量信号的输出工作过程。

由于一、二次仿真信号生成系统的故障或异常信号开关量输出通过控制电缆接到了真实综合自动化系统中各保护、测控和保护及测控装置的开入信号回路屏中。

因此，只要在一、二次仿真信号源系统上位计算机上，点击电力网信号模拟软件系统中已定义好的故障或异常信号开出量启动或复归按钮，就可仿真故障或。