电力系统调度员培训仿真系统

1电力系统调度员培训仿真系统关键技术研究摘要：调度员培训仿真系统（DTS）作为电网调度自动化系统一个重要的子系统，为科学分析电网，提高人员素质，保证电网安全可靠、稳定运行奠定了基础。本文在介绍DTS系统发展现状的基础上，阐述了该系统的原理、组成及其主要功能，并重点探究了DTS系统的关键技术。关键词：DTS；电网调度自动化系统；发展现状；关键技术0引言调度员培训仿真系统(DTS）是电网调度自动化系统的一个组成部分，是现代计算机软硬件技术和电力系统分析技术相结合的产物。随着电网规模的不断壮大，电网结线也越来越复杂、运行方式也更加多样化。提高调度员的专业水平，预防不安全运行方式的出现，己被调度部门认为是最积极的反事故措施之一。在这种环境下，DTS将成为培训调度员的强有力的工具，在调度日常工作中越来越起到举足轻重的作用。1DTS系统国内外发展现状由于电力系统的结构复杂和对安全性要求高，调度员培训仿真系统（DTS）的建设显得十分重要，事实证明，它是培训调度员的最佳工具[1]。国外于1976年提出DTS的概念，1977年研制出第一套DTS，1978年美国EPRI组织了关于DTS的大讨论后，DTS在国外迅速推广，经过十年多的发展，已基本稳定，从上世纪90年代开始将动态仿真将面向对象等技术引入DTS。国内DTS的研究从上世纪80年代末开始，1990年第一套DTS系统投运，经过十几年的发展，已从理论研究走向实际运用，并逐渐形成为一个产业。DTS的应用从东北、华北和华东三大网调的试点，推广到各个网省调、大中型地调、集控中心和大型变电站，并拓展到电力培训中心和高等院校电力专业。DTS的体系结构从与EMS接口采用“定制”方式的独立型异构系统到与EMS采用统一支持平台的一体化系统，直至目前正在研究的与EMS接口采用“即插即用”方式的跨平台系统（遵循IEC61970标准），使DTS的软件功能经历了从单一到综合，从简单到复杂的发展过程。其仿真方法包括对电网的稳态仿真、准动态仿真、故障仿真、暂态仿真和全动态仿真以及对保护的逻辑仿真和定值仿真，其设备模型包括一次设备、二次设备、远动设备以及部分动力设备。DTS的现场运行从被动到主动，从偶尔使用到日常使用，其作用也由演示性转变为指导性，并成为调度自动化的一个重要产品和控制中心培训调度员的得力工具。2DTS系统原理[2]电网调度自动化系统由三个子系统组成，分别是:SCADA系统、EMS系统和DTS系统。其中SCADA为数据采集和监控，为调度员提供电网潮流的实时数据:EMS为能量管理系统，提供分析决策电网的各项功能;DTS为调度员培训仿真系统，根据EMS的历史断面或实时断面所形成的初始教案供调度员分析和研究。DTS系统的原理，一边表示实际的电网和调度系统，它通过远动设备采集电力系统中各电力设备的运行状态(如频率、潮流、电压、开关状态、继电保护信号‘和事故信号等)通过通信通道送到调度室的实时调度系统上，调度员坐在调度室中，面对数据采集监控(SCADA)系统和高级应用软件组成的EMS系统，完成对实际电力系统的实时监控和分析决策。另一边表示DTS系统，它好似实际电网及调度系统的“镜像系统”，学员坐在学员室中充当“调度员”，接受培训，学员室中配备与实际调度室一致的EMS软硬件系统(即学员台)，让学员有一种身临其境的感觉；而教员一般由经验丰富的资深调度员充当，他坐在教员室里，利用教员台，在培训前准备教案，在培训中控制培训过程、设置电网事故，并充当2厂站值班员，执行由学员下达的“调度命令”，在培训结束后评价学员的调度能力。在培训进行过程中，学员与教员之间的通信采用电话进行，来模拟调度室调度员和厂站值班员之间的通信方式。教员室与学员室是同一个屋子，电力系统模型和远动设备模型分别是实际电力系统和远动设备的数字仿真。3DTS系统的组成DTS通过模拟电力系统和控制中心为调度员提供一个逼真的环境，以便培训在系统正常、故障和恢复情况下的操作[3]。