云南电网有限责任公司昆明供电局 云南省 昆明 650000
摘要：变电站二次回路是保证电网安全稳定运行的重要因素，本文介绍了一种基于动态图纸的变电站二次回路仿真培训系统，该系统应用自动建模技术来将CAD版的变电站二次设计图纸转化为动态仿真图纸，在该系统中能够实现在三维场景下对二次回路原件元件的测量。系统采用一种简单实用的二次回路计算方法可快速准确地计算变电站二次回路各节点电气量，为二次回路仿真测量、元件动作逻辑提供数据支持。
关键词：二次回路；仿真培训；动态图纸；快速建模
虽然智能变电站发展十分迅速，但是传统的变电站在一段时间内还占据相当大的比例，变电站继电保护二次回路对电网的安全稳定运行依然起着重要作用。随着电网规模和变电站运行时间的增长，二次回路缺陷频发，二次运维、检修任务也越来越重，因此对继电保护运检、变电运维人员的二次系统专业知识和技能水平有较高要求。为了提高运行、检修人员的二次回路专业技能水平，有必要加强二次回路专业技能的培训。
二次回路上的工作注重实操能力，传统继电保护二次专业技能培训中，为确保实操能力，一般采用真实装备作为培训工具。这种方式的优点在于培训的真实感较强，但是缺点也很明显，其对建设成本和场地要求较高；而且实操工位紧张，故障设置方式有限，不能够满足需求；此外此种方式的耗材量大，成本高。基于这样的情况，采用基于虚拟现实技术的二次系统仿真平台进行培训能够解决上述问题，使学员可以在仿真平台上进行检修步骤和方法的学习，取得实际操作一样的效果，从而有效的降低培训的成本、提高培训效果。
本文中介绍了一种基于动态图纸的变电站二次回路仿真培训系统，此系统通过应用二次回路图形化自动建模技术和快速二次回路分析算法，实现二次回路仿真系统的快速搭建和系统运行时回路仿真测量结果的快速准确计算。与此同时，此系统还能够和变电站的一二次设备三维仿真系统以及电网仿真系统实现联合运行，从而能够完成变电站二次回路的全景仿真。
1 系统功能的介绍
1.1 仿真系统的构成
二次回路的仿真培训系统主要由电网仿真、变电站一二次设备仿真、二次回路仿真动态图纸等几部分构成，这几部分具体的功能如下所示：
（1）电网仿真。电网仿真的功能是实时计算电网变电站一次输配电网络的稳态潮流和暂态潮流，为二次设备仿真模块提供保护、测量数据。
（2）一二次设备仿真。一二次设备仿真的功能是实现变电站所有设备的三维建模，从而实现一二次设备检查、测量等操作的仿真。
（3）二次回路仿真动态图纸。其功能是对二次回路的设计图纸进行动态化处理，从而使图纸上的原件能够和三维场景中的保持一一对应的关系，并且能够在仿真图纸上准确地再现扰动发生后二次回路元件的响应动作。
系统能够为接受培训的学员提供仿真的培训环境，在此环境下，学员可对图纸查线、缺陷处理的过程进行模拟操作，从而让接受培训的学员不仅得到理论上的学习，在实操上也取得不错的效果。
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1.2 快速建模功能
系统建设面临的一个重大难点是建模工作量大，二次回路图纸量大、元件数量多，单一靠手动建模需要大量的时间，而且出错率较高。为了解决快速建模问题，问系统采取了两方面的策略：一是实现图纸的动态化，在保留实际设计图纸的绘图风格、布局的基础上，用二次回路仿真系统定义的各类基本模型或子模型来代替图中的二次回路元件；二是按照实际回路和设备对图中的动态元件的典型属性进行新的定义。动态元件生成后，系统还能够提供批量定义元件属性的功能，同时，对一些在仿真培训中不会涉及到的元件，可以根据样本元件进行复制，这些元件除具有唯一的ID外，属性值都是复制而来，从而实现了数据录入的工作量。系统在图纸生成和元件定义工作完成之后会自动生成拓扑数据、并将其存入数据库。同时系统还具有元件属性值自动检查的功能，可以协助开发人员进行重复定义、元件定义冲突、漏定义元件等错误的排除工作，从而提高编辑效率。
