硕士论文
2020-03-03 08:05:04 来源：范文大全收藏下载本文
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硕士学位论文 变电仿真系统设计及应用
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摘 要
文章在综合分析国内外变电仿真系统的设计及应用的现状和特点基础上，以****变电站为研究对象，从变电运行人员对变电仿真系统的应用需求出发，完成对****变电站仿真系统的总体设计方案。设计，提高了仿真系统的逼真度、易维护性、扩充性和仿真培训的灵活性。
关键词：仿真变电系统，方案设计，变电站，运用
ABSTRACT ```
KEY WORDS:````
第一章 绪 论
1.1 论文的意义和来源
随着我国经济建设的迅速发展,电力工业作为经济发展的基础工业,在经济发展中扮演着非常重要的角色。变电站作为电力系统的重要组成部分，与电力系统安全稳定运行关系密切。如何科学地开展变电运行人员技术培训，提高变电运行人员的技术素质，成为电力技术研究的一个新课题。电气运行人员的岗位培训,是提高电气运行人员技术素质的十分有效的途径,而“变电仿真系统”恰好能圆满解决电气运行人员的岗位培训问题。变电站仿真系统的总体设计遵循原理性、实用性、先进性的基本原则，达到仿真范围广、功能齐全、操作灵活、实用真实、技术先进、性能优异、运行稳定，具有21世纪国内国际领先水平。仿真系统的数学模型是以暂态计算为基础，是完全建立在物理机理之上的全动态数学模型，从而可以完整、严格、精确地对现场各种行为进行实时仿真。 1.1.1 选题来源
变电仿真培训是变电运行人员培训的一个重要内容。按照《生产人员培训考核办法》规定，变电运行人员必须经过仿真培训，考试合格后，持证上岗；并且每两年进行一次变电仿真合格证复审培训。截至2010年4月30日，我局变电运行人员326名。变电运行仿真培训的任务十分繁重。我局目前没有变电仿真培训基地，只能向系统内其它培训基地送培。人员差旅费开支较大，且培训时间不能自主安排，导致工学矛盾较为突出。建立我局自己的变电仿真系统，成为一个迫切的任务。 1.1.2 论文研究的意义和价值
到目前为止,对变电运行人员的培训基本是采用以理论教育为主、实践教学为辅的方法。这主要是因为难以为变电运行人员提供实际操作训练、事故处理以及任意改变运行工况,培训效果一直难以提高。随着90 年代高新技术的迅速发展,利用现代计算机提供高水平、高质量的培训成为可能。“变电仿真系统”就是利用现代计算机为核心的变电仿真培训装置,使运行人员在上岗前及岗位培训可得到与现场一样的运行操作与反事故演习的操作等。它使变电运行人员的培训手段彻底更新,缩短培训周期,提高运行人员的技术素质和正确判断及处理事故的能力。 1.1.3 课题来源
经过向上级报告，“我局变电仿真系统设计及应用”项目已经立项，选择了武汉世纪华胜科技有限公司作为开发商，计划于2010年底完成设计和开发应用工作。
1.2 变电仿真系统设计的国内、外现状
从目前变电仿真培训系统发展现状来看,按仿真系统的规模和复杂程度主要可分为三种类型变电仿真系统:孤立变电站型的变电培训仿真系统、考虑简单电网的变电培训仿真系统、考虑复杂电网的变电培训仿真系统;按仿真系统的有无硬件屏盘可分为二种类型变电仿真系统:硬仿真系统和软仿真系统。
1.2.1孤立变电站型的变电培训仿真系统 优点:造价相对较低。 缺点:投切电磁环网中的联络线、潮流无法确定;调整变压器分接头时,系统电压及无功分布无法确定;投切电容器后,电压变化无法确定;同期操作不真实;全网保护配合无法完成;表计数据指示不准;无法考虑故障后的动态过程;无法考虑电网调度员与变电所运行人员综合训练(术语、规范、汇报、执行命令训练等) ;不能完整地仿真整个变电运行生产过程。