其基本组成部分应有四个：（1）控制中心模型(CCM)。CCM应与实际控制中心的环境一致，并且具有能量管理系统(EMS)的各种功能。CCM是培训模拟量中学员所面对的环境，包括网络分析(NA)、数据采集和监控(SCADA)、自动发电控制(AGC)等功能。（2）电力系统模型(PSM)。PSM模拟电力系统网络及各种设备的静态和动态响应，包括发电机组、输电线路、负荷、变压器和继电器等。对PSM的要求是真实，要协调好计算速度和模型精度之间的关系。（3）教员台(IP)。IP提供了监视和控制培训过程的功能，包括初始化和调整控制参数、设置事件序列、与学员通信及干预培训进程等。（4）可以直接采集电力系统模型的状态真值进行电网的安全经济运行评估。通过该系统，可以实现培训评估，以供教员在评估学员水平时参考，可进行培训评估打分，并给出评估报告，以实现学员自我培训。4DTS系统功能系统分为九大功能[4]：基本调度指令模拟，故障的设置，误操作的模拟，继电保护和自动装置动作的模拟，开关或保护误、拒动模拟，查询、监视功能，培训过程控制，教案制作，培训评估。（1）基本调度指令模拟：1）开关分/合操作；2）刀闸投/切操作；3）发电机的并网/退出操作；4）发电机增/减出力操作；5）负荷调节；6）发电机无功(或电压)调节；7）电容器、电抗器的投切；8）变压器分接头转换；9）AGC控制；10）保护定值、时限的修改及投切操作；11）自动装置的定值修改、投切、复位操作；12）各种故障处理；13）故障后的复原操作。（2）故障的设置用于进行故障培训时模拟各种故障时间的输入，教员可以根据需要选择下列故障要素：1）故障起始时间：以培训时钟为参考，选定故障时刻(时、分、秒)；2）故障点：在任何网络元件(如发电机、线路、变压器、电抗器、母线等)的某一位置处(如线路距始端处的百分比值)；3）故障的持续时间：瞬时，故障可自动重合成功；延时，故障后自动重合不成功，但一次手动强送能成功;延时，故障后自动重合一次强送不成功，二次强送可成功；永久故障，未经检修消除，重合永不成功。故障类型:单相接地，两相短路，两相短路接地，三相短路，一相断线，二相断线，三相断线，发电机励磁系统故障以及电力系统其它常见故障。故障点接地阻抗：可零阻抗直接接地，也可输入某一阻抗值接地。（2）误操作的模拟对于带负荷拉刀闸、带负荷合刀闸、用刀闸充空载线路或变压器、带空载线路或变压器拉刀闸、带电压合地刀、带地刀合开关、强送至永久故障上等基本操作均可自动生成相应的故障事件。（3）继电保护和自动装置动作的模拟故障时继电保护及自动装置模型将自动显示其动作情况，并伴有音响和闪光信号，同时通过跳开相应的元件开关去影响PSM。故障应跳开的开关在继电保护模拟时，可选用下列3两种方法：逻辑判断法和定值比较法。（4）开关或保护误、拒动模拟能够模拟实际电网中的电气设备误动、拒动行为。并根据误动、拒动情况模拟下级或越级的动作行为。（5）查询、监视功能应可查看全网设备的保护、自动装置、低频减载、低压减载动作信息、培训过程中的电网越限信息。可监视培训过程中的各种有功、无功、电流、电压、频率等电气量的变化和越限情况。（6）培训过程控制可以进行培训开始、培训暂停、培训继续、培训停止等操作，并能够实现培训重演功能，包括重演开始、重演暂停、重演继续、重演结束和培训速率设置等操作。（8）教案制作能够记录了培训的初始方式和教员设置的事件列表，可用于反复培训不同的学员。教案内容应包括教案名称、制作人、制作时间、共享属性、教案描述等信息。（9）培训评估可根据学员在培训过程中的操作行为给出评估，同时对误操作、继电保护、自动装置的动作信息、学员操作行为造成越限的情况做出相应的记录，并打印出评估报表。DTS系统应可满足上述各项基本功能的需求，其稳态电力系统模型应可模拟各种操作或保护动作跳开相应开关以后的新工况下的系统潮流，其动态电力系统模型应可模拟上述故障或误操作后电力系统的机电暂态过程。