一、引 言
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對供電可靠性的要求越來越高。據(jù)統(tǒng)計，在電力系統(tǒng)的各種事故中，由于運(yùn)行人員的誤操作、誤判斷而造成貽誤的事故約占40 %?？梢姡ＷC電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高運(yùn)行人員的運(yùn)行素質(zhì)則是其中一個關(guān)鍵而基本的重要環(huán)節(jié)。變電站作為聯(lián)系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，發(fā)揮著變換和分配電能的作用，因此，變電站的安全運(yùn)行則對保證電力系統(tǒng)的安全可靠地運(yùn)行具有重要的作用。其中按綜合自動化要求設(shè)計的500 kV變電站，由于采用了當(dāng)前先進(jìn)的自動化技術(shù)，從而對變電站運(yùn)行人員的素質(zhì)提出了更高的要求，因此開發(fā)與之相適應(yīng)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)就顯得尤為重要。
二、變電站培訓(xùn)仿真模式
變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究開發(fā)已經(jīng)有近10年的歷史，對于以運(yùn)行人員為培訓(xùn)對象的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)而言，目前國內(nèi)存在兩種類型的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)：
（1）帶硬件盤臺與軟件仿真相結(jié)合的變電培訓(xùn)仿真模式。這種模式除用常規(guī)的計算機(jī)作為仿真系統(tǒng)核心外，一般均設(shè)置一個與實際變電站相似的主控制室，并按1∶1模擬各電壓等級的保護(hù)屏、控制屏、中央信號屏等。屏上的表計、控制開關(guān)、紅綠燈、按鈕、光字牌等無論是外觀還是排列位置均與實際變電站相符。對保護(hù)壓板、按鈕、指示燈、信號掉牌等與變電站運(yùn)行人員有緊密聯(lián)系的設(shè)備按比例進(jìn)行縮小仿真。開關(guān)、按鈕、壓板等操作狀態(tài)以及在各種運(yùn)行狀態(tài)下的表計指示、聲光信號、掉牌信號均由工控計算機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控，并在控制屏上實時反映出來。操作正確將得到正確的結(jié)果，而操作錯誤則會出現(xiàn)事故狀態(tài)，因此能非常真實逼真地反映出學(xué)員的運(yùn)行水平和事故處理能力，給培訓(xùn)人員留下深刻的印象，這是該仿真模式最大的優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)也是明顯的，系統(tǒng)硬件成本高，可靠性與可維護(hù)性較差。
（2）純軟件的變電站培訓(xùn)仿真模式。這種模式完全是針對目前許多變電站按照綜合自動化模式進(jìn)行設(shè)計，因此上述模式傳統(tǒng)控制室中的保護(hù)屏、控制屏、中央信號屏等物理設(shè)備均被計算機(jī)監(jiān)控平臺所代替，所有監(jiān)控功能都通過MMI實現(xiàn)與培訓(xùn)人員的互動。省去了大量硬件設(shè)備，大大提高了可靠性，并且有利于系統(tǒng)更新升級。如今越來越多的變電站按綜合自動化模式進(jìn)行設(shè)計。綜合自動化變電站與常規(guī)變電站最大的區(qū)別在于二次部分，在硬件和運(yùn)行維護(hù)環(huán)境上也存在很大區(qū)別。為了適應(yīng)這種形勢開發(fā)綜合自動化變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。
故本仿真系統(tǒng)500kV變電站仿真系統(tǒng)采用了第二種模式，并完全按照南昌500KV變電站監(jiān)控平臺進(jìn)行模擬仿真，選擇目前流行的工業(yè)組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺。而其它電壓等級的仿真則采用了第一種模式，以適應(yīng)未采用變電站綜合自動化設(shè)計模式的變電站運(yùn)行人員的仿真培訓(xùn)，其監(jiān)控平臺同樣采用組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺。
三、仿真系統(tǒng)的構(gòu)建
1、 系統(tǒng)總體架構(gòu)
系統(tǒng)采用了硬件模擬和軟件仿真相結(jié)合的方式,硬件模擬系統(tǒng)包括控制屏、模擬屏、保護(hù)柜、就地一次設(shè)備可操控微縮模型（開關(guān)狀態(tài)可測控）及所用電系統(tǒng)；軟件仿真則涵蓋了教練員臺、學(xué)員SCADA系統(tǒng)、調(diào)度仿真、微機(jī)繼電保護(hù)仿真、故障錄波、操作票專家系統(tǒng)、故障多媒體演示系統(tǒng)。全系統(tǒng)采用七臺工控機(jī)和八臺微機(jī)構(gòu)建了分布式的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng),并由一臺服務(wù)器負(fù)責(zé)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊控制與數(shù)據(jù)處理。如圖1所示：
