專利名稱：一種全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向電力行業(yè)的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，尤其涉及一種全數(shù)字化的高壓直 流輸電(High Voltage DC Transmission Systems，簡稱HVDC)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，屬于電力系 統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高壓直流輸電是指將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電 線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基本上由兩個換流站和直流輸電 線組成，兩個換流站與兩端的交流系統(tǒng)相連接。直流輸電技術(shù)的主要優(yōu)點是不增加系統(tǒng)的 短路容量，便于實現(xiàn)兩大電力系統(tǒng)的非同期聯(lián)網(wǎng)運行和不同頻率電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前，我國正在積極推進(jìn)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，發(fā)展特高壓直流輸電是實現(xiàn)電網(wǎng) 智能化的堅強(qiáng)保障。因此，有必要加強(qiáng)高壓直流輸電培訓(xùn)仿真技術(shù)的研究，為在2020年基 本建成堅強(qiáng)智能電網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。針對上述的技術(shù)需求，在《電力系統(tǒng)自動化》2006年第18期上發(fā)表的《數(shù)?；旌?式高壓直流輸電仿真系統(tǒng)的建立》一文中，劉云、印永華等人介紹了中國電力科學(xué)研究院仿 真中心的數(shù)?；旌鲜礁邏褐绷鬏旊姺抡嫦到y(tǒng)的開發(fā)、建設(shè)及試驗工作，闡述了如何建立適 應(yīng)仿真試驗需要且實用高效的數(shù)?；旌鲜街绷鞣抡嫦到y(tǒng)的設(shè)計思想、技術(shù)措施以及系統(tǒng)優(yōu) 化和簡化方法.文中詳細(xì)論述了多種設(shè)備的配置，高壓直流輸電一次物理模型和二次部分 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，控制保護(hù)系統(tǒng)軟硬件的調(diào)整和修改，設(shè)備間接口的設(shè)計，以及通過適當(dāng)?shù)耐ㄐ?系統(tǒng)實現(xiàn)直流輸電模擬仿真系統(tǒng)的一次模型與控制保護(hù)系統(tǒng)間互聯(lián)，與其他直流、交流仿 真系統(tǒng)及其自動控制裝置的連接，并通過后臺及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，從而建 成完整的數(shù)?；旌鲜礁邏褐绷鬏旊姺抡嫦到y(tǒng)的工作。在申請?zhí)枮?00810(^8456. 3的中國發(fā)明專利申請中，公開了一種針對高壓直流 輸電系統(tǒng)換流站運行和維護(hù)技術(shù)人員的培訓(xùn)考核系統(tǒng)。這種高壓直流輸電技術(shù)智能培訓(xùn)考 核系統(tǒng)，由直流輸電仿真系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、培訓(xùn)考核系統(tǒng)服務(wù)器、路由器、遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器以及 一個教員用戶終端、多個本地學(xué)員用戶終端或遠(yuǎn)程學(xué)員用戶終端組成，能進(jìn)行網(wǎng)上學(xué)習(xí)、培 訓(xùn)和考試，包括理論培訓(xùn)考試和直流輸電系統(tǒng)實操培訓(xùn)考試，能根據(jù)所設(shè)定的題型、難度自 動組題、自動計時、自動判分、自動形成成績報告，可滿足對直流輸電系統(tǒng)運行維護(hù)初級工、 中級工和高級工進(jìn)行規(guī)范化、智能化培訓(xùn)和考核的需要。另外，在申請?zhí)枮?00810218923.9的中國發(fā)明專利申請中，公開了一種理論與實 操相結(jié)合的高壓直流輸電技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，包括離線直流輸電培訓(xùn)系統(tǒng)、基于U3平臺的離線 直流輸電培訓(xùn)系統(tǒng)、直流輸電仿真系統(tǒng)、在線/離線培訓(xùn)切換裝置及用戶終端，用戶終端通 過在線/離線培訓(xùn)切換裝置分別與離線直流輸電培訓(xùn)系統(tǒng)、基于U3平臺的離線直流輸電培 訓(xùn)系統(tǒng)和直流輸電仿真系統(tǒng)連接。該培訓(xùn)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，包含權(quán)限管理子系 統(tǒng)、用戶管理子系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)故障演示子系統(tǒng)。直流輸電仿真系統(tǒng)實操性強(qiáng)、形象逼 真，能真實地仿真模擬直流輸電系統(tǒng)實際特性。
為了提高高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真能力，在申請?zhí)枮?00910080301.9的中國發(fā) 明專利申請中，公開了如下的技術(shù)方案擴(kuò)展單態(tài)動態(tài)相量形式為多態(tài)動態(tài)相量形式；采 用開關(guān)函數(shù)表示換流閥特性，建立考慮交流基波電壓不對稱和直流電流存在紋波的非理想 條件下HVDC系統(tǒng)的多態(tài)動態(tài)相量模型；并根據(jù)該模型的代數(shù)微分方程組，得到模型中每個 變量隨時間變化的曲線；然后，經(jīng)過傅立葉反變換，分別計算出完整的高壓直流輸電系統(tǒng)整 流側(cè)直流電壓、逆變側(cè)直流電壓、直流線路電流和交流側(cè)電流隨時間變化的曲線；最后計算 高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)和交流側(cè)的各值，實現(xiàn)對高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真。