dts-sots联合故障仿真的设计与实现

　　 DTS-SOTS联合故障仿真的设计与实现逄健鹏1，高 平2，李峰云3，凌志勇4，魏文辉1，白 玮1（1．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084；
2．北京清华仿真科技有限公司，北京100083；
3．广东省佛山电力工业局，广东省 佛山市528000；
4．广东省电力学校，广东省 广州市510520）
摘 要：在DTS-SOTS实时通信接口的基础上，设计并实现了调度员培训仿真系统、变电站操作员培训仿真系统（DTS-SOTS）联合故障仿真的功能。这种新型的联合故障仿真系统能够计算正常状态下的电网潮流和各种故障下的短路电流，并通过DTS各个模块和SOTS配合进行状态同步及事件处理的交互，真实地再现DTS和SOTS中的保护装置的动作行为。在广东省佛山电力工业局的现场运行表明，该联合故障仿真系统对SOTS的培训效果大为改进。
关键词：调度员培训仿真系统；变电站操作员培训仿真系统；联合故障仿真
1 引言
现代电力系统对电网调度中心和厂站操作人员分析及处理故障情况的能力提出了更高的要求。目前，迅速提高电力系统调度运行人员和现场操作人员业务技能的一个行之有效的途径是采用各种仿真培训系统。

调度员培训仿真系统（Dispatcher Training Simulator,DTS）[1]主要用来培训电网调度员进行正常调度操作和提高处理事故的能力。它强调与电网实际调度环境的一致性和取得实际数据的方便性，基本上由软件实现。变电站操作员培训仿真系统（Substation Operator Training Simulator， SOTS）[2]用于培训变电站运行人员。它对变电站的各种一次、二次设备有几乎完全一对一的模拟，系统组成包括软件控制部分和硬件盘台部分。可以看出，现有的DTS与SOTS在仿真范围和仿真功能上是优势互补的。本文在原有的DTS和SOTS的基础上，设计并实现了DTS-SOTS联合故障模拟功能，结合DTS和SOTS各自的优势，构成了一个联合仿真系统，使SOTS的仿真和培训功能大为增强。
该联合仿真系统已在佛山电力工业局的现场运行，收到了很好的培训效果。
2 联合故障仿真的设计
2.1 DTS-SOTS联合故障仿真的要求
DTS的电网初态既可以取自SCADA实时数据，也可以取自离线保存的存储柜断面，SOTS则从DTS取得培训初始断面，因而保证二者具有一致的设备初始状态。在联合仿真状态下，DTS为SOTS提供潮流数据，二者互通操作信息，保证了DTS与SOTS状态的同步，而且在每个仿真系统中进行的各种操作以及操作结果都能及时地反应到2个系统中去并保持一致。在此基础上，对仿真站内和仿真站外电网其他部分的故障及异常进行了联合模拟：二者互通故障信息，DTS为SOTS提供短路电流数据，SOTS和DTS分别负责仿真站内和仿真站外电网相关保护设备的动作行为判定，并经过协调处理最终给出配合一致的动作结果。
2.2 SOTS的系统构成
独立的SOTS由硬件盘台和软件控制中心组成。硬件盘台上有仿真站内所有一次设备的投停状态显示和量测表计指示，并在保护屏上显示二次设备的保护装置动作信号；软件控制中心由主控台、教员台和学员台组成，分别运行于前置机、教员机和学员机上。主控台负责硬件盘台的上电初始化和盘台显示的刷新，教员台负责设置各种类型的故障和异常，学员台供学员进行各种站内操作[2]。
2.3 DTS的系统构成
独立的DTS主要由电力系统模块（PSM）、控制中心模块（CCM）和仿真支持功能模块（SSF）组成。具体由功能子模块实现。它们主要包括：初始化模块、潮流计算模块、事件处理模块、保护处理模块和图形显示模块等。所有模块均运行于作为DTS教员台的UNIX工作站上，并可以使潮流画面在多个DTS学员台主机上显示。
2.4 联合故障仿真需要增加和增强的功能
为了满足与SOTS联合进行故障仿真的要求，在DTS侧需要增加DTS-SOTS网络接口模块（作为服务器）和短路电流计算模块，并且要对原有的DTS模块进行功能扩充，增加对新模块的配合和与SOTS进行协作的能力。SOTS侧需要增加DTS-SOTS网络接口模块（作为客户端），以负责发送/接收操作和故障信息及刷新盘台显示；而且还要增加保护装置动作模拟功能。DTS侧的短路电流计算模块和事件处理模块在联合故障仿真功能的实现中是最核心的模块。网络接口模块作为DTS和SOTS互相通信的途径。
（1）DTS-SOTS网络接口模块
网络接口模块的功能主要是为SOTS提供准确而真实的实时潮流数据支持（所谓的“下行数据”，即正常状态下的潮流数据和故障情况下的短路电流数据），以及为DTS提供SOTS侧的操作信息和故障设置信息（所谓的“上行数据”）。当DTS与SOTS的联接建立后便进入联合仿真模式。这时，DTS与SOTS互相配合，进行仿真培训。主要的培训工作都在SOTS端进行。用户在DTS中可以进行配合SOTS培训的一些基本操作，如断开与SOTS仿真站相连的一条线路等。实现的方法是在DTS主机上启动网络服务器程序，在固定的端口等待SOTS主机的联接请求；同时在SOTS主机上运行网络客户端程序；当需要DTS与SOTS相联时，SOTS主动联接DTS工作站上的服务器程序，建立TCP流式联接。上行和下行数据都通过该联接收发[2]。