1.2.2考虑简单电网的变电培训仿真系统 优点:功能比孤立变电站型的仿真系统功能略强。
缺点:电网模拟不真实。在一个简单电网中,每台发电机或每个负荷都占有重要地位,投切每台发电机或每个负荷都会对电网产生巨大冲击,运行参数都会产生重大变化,甚至造成整个系统瓦解,否则,模拟是错误的。而上述操作是电网生产运行过程中的经常性操作,在一个真实的复杂电网中,它不会带来灾难性后果,因此,简单电网的变电培训仿真系统是不真实的,它往往会带给运行人员的是一个错误的概念。显然,方案一的缺点它也基本具备。 1.2.3考虑复杂电网的变电培训仿真系统
优点:可以考虑电网和变电站之间的相互影响。可以实现全网保护、自动装置配合;可以对整个电力生产过程进行全仿真,符合变电运行的实际生产过程;可以对变电站运行人员和地区电网调度员进行综合训练。
缺点:开发工作量大,技术难度高,开发周期相对较长。 1.2.4硬仿真系统 优点:由于硬仿真系统的主控制室是实际变电站主控制室的复制品,比较直观,现场感强。
缺点:由于有大量的硬件设备,工程造价高,维护工作量大,运行费用高;同时,不易于扩展、升级;另外,由于受硬件的制约,有一些功能不易实现;户外一次设备只能采用替代品。 1.2.5全软仿真系统
优点:由于软仿真系统的主控制室是采用计算机的图形图象及多媒体技术将变电站的主控制室和户外一次设备呈现在计算机的显示器上。系统的工程造价低,运行费用低,维护工作量小;同时,易于扩展、升级;可以采用多媒体教学网络技术,实现远程培训功能,符合“分散培训,集中考核”的原则,功能比较完善。
缺点:由于采用全软件的仿真形式,直观性相对较差,现场感相对不够强烈;并且对被培训人员计算机运用有一定的要求,这样对于一些基础薄弱的地区实际应用不现实。 1.2.6结论
第一，变电站是电网中的一个变电站,不是一个简单的孤立系统,而是和电网密不可分的有机整体,因此变电培训仿真系统应是将地区电网仿真和变电站。
第二，对于220 kV 及以上的枢纽变电站,对它的一些操作和它所发生的故障有可能引起电网的稳定问题。因此,220 kV 以上的变电培训仿真系统的数学模型应包括电网稳定模型,否则,可能会给受训者造成错误概念。 第三，随着计算机技术的发展,软仿真系统的不断成熟, “软”、“硬”结合的混合仿真是将来培训仿真系统的发展方向。对于变化少、造价低的设备采用硬仿真(物理模型) ,对于变化大、造价高的设备采用软仿真(多媒体数字仿真) 。这样,既保证了直观形象,又降低了造价,还增强了灵活性。
第四，多媒体技术是当代计算机科学发展的最终目的之一,变电培训仿真系统应充分利用多媒体技术,尤其针对投资大的诸多一次设备。
1.3项目所要解决的问题
软仿真系统是指用计算机软件来虚拟变电站的全部
一、二次设备及监控自动化系统,硬件由主站服务器、教练员工作站、学员工作站及一些网络通信设备组成。教练员工作站提供控制仿真机运行(如设置故障或缺陷) ,还可监视学员操作;学员工作站用于学员培训,显示设备状态,实现设备操作功能。软仿真系统的设备控制及逻辑关联都是由软件实现,修改容易,适应性好,易于拷贝、移植,易实现一次设备仿真。由于受软件技术和需求配合的制约,现有的一些软仿真系统存在不够“细腻”、逻辑关联欠缺等问题。 1.3.1仿真对象
全国220 kV及以下的无人值班变电站已得到推广。这种变电站都采用集中监控的模式,没有必要再开发单个220 kV变电站的仿真系统。因此,变电运行仿真系统的仿真对象应是500 kV变电站和220 kV及以下变电站的监控中心。这两种仿真系统可以完全独立,但考虑到500 kV变电站今后将向集中监控的方向发展,因而将其纳入220 kV监控中心仿真系统,并且站端要具备完善的仿真功能。 1.3.2地区电网的仿真要求