1.3 仿真培训功能
本系统设计了回路智能着色、回路测量和动作过程重演等仿真培训功能，以下为几种功能的简单介绍：
（1）回路智能着色在二次回路理论培训中有重要的应用，教员通过这种方式能够突出显示集中典型的回路，还能够在讲解过程中单步着色，帮助学员进行理解。而学员在自学时，也可以利用其将自己的识别结果和设定的答案进行对比，能够直观的判断选择的对错。在系统发生扰动时，此功能能够将元件动作顺序将变位元件依次着色突出显示，使学员更容易理解。此外，教员可以根据需求灵活的选择此功能的开关。
（2）回路测量能够实现缺陷的查找和定位，是二次回路仿真培训的重要内容。本系统能够模拟数字万用表，学员可以通过其在系统中对回路进行测量，进行查找和定位缺陷的培训。同时，本系统能够支持学员分别在变电站三维仿真场景里和动态仿真图纸上进行测量。在学员操作失误时，例如量程选择不合适的情况，系统会根据计算结果给出符合实际逻辑的现象。
（3）在一般的变电站仿真系统之中，只能够反映出电力系统发生扰动之后各个设备的状态，并不能够反映出动作的过程，这是由于二次回路这一系列元件的变化一般在毫秒级时间内完成。通过动态仿真系统可以自动记录并保存发生扰动后二次回路的动作序列，并可根据需要冻结变电站仿真系统的时间推进，单独在动态图纸上自动回放二次回路元件动作过程，从而使学员更深刻的认识到发生扰动的全过程。
2 系统中应用的关键技术
系统中主要应用了二次回路元件模型定义、快速建模技术和快速回路计算等技术。
（1）在进行二次回路元件模型定义时需要考虑仿真和培训两方面的内容。不仅需要根据实际的物理原理来进行建模，还需要考虑到实际培训的需要，从而不仅使模型满足全范围、全过程仿真，还具有方便教学的功能属性。系统将二次回路的元件抽象为端子、导线、触点、继电器、二极管、电阻等，在建模时先定义了这些元件模版，然后定义该类元件的基本属性，所有元件都根据这些模版进行派生或者直接定义。
（2）本系统通过图纸编辑器和模型编辑器进行动态图纸编辑，并且利用图形识别等技术开发了自动建模、编辑功能，准确快速的进行了二次回路图纸仿真过程中绘制动态图纸、元件属性定义等环节。本系统通过自动匹配元件模型和自动定义元件属性实现快速建模。本文系统借助图形识别技术，结合二次图纸设计绘图规律，开发了一套智能绘图工具。基于一套图纸内某一类元件的图形符号都是相同的，或者相似的的特点，可以在全部图纸中搜索与制定元件外观相似的元件，并且替换成指定模型。同时，二次回路图纸具有通常绘图的时候，大部分元件名称都标在元件旁边比较固定的位置的特点，因此在进行属性定义的时候，可以对元件周围的文本进行搜索，并且将该文本与图纸别名结合生成元件唯一ID，如果同一张图纸上出现相同的ID，那么系统会自动在ID后按顺序加上数字编号。
（3）本文系统应用了一种新的快速分析方法实现了二次回路的快速计算。该方法利用二次回路拓扑特点，以回路为单元进行拓扑分析，直接化简回路，使之只需进行一个简单的电阻回路计算就可以完成二次回路的计算。
参考文献
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[3]王玉莹.变电二次设备仿真实训系统研究[D].山东大学,2013.
论文作者:张克宇
论文发表刊物:《防护工程》2017年第26期
论文发表时间:2018/1/19
标签：回路论文; 元件论文; 图纸论文; 系统论文; 变电站论文; 建模论文; 动态论文; 《防护工程》2017年第26期论文;