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（2）短路电流计算模块
短路电流计算模块是故障模拟的数据基础，为故障模拟提供故障时的短路电流和母线电压等基本电气数据。SOTS侧的保护装置就是基于短路电流计算模块的计算结果进行动作的。
短路电流计算模块的运行状态如图1所示。
在经过初始化之后，短路电流模块就进入故障计算循环状态，直到收到退出信号结束运行为止。故障计算循环主要由3个状态组成：等待计算信号状态、故障计算状态和计算完毕状态。在没有故障的时候，模块处于等待计算信号状态。当收到短路电流计算（SCC）信号时，模块进入故障计算状态；计算完毕后模块暂时处于计算完毕状态，当处理完有关的标志变量和信号后，立即返回等待计算信号状态，准备进行下一次短路电流计算。
（3）增强的事件处理模块
事件处理模块承担了处理操作事件、故障设置事件以及判断操作是否会引发故障的任务，并负责SOTS侧的保护动作和DTS侧的保护判断结果之间的协调处理。
论文DTS-SOTS联合故障仿真的设计与实现

图2为事件处理模块在处理事件时的活动图。事件处理分为操作处理和故障处理2种情况。如果收到的事件是故障设置事件，则直接进行故障处理；如果收到的是操作事件，则在进行操作处理的时候，需要判断该操作是否会引发故障（如带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸等），如果会引发故障，则转入故障处理。故障处理包括给短路电流计算模块发送故障信息和进行继电保护判断2部分。最后，不论是正常操作处理还是故障处理，都生成潮流计算基本事件，供潮流计算模块修改导纳矩阵和节点注入量。 （4）增强的保护处理模块
保护处理模块负责DTS中的继电保护动作行为的模拟。在DTS独自运行的时候（稳态模型下），保护处理模块根据故障信息按照逻辑判断方法判断出保护装置动作情况，并把断路器动作信息送潮流计算模块以便进行新的潮流断面计算。在DTS和SOTS联合培训的时候，保护处理模块需要与SOTS侧的保护装置进行配合，即仿真站内的继电保护装置动作结果由SOTS给出，仿真站外的保护装置动作结果仍然由DTS的保护处理模块自行判断。最终的保护装置动作结果由事件处理模块协调决定。
2.5 联合故障仿真的事件流程
2.5.1 正常状态下的仿真流程
正常状态系指电网无故障的状态。这时的仿真流程根据触发方式的不同可以分为2种情况：固定周期的时钟激活方式和随机时间的事件触发方式。
时钟激活方式是指：DTS侧的时钟模块按照设定的时钟周期（一般为5s，可调）定时激活潮流计算模块进行电力系统潮流计算，并把计算结果通过网络接口发送给SOTS，供SOTS刷新盘台的表计（有功、无功、电流、电压）显示。
图3为时钟激活方式下有关模块之间的协作图。图中数字编号表示事件执行顺序，下图同。 事件触发方式系指SOTS侧进行正常的调度操作，同时把操作信息通过网络接口通知DTS；DTS接到操作信息后，经过事件处理模块判断，若不会引发故障则以事件触发方式激活潮流计算模块进行计算；潮流计算模块计算完毕后，把操作后的潮流断面数据通过网络接口送回SOTS，供刷新盘台的表计（有功、无功、电流、电压）显示。
图4为事件触发方式下有关模块之间的协作图。2.5.2 故障状态下的仿真流程
故障状态系指仿真系统中存在电力系统故障的情况。这时的仿真流程也可分为两种情况：用户设置故障和操作引发故障。
（1）用户设置故障方式的具体仿真过程
1）用户在SOTS侧选择故障列表中的若干故障并确认设置，同时把故障信息通过网络接口发送给DTS；
2）DTS首先进行故障事件处理，然后把故障信息送给短路电流计算模块计算短路电流，并将短路电流数据通过网络接口发送给SOTS；
3）SOTS刷新盘台显示，同时进行保护定值比较，并且把瞬时动作的保护信息立即通过网络接口发送给DTS；
4）DTS进行自身的保护判断，即对仿真站以外的保护装置进行判断，然后和SOTS侧的保护动作信息汇总在一起，发送给潮流计算模块并激活其进行计算；