220 kV及以下变电站监控中心仿真系统需要对一个地区电网进行仿真,但和调度员培训模拟(DTS)有较大区别。监控中心仿真系统以培训变电运行人员为目的,注重变电站设备的操作和异常处理、故障类型和保护元件动作的判别,对电网的网络拓扑要求很低,甚至不需要潮流计算,当线路发生故障时只须考虑故障线路的两端变电站故障关联即可。电网的模型很简单,只要将多个220、
110、35 kV变电站通过线路相联,故障线路两端变电站关联。最完善的方案是把调度员培训和变电站值班员培训结合起来,使变电站仿真、监控中心仿真和地区电网仿真系统有机地整合在一起。采用这种方案,可以整合平台资源,利用同一套硬件系统同时实现调度员和变电站值班员的培训。 1.3.3 220kV监控中心仿真系统规模
不管电网采用简单模型还是复杂模型,为适应变电站无人值班模式,培训监控和操作人员的220 kV变电站监控中心仿真系统,必须具备至少2个完整的220 kV变电站现场仿真、2个110 kV变电站现场仿真和2个35 kV变电站现场仿真,并可接入500 kV变电站现场仿真系统,以培训监控及操作值班员的网络概念。这些变电站的现场仿真功能完善,可以用作单个有人值班变电站(主要是500 kV和220 kV)运行值班员的仿真培训。建设仿真系统时,必须选用成熟的自动化平台,并能利用通信数据网在远方设置多个运行工作站,提供远程培训平台。 1.4 论文结构与各章重点内容
本文共分七章，第一章为绪言，主要介绍文章的研究意义、论文结构及本文的特点。
第二章，理论是指导行动的纲领，本章主要提出对仿真学理论的认识，构建仿真系统的设计思想，并详细分析不同类型仿真系统存在的优缺点，并将此作为新开发仿真系统的突破口。
第三章，主要介绍仿真系统应用情况及改进方向，从目前电力公司人员状况，分析培训的必要性，并且分析新的仿真系统的发展和改进方向。
第四章，本章是本文的重点章节，详细介绍构建的仿真系统软硬件结构，应用条件，以及应用对象与实现的培训功能。
第五章，本章既介绍了项目实施过程，更加突出地介绍了新项目的技术亮点，在解决目前存在问题上，提出了新的策略。
第六章，介绍了本套仿真系统完成开发后的具体应用，通过操作训练、技术比武等多种形式的应用，实现了项目开发的目标。
第七章，结论部分总结了变电站仿真系统项目的开发与培训应用效果，也指出了项目中还存在的不足与下一步的发展趋势。 第二章 变电仿真系统的仿真学理论 2.1 变电仿真系统的内容和对象 ·2.1.1··
仿真内容包括：控制屏、仪表屏、信号屏、直流屏及微机五防屏、测控屏等各类屏的盘面均按实际屏的照片进行模拟仿真，对盘面及盘后的所有电气元件作全范围的仿真。盘后的直流控制开关、直流信号开关；盘面的显示仪表、指示灯、光字信号、控制开关、控制按钮及切换开关等为多媒体画面且能进行操作。
继电保护屏和自动装置屏。各种型号的保护屏按变电站保护的实际配置进行全面仿真。保护屏的仿真包括：各种继电器、盘面布置、保护压板、CT切换端子、直流熔丝、小开关、PT切换开关（切换继电器）、按钮、信号灯、盘后直流开关等。保护屏盘面仿真采用多媒体画面加照片贴图方式实现。
微机保护装置。按实际保护装置面板仿真，其面板上的液晶屏幕及显示内容与实际相同，按键功能也与实际设备相同，功能选择小开关与实际设备相对应并具有相同功能。面板仿真采用多媒体画面加照片贴图方式方式实现。 2.1.2变电仿真系统的对象