5DTS系统关键技术5.1跨平台技术[5]DTS系统统遵循IEC61970新标准，提供CIM/CIS接口，满足数据实时交互及共享的要求。CIM和CIS为DTS系统间实现数据共享提供了数据交换的标准。CIM主要定义了公用的电网模型规范，是数据格式的标准;而CIS则定义了软件即插即用的接口描述，是数据传输的接口标准。DTS系统既可与EMS系统一体化实施，也可以作为独立系统配合其它厂家的EMS系统运行，可通过符合IEC61970标准的CIM/CIS接口从第三方厂家的EMS系统获取电网模型、方式数据等，减少用户的重复维护工作DTS系统的支撑平台对底层操作系统和硬件平台进行封装，对外提供与具体应用系统和硬件无关的统一的开发和运行接口。提供了异构环境下互操作的机制，还提供跨平台的图形技术。在不同的硬件平台上均可实现DTS,DTS子系统也可分布在不同的硬件平台上。图1所示为跨平台框架示意图。图1跨平台构架示意图5.2图模库一体化技术[5]4所谓图模库一体化，即在绘制厂站接线图的同时，实现设备与数据库的联接，生成电网模型，确定拓扑关系，为电网分析打下良好的基础。图模库一体化技术按照面向对象的方法设计的基于CIM的图库一体化技术，供了一套先进的图形制导工具，图形和数据库录入一体化，作图的同时可在图形上录入数据库，使作图和录入数据一次完成，自动建立图形上的设备和数据库中的数据的对应关系。所见即所得，便于快速生成系统。图模库一体化技术可以根据接线图上的连接关系自动建立整个电网的网络拓朴关系，大大简化了EMS系统的工程化工作和维护工作，而且保证了维护工作的正确性，避免人为错误，保证图形、模型、数据库的一致性，减少建模和建库时间。5.3区域联合联合反事故演习技术[5]可实现网、省、地、县等各级调度联合反事故演习。既做到各种演习信息的发布又可实现各调度控制中心和参演厂站的远程操作。提供机制以防止多用户并发访问的拥塞，并能满足远程动态数据刷新响应的实时性要求。DTS主站和各DTS子站的数据传输接口和仿真计算接口是关键技术。DTS主站与各DTS子站的接口如下:DTS子站的计算结果(主要指变压器110kV侧的负荷值)可以提供给DTS主站使用，DTS主站的计算结果为DTS子站提供外网数据。各级DTS的互联基于工EC61970的C工M信息模型与AP工接口标准，数据库基于CIM模型，数据传输上采用CIS接口协议。5.4内存数据库技术[6]内存数据库是支持实时事务的最佳技术，其本质特征是其“主拷贝”或“工作版本”常驻内存，即活动事务只与实时内存数据库的内存拷贝打交道。显然，它要求较大的内存量(根据不同的数据量所需的内存量也不相同)，但并不要求任何时刻整个数据库都能存放在内存，而是将要处理的数据根据相关规则放到内存中，即内存数据库系统还是要通过I/O来传输数据。尽管如此，但它己不是传统磁盘数据库的概念，所以传统数据库适用的数据结构、事务处理算法与优化、并发控制及恢复等技术对内存数据库不一定合适。特别是在处理巨量数据的实时性方面，由于其数据及事务事务处理不涉及I/O。内存数据库体现出其巨大的处理效率优势，但考虑内存直接快速存取的特点，内存数据库的有关技术，如搜索算法、恢复机制等都不同于传统的商业数据库，所以其设计应该打破传统磁盘数据库的设计观念，以CPU和内存空间的高效利用为目标，再根据具体的硬件条件来重新设计开发各种合适的数据处理和事务管理的算法、技术、方法及机制。5.5仿真算法技术目前国内主流的DTS计算方法主要有以下三种[4]：分别是动态潮流计算方法，稳态、动态结合切换计算方法以及全过程仿真算法;动态潮流计算方法由于计算精度较差一般不采用，目前主要采用的是稳态、动态结合切换算法和全过程仿真算法。下面对以上三种算法进行分别介绍。5.5.1动态潮流算法动态潮流算法的基本是潮流算法，一般设定固定的统一频率，只模拟电网的设备，排除发电设备的微分方程，同时将系统的不平衡功率分配给系统中的发电机组。该算法的优点是:计算量小，潮流计算可以扩大到每分钟计算。而缺点则是无法展示系统的动态过程和长过程