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5）潮流计算模块计算出保护瞬时动作以后的潮流断面，再次激活短路电流模块进行该潮流断面下的短路电流计算；
6）短路电流模块计算完后，立即把当前的短路电流或正常潮流通过网络接口发送给SOTS；
7）SOTS收到新的潮流断面数据（短路电流或正常潮流）后，立即刷新盘台显示，并且继续进行保护定值比较。如果保护装置返回，则表示故障已经切除，本次故障仿真结束，仿真系统转入正常状态；如果故障尚未被切除，而且仿真站内仍然感测到故障电流，则相应的保护装置在到达保护时限后便出口跳闸，SOTS继续把新的跳闸信息通过网络接口发送给DTS；
8）DTS对跳闸事件进行处理，并再次激活潮流计算模块以进行新的潮流断面计算；
9）此后的流程重复第5）步以后的过程，直到故障被切除，然后仿真系统转入正常状态。
图5为上述故障仿真过程中有关模块之间的协作图。
（2）操作引发故障方式的具体仿真过程

1） 用户在SOTS侧进行调度操作，同时把操作信息通过网络接口通知DTS；
2）DTS在操作处理过程中，若发现该操作引发了电力系统故障，则立即把故障信息送给短路电流计算模块计算出短路电流，并且把短路电流数据通过网络接口发送给SOTS；
3）此后的流程与用户设置故障方式中的仿真过程步骤3）以后的流程完全相同，不再重复。
2.5.3 二次回路异常的仿真
由于变电站侧二次回路的仿真和异常由SOTS负责处理，所以DTS没有对变电站的二次回路进行完全对应的仿真。但是，对于SOTS中的二次设备的设置[3]，如保护定值/时限修改、保护装置的投停、误动、拒动，都可以分别作为正常操作事件和故障设置事件由SOTS发送给DTS，DTS接受这些事件并进行相应的设置和反应：保护定值/时限修改、保护装置的投停、拒动导致的保护状态的变化会在DTS中同步处理，并在以后的一次回路故障模拟过程中产生影响；而保护误动会导致相应的断路器跳闸及重合，所引起的断路器状态和潮流变化会同步发送给SOTS以便刷新盘台显示。
3 仿真效果
佛山DTS主机为SUN Ultra10工作站，单CPU 400MHz、256M RAM、双显，操作系统为Sun OS5.7。SOTS主机（前置机）配置为奔腾III866MHz，128M RAM，操作系统为Windows ME。DTS配有PC学员机2台，SOTS配有PC教员机、学员机各1台。DTS和SOTS所在的网络环境为10/100M自适应以太网。
佛山DTS模拟了佛山地区地调系统，仿真规模为：厂站36个，结点246个，支路328条，对外部500kV主干网络进行了等值简化处理。佛山SOTS模拟的仿真站包括：220kV线路2条，110kV线路4条，10.5kV线路4条，主变2台。物理模拟设备包括仿真盘台13块，保护屏4块。
联合故障仿真模拟包括：潮流量（有功、无功）62个，电压量（三相母线电压）36个，电流量（三相电流、负序电流、零序电流）185个，线路故障（末端、近端、接地、相间）108个，母线故障（相间、接地、TV、避雷器）47个，变压器故障（内部侧、外部侧、相间、接地）38个，电容器故障（相间、接地、击穿）16个，异常（断路器拒动、保护异常、10kV线路单相故障等）187个。
联合故障仿真开始前，DTS和SOTS分别启动并进入联接状态。其中DTS侧经过“数据库初始化→潮流计算初始断面→保护模块和短路电流模块启动→网络接口服务器启动”等步骤后，等待SOTS侧的联接请求；SOTS侧经过“盘台上电→控制台启动并初始化盘台→网络接口客户端启动→联接DTS侧网络接口服务器→取得DTS断面数据并刷新盘台显示”等步骤，使SOTS盘台显示与DTS计算结果相一致，从而建立DTS–SOTS联合运行的同步初始状态。
由于SOTS的保护模拟装置采用的是物理时钟计时，所以，联合故障模拟要达到满意的效果，就要求DTS能足够快地向SOTS返回故障计算结果数据，从而保证SOTS侧的保护模拟装置能够按照设定的时限动作。经过细致的现场调试，对数据传送机制进行了最大程度的优化，最终达到了预期的模拟效果：对于SOTS侧设置的仿真站内的各种类型的故障，以及仿真站与其他厂站间的线路上的各种故障，都能给出正确的模拟结果；对于存在保护拒动、开关拒动等异常情况下的故障模拟结果正确，符合保护的基本原理和现场操作经验；重合闸检无压/检同期闭锁方式正确；对于由于误操作引发的故障也能正确模拟。在复杂故障条件下的DTS和SOTS 两侧的保护动作时间的配合上完全正确，并且满足从SOTS设置故障开始到从DTS取得短路电流电压的时间小于0.2s的性能要求，达到了逼真的实时模拟效果。表1列出了联合故障仿真过程的故障事件及保护动作信息。 表1表明，仿真站侧（SOTS）的断路器瞬时动作，检无压重合于永久性故障并加速跳闸；仿真站对侧（DTS）断路器瞬时动作跳闸，重合闸被检同期装置闭锁。由此可见，设置故障到保护动作的时间间隔以及事件之间的时序完全符合实际电网中的情况，达到了模拟真实度的要求。