仿真系统的仿真对象是一个500kV变电站、一个220kV变电站、110kV变电站和35kV变电站。四个仿真变电站彼此将为独立变电站，在电气上不联系。四个变电站的出线将均有对侧的负荷（电源）和负荷断路器、电源和电源断路器。 变电站一：500/220/35kV 500kV为3/2接线方式，设置四串共四条出线和两台主变（自耦变压器）；220kV为双母线单分段（II母分段）带旁路接线，专用母联和专用旁路断路器，共设八回出线；35kV为单母分段接线，分别四组接补偿装置和一台站用变。 变电站二：220/110/10kV 220kV为双母线带旁路接线，专用母联和专用旁路断路器，共设四回出线；两台主变（三圈变压器）；110kV为双母线，专用母联，每段母线分别带四条出线；10kV为单母分段接线，每段母线接六条出线，一台所用变和两套补偿装置。 变电站三：110/35/10kV 110kV为外桥式接线，两回出线；两台主变（三圈变压器）；35kV为单母线接线，每段母线分别带四条出线；10kV为单母分段接线，每段母线接六条出线；一台所用变和两套补偿装置。 变电站四：35/10kV 35kV为单母线接线，单回进线；壹台主变（二圈变压器），10kV为单母分段接线，每段母线接四条出线；一台所用变和两套补偿装置。 2.2 变电培训仿真系统的发展历史
2.3变电仿真系统的典型类型
2.4新仿真机总体技术方案 2.4.1 仿真机总体技术方案概述
仿真机采用一模多模方式，现阶段为一机四模，仿真机系统将模拟一个500kV变电站、一个220kV变电站、110kV变电站和35kV变电站。仿真系统采用软表盘方案对变电站的屏/台及其上报警，监视，控制操作进行仿真，通过就地操作站仿真和变电站的远方就地盘，保护盘等的操作。本仿真机还具备远程培训及多媒体培训功能。
仿真机在一套硬件设备上实现对四套变电站的仿真。仿真机系统硬件设备包括仿真计算机系统：它是以局域网为中心构成的分布、开放式硬件系统，以便能够实时完成变电站及其接入系统的仿真培训功能，该系统包括主机（含教练员台站）、就地站、学员站（含多媒体站）、工程师站等。对于学员站采用设计与现场一致的计算机人机界面。软表盘仿真的盘台采用高分辨率的计算机投影装置。主机采用PC服务器，通过以太网与学员站，软表盘站等连接形成仿真机计算机硬件环境。
仿真机系统软件包括：仿真支撑系统软件；学员站人机界面系统软件；通信与进程控制系统软件；四个变电站模拟软件；教练员台软件；操作系统软件；多媒体软件系统；多媒体培训功能软件；远程培训软件；绘图工具软件；图形化自动建模软件；系统测试软件；操作系统及应用软件、评估软件。
计算机系统运行UNIX操作系统，采用武汉世纪华胜科技自主产权的高级仿真支撑软件ASCA。学员站运行Windows NT操作系统。仿真机提供自动评分功能，对标准考试题目进行自动评分；同时提供详细的学员操作记录。
教员可很方便地对学员下达各种命令或任意设置故障，操作灵活方便，使系统能很快进入新的运行状态。仿真机的操作部分将包括教练员台、学员站、变电站就地站。在结构上具有可靠性和易维护性，且具有一定的可扩充性。程序可读性和结构性强，修改简单，维护方便。 本仿真机设计将尽可能满足多层次、多类型变电站值班人员的培训需要。能方便地变换不同的运行方式对学员进行培训：系统可同时开设多组内容不同的教学且互不影响；学员台可设置为软表盘，也可设置为监控站或就地站；学员台为通用终端，可按需装入不同的内容。仿真系统总体结构示意图如图1-1所示。
武汉世纪华胜科技提供的综合解决方案的具体目标是达到或超过用户所执行的标准，保持系统具有当前先进的水平。武汉世纪华胜科技在完全同意用户方对故障仿真要求的基础上，为用户方设计了本项目基本的故障仿真模式，这些故障包括了变电站可以发生的所有故障（个别故障概率非常小）。