圖1：仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖
2、組態(tài)軟件FIX32在本仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)
作為目前工控領(lǐng)域主流的工業(yè)自動化軟件，F(xiàn)IX32集控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身,包含動態(tài)顯示、報警、趨勢、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等組件,提供一個友好的用戶界面,使用戶在不需要編什么代碼的情況下便可生成自己需要的應(yīng)用軟件。
FIX軟件的核心是數(shù)據(jù)庫，它是過程控制邏輯形成的一種控制策略的描述，用戶通過各組態(tài)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的過程，也就是控制策略實現(xiàn)的過程，包括數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出。Dra w是FIX提供的一個功能強(qiáng)大的圖形組態(tài)開發(fā)環(huán)境，提供豐富的作圖工具和圖符動態(tài)集，可設(shè)計出非常漂亮的工業(yè)監(jiān)控畫面，并定義各顯示元件與數(shù)據(jù)庫模塊的連接，用以建立動態(tài)監(jiān)控顯示畫面。而View則是FIX提供的一個實時運(yùn)行的動態(tài)顯示環(huán)境，用以顯示由Dra w建立的圖形窗口。在本仿真系統(tǒng)中采用由第三方DDE程序、過程數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫訪問組成FIX32 DMACS軟件的數(shù)據(jù)采集和管理功能（SCADA），作為Vie w在實時運(yùn)行時的后臺動態(tài)數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)。
（1）第三方DDE接口：它是采用C/S（客戶/服務(wù)器模式）結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)雙向交換的動態(tài)數(shù)據(jù)交換接口。分別完成監(jiān)控畫面與系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)庫之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換，以及系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫與FIX過程數(shù)據(jù)庫之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換。
（2）過程數(shù)據(jù)庫:它是FIX32的核心。由流程控制邏輯回路組成。描述形式是塊（Block）和鏈（Chain）。一個塊是一組被編碼能實現(xiàn)具體任務(wù)的控制指令。一個鏈?zhǔn)且淮B接在一起能創(chuàng)建控制回路的“塊”序列。在FIX32中可通過FIX32提供的數(shù)據(jù)庫建立程序功能模塊（Database Builder）來創(chuàng)建塊。用戶創(chuàng)建一個新的塊，需輸入塊名，規(guī)定塊接收值來源，塊輸出值去向，報警優(yōu)先權(quán)，對臨界值或一般數(shù)據(jù)值的改變怎樣反應(yīng)等來完成一個塊的創(chuàng)建過程。然后，把創(chuàng)建的塊連接起來構(gòu)成鏈，每個鏈實現(xiàn)流程規(guī)定的操作。創(chuàng)建鏈之后，SAC程序就會在規(guī)定時間內(nèi)處理每個塊里的指令。假如你想從輸入輸出設(shè)備讀數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后寫回到該輸入輸出設(shè)備，則執(zhí)行這一策略的鏈可以是模擬輸入塊（AI）、計算塊（CA）一模擬輸出塊（AO）。
?。?）系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫訪問：采用共享內(nèi)存技術(shù)實現(xiàn)本地通訊進(jìn)程（DDE）與服務(wù)器客戶端通訊程序間的數(shù)據(jù)交換。而服務(wù)器客戶端通訊程序則借助多線程通訊機(jī)制與服務(wù)器之間按照TCP/IP協(xié)議及穩(wěn)定的流式Socket聯(lián)接,完成實時數(shù)據(jù)的動態(tài)交換，以獲取系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫中的動態(tài)數(shù)據(jù)。
圖2：FIX32在本仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用架構(gòu)
3、監(jiān)控系統(tǒng)的功能與設(shè)計