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在现场测试中，对DTS中的动态模型也进行了与SOTS的联合模拟试验，结果是成功的。DTS动态模型的计算结果通过网络接口实时送给SOTS，SOTS盘台的量测表计以“慢动作”的方式逼真地再现了所感受到的系统的动态变化，取得了一般变电站模拟系统所无法达到的动态模拟培训效果。
4 结论
本文设计并实现的DTS-SOTS联合故障仿真功能，将传统的DTS和SOTS的功能结合起来，既发挥了DTS在电网仿真方面的优势，也充分利用了SOTS对变电站内部逼真模拟的长处。在联合模拟系统中，DTS为SOTS提供了一个具有交互功能的仿真实时数据源，从而使SOTS从原来的单一静态断面模拟方式升级到实时动态交互模拟方式。在DTS和SOTS协调配合的联合培训模式下，正常操作和故障发生时，可使仿真站内外的电网状态同步变化，分别从局部细节和全网概貌上真实地再现了电力系统的动态反应过程。
通过DTS-SOTS联合故障仿真，既可以分别对电网调度员和变电站操作员进行培训，也可进行电网调度员和变电站操作员协同配合的联合反事故演习。变电站运行人员通过DTS-SOTS联合故障仿真既能了解电网的正常运行和故障对变电站的影响，也能了解到变电站的运行和故障对电网的影响，从而在变电站的值班岗位上建立起对电网全局的正确概念和真实体会，这对保障整个电网的安全稳定运行具有很大的现实意义[4]。参考文献[1] 向春，王心丰（Xiang Chun，Wang Xinfeng）．用DTS建立电网实时仿真的方法研究（Method of establishing real-time simulation in dispatcher training system for regional power network）[J]．电网技术（Power System Tchnology），2000，24(5)：30-33．
[2] 白玮，高平，逄健鹏，等（Bai Wei，Gao Ping，Pang Jianpeng et al）．DTS-SOTS实时通信接口的设计与实现（Design and implementation of real communication interface between DTS and SOTS）[J]．电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2002，22(6)：33-35．
[3] 熊为群，陶然．继电保护自动装置及二次回路[M]．北京：中国电力出版社，2000．
[4] 王启光，李洪波，肖信昌．仿真技术在电力系统中的应用[A]．2000年全国电网调度自动化、仿真技术学术年会论文集[C]，2001．中国电机工程学报


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