本技术方案还提供了详尽的供货资料清单，这些是保证用户方正常使用仿真机的必须环境。本技术方案提供的质保模式是经德国质量认证机构TüV（PS）认证的ISO9001模式，本项目将遵从此模式为用户方开发仿真系统。在项目开发完成后，武汉世纪华胜科技承诺将对仿真机系统提供全生命周期的服务。 2.4.2仿真机的总体目标
武汉世纪华胜科技能够高质、按期研制出反映当前国际国内仿真技术水平的仿真系统。武汉世纪华胜科技将结合十多年来对电力系统仿真技术的理论研究运用到本项目中并综合先进的仿真支撑软件及硬件技术，使仿真系统完全满足招标方所提出的\"仿真机总体设计原则\"。 第一，具备完善的运行人员培训功能，提供向受训人员展现正常、异常和故障情况的实际现场运行状态，有效地提高运行人员的专业知识、操作技能、应变能力和熟练程度，使运行人员经培训后能够熟练地掌握变电站启停过程和维持正常运行的全部操作，学会处理异常、紧急事故的技能，提高实际操作能力和分析判断能力，训练应急处理能力，确保变电站安全、经济运行。
第二，能对控制专业、继电保护专业的技术人员进行培训，使受训人员能够熟练的掌握自动控制系统或继电保护系统的工作原理，正确分析、判断、处理相关的各种故障，对自动控制系统以及继电保护系统的参数进行整定、优化，为自动控制系统以及继电保护系统运行的稳定性提供测试手段。
第三，能够复原、演示已发生的各种事件以及事件过程中运行人员的处理操作行为，以供事件的分析和研究。
第四，仿真机系统具备下列特点：第一，计算机系统采用网络拓扑结构，具有先进、可靠、开放等特点，通用性强，易于维护。 第二，计算机软件系统符合国际发展潮流，采用视窗技术，全中文菜单，操作简单、维护方便。 第三，仿真支撑软件基于UNIX操作系统平台，协调和管理所有仿真机资源，具有效率高、占用内存资源少的特点。 第四，教练员台提供多种对仿真机的监控手段及教学管理手段，学员成绩评定和教案生成均可由甲方根据需要自己构置。 第五，仿真算法库精度高，仿真范围广，对于变电站及电网具有自动拓扑分析、动态潮流计算、实时故障分析、暂态稳定计算、频率计算的功能，建立全物理过程的电力网络数学模型及继电保护数学模型。 第六，仿真机系统整体性能价格比高。 第七，具备远程培训功能，采用多媒体技术，提高培训效果。 2.4.3仿真系统作用
根据本技术方案，仿真系统投运后，可以为变电站的运行人员提供逼真的培训环境，达到提高运行人员的运行操作素质，增强其安全运行能力的目的，同时经过反事故演练后，提高其对变电站非正常和事故状态的判断、处理能力，为变电站安全、稳定和经济运行作出贡献。本系统还能对变电站运行特性、运行方式，以及控制系统进行分析研究。具体表现在：
变电仿真系统是全数学-物理过程的培训仿真装置，能完整仿真变电站运行的整个生产过程，可以使变电站值班员进行正常操作训练：包括熟练地掌握变电站各种启停操作、熟悉各种规程及操作要求、正确填写操作票、培养规范操作习惯、操作术语。提供正确的故障、事故现象，培训和提供运行值班人员正确判断、处理各种故障、事故的应变能力，提供保证变电站安全经济运行的能力。
可使变电站值班员对全厂运行的基本知识进行训练，使值班员比较全面地理解变电站各种操作的意义和作用，增加变电站的整体概念。可对运行人员进行反事故演习，可用于对岗位运行人员、技术管理人员的定期轮训，以及上岗、晋升前的考核。可以用来对变电站已有的操作规程进行有效性检查和验证，以改进不同工况下的操作方案。为制定处理故障的措施及反事故措施提供参考。具有进一步修改和扩充变电站数学模型的能力，以满足变电站设备和系统改进的需要。
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