傳統(tǒng)控制室中使用的控制屏被基于Fix平臺的監(jiān)控計算機(jī)所代替。監(jiān)控計算機(jī)提供了許多與控制室相同的功能如：監(jiān)視、報警、控制及管理、監(jiān)督控制。
1）監(jiān)控畫面的設(shè)計采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)、模板技術(shù)及多任務(wù)技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的作圖方式,縮短了開發(fā)周期。監(jiān)控系統(tǒng)由靜態(tài)和動態(tài)畫面兩部分組成。通過它們及其各種組合可以清楚直觀地反映母線、變壓器、開關(guān)、斷路器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。電壓、電流和功率等重要模擬量的顯示采用動態(tài)文本，畫面數(shù)據(jù)根據(jù)庫標(biāo)簽數(shù)值的變化實時地刷新。
2） 歷史曲線顯示與任意時刻的數(shù)據(jù)查閱功能。FIX可以借助動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）技術(shù)將實時數(shù)據(jù)庫的動態(tài)數(shù)據(jù)按用戶設(shè)定的時間間隔進(jìn)行采樣與保存，以保證隨時可以從歷史數(shù)據(jù)文件中提取出來進(jìn)行歷史趨勢曲線顯示，以便于培訓(xùn)人員對歷史數(shù)據(jù)及事件進(jìn)行分析。此外用戶可以根據(jù)自己的需要定義報表的輸出時間和輸出周期。歷史曲線可以反映出各模擬量的變化趨勢，通過趨勢圖，操作員可以看出有功功率和無功功率的變化情況，并能夠查閱任意歷史時刻的電壓、有功、無功。
3）報警管理功能。報警管理功能會在出現(xiàn)故障時立刻彈出故障元件信號屏畫面，提醒操作人員并顯示故障信息，本系統(tǒng)直接利用Fix的報警功能，實現(xiàn)有關(guān)的現(xiàn)場報警及各種應(yīng)用報警。
4）系統(tǒng)安全管理功能。為了保證正常生產(chǎn)監(jiān)控的需要，防止誤操作造成生產(chǎn)停頓和大的經(jīng)濟(jì)損失，要明確操作人員的職責(zé)范圍，同時兼顧軟件本身的安全性，防止操作人員誤操作。對于操作人員的職責(zé)范圍，可以在設(shè)計監(jiān)控程序的時候通過ID號及密碼確認(rèn)設(shè)定操作者的操作權(quán)限。
5）繼電保護(hù)
該部分由教員臺提供故障啟動與故障計算，學(xué)員監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)變電站繼電保護(hù)的電氣邏輯關(guān)系，將繼電保護(hù)的啟動信號輸出至監(jiān)控畫面。
該系統(tǒng)仿真了微機(jī)與非微機(jī)不同型號的多種保護(hù)裝置在各種故障故障情況下動作的狀態(tài)，其中，微機(jī)保護(hù)的仿真包括母線、主變與線路以及電容電抗器等不同型號保護(hù)裝置，在仿真結(jié)構(gòu)方面，繼電保護(hù)仿真采用了“黑箱”模式，在“黑箱”內(nèi)按照不同的保護(hù)類型和不同的保護(hù)動作原理進(jìn)行仿真。在“黑箱”輸入端分別輸入啟動信號和控制信號。啟動信號主要包括短路電流或短路電壓信號和邏輯啟動信號;控制信號則包括二次回路中的直流控制信號、保護(hù)閉鎖信號、保護(hù)拒動信號等。啟動信號與控制信號按照邏輯與的關(guān)系，在控制電源消失或保護(hù)回路閉鎖時保護(hù)模塊不能正常觸發(fā)或動作輸出。與定值啟動信號不同，邏輯啟動信號針對某種特定的故障，如二次回路故障、變壓器瓦斯故障、系統(tǒng)振蕩等，它們沒有系統(tǒng)確定的時間定值和保護(hù)定值，故障信號完全采用純邏輯啟動信號，根據(jù)它的邏輯回路進(jìn)行保護(hù)的判斷和輸出，其輸出的各種控制信號被分類整理，開關(guān)跳閘信號、報警信號、表計信號、保護(hù)發(fā)信信號以及事故音響等信號送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，再借助DDE接口送入FIX的過程數(shù)據(jù)庫，最終動態(tài)刷新基于FIX監(jiān)控平臺的繼電保護(hù)仿真界面中的相關(guān)光字牌及信號燈，學(xué)員通過與真實保護(hù)設(shè)備一致的操作界面，完成故障情況下保護(hù)動作的啟動信息的調(diào)閱。此外，學(xué)員可以通過與真實保護(hù)設(shè)備一致的操作界面設(shè)置保護(hù)的控制字，通過DDE接口和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫將保護(hù)控制信號送至繼保仿真邏輯輸入端。
圖3：繼電保護(hù)仿真
結(jié)束語
系統(tǒng)經(jīng)實際運(yùn)行證明，F(xiàn)ix在設(shè)計思想上的開放性，使得用戶可以設(shè)計使用靈活、編輯簡便、畫面質(zhì)量和表現(xiàn)形式豐富多樣的監(jiān)控系統(tǒng)。采用組態(tài)軟件Fix所提供的諸如模板、圖庫以及向?qū)У裙δ芸梢允褂脩艚M態(tài)系統(tǒng)所需的時間縮短，同時使系統(tǒng)功能得到增強(qiáng)。用戶可以針對不同變電站的實際情況快速搭建基于Fix的仿真變電站監(jiān)控系統(tǒng)。
（轉(zhuǎn)載）