該技術(shù)方案 在仿真中對非對稱故障具有良好的適應(yīng)性，同時計算效率高且不失準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng) (簡稱培訓(xùn)仿真系統(tǒng))。該培訓(xùn)仿真系統(tǒng)可以建立一個全方位、全過程、全場景的高逼真度、 交互式高壓交直流輸電培訓(xùn)模擬環(huán)境。為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案一種全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于包括交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺，用于提供仿真運行支撐環(huán)境；三維仿真建模模塊，用于構(gòu)建虛擬設(shè)備仿真組件庫；交互式三維虛擬場景模塊，用于實現(xiàn)一、二次設(shè)備的三維重現(xiàn)；面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊，用于生成交流系統(tǒng)模型和直流系統(tǒng)模型；培訓(xùn)管理與評價模塊，用于實現(xiàn)教案調(diào)用、學(xué)員培訓(xùn)過程跟蹤、培訓(xùn)進(jìn)程控制、學(xué) 員管理、培訓(xùn)評估功能；其中，所述交互式三維虛擬場景模塊、所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊、所述 培訓(xùn)管理與評價模塊、所述運行人員工作站仿真模塊分別與所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真 支撐平臺進(jìn)行連接，所述三維仿真建模模塊連接所述交互式三維虛擬場景模塊。其中，所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺包括仿真應(yīng)用管理模塊、仿真組件 管理模塊、聲明管理模塊、時間管理模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)管理模塊和虛擬設(shè)備代理模塊。所述三維仿真建模模塊包括組件生成器和組件裝配器，其中所述組件生成器用于 構(gòu)建虛擬設(shè)備仿真組件庫，所述組件裝配器和虛擬設(shè)備仿真組件庫相互配合，用于搭建仿 真的一、二次設(shè)備現(xiàn)場。所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊中的交流系統(tǒng)模型包括交流輸電線 路、同步交流發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)、變壓器、開關(guān)/刀閘及負(fù)荷模型、繼電保護(hù)和自動裝置仿 真模型。所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊中的直流系統(tǒng)模型包括換流變、交流 濾波器、直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路模型、換流橋閥及觸發(fā)脈沖發(fā)生系統(tǒng)模型、 高壓直流輸電及其控制保護(hù)系統(tǒng)模型。所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊仿真計算出交直流電力系統(tǒng)中的一、二 次設(shè)備狀態(tài)量并存儲在所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺中，所述交互式三維虛擬場 景模塊、所述運行人員工作站仿真模塊及所述培訓(xùn)管理與評價模塊從所述交互式實時協(xié)同 培訓(xùn)仿真支撐平臺讀取交直流電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真結(jié)果，并通過所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺將教員、學(xué)員操作指令發(fā)送給所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊。所有仿真應(yīng)用軟件通過一個標(biāo)準(zhǔn)接口形式進(jìn)行交互作用，各仿真應(yīng)用軟件之間不 直接通信，所有通信功能集中由仿真實時運行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。所述全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)利用綜合友元法建立電氣網(wǎng)絡(luò)的等效電 流源和電阻的替換網(wǎng)絡(luò)元件，用電導(dǎo)和表示過去狀態(tài)的歷史電流源等效整個網(wǎng)絡(luò)元件，建 立等價網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點方程，利用稀疏矩陣技術(shù)進(jìn)行節(jié)點方程求解，計算本時步的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，修 改歷史量，進(jìn)入下一時步計算，當(dāng)長距離輸電線路發(fā)生故障時進(jìn)行預(yù)處理計算，當(dāng)閥狀態(tài)變 化時進(jìn)行電量躍變的計算。本發(fā)明所提供的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)可以全面滿足高壓直流輸電生產(chǎn)人員的運行、檢修 維護(hù)等方面技能、技術(shù)培訓(xùn)需要，大幅度地提高高壓直流輸電生產(chǎn)培訓(xùn)、反事故演習(xí)、應(yīng)急 生產(chǎn)管理和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平，從而實現(xiàn)了更好的培訓(xùn)效果，充分滿足跨區(qū)電網(wǎng)發(fā)展的需要。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1為全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)中各功能模塊之間的連接關(guān)系示意圖
圖2為交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺與仿真應(yīng)用軟件之間的關(guān)系示意圖3為面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊的組成示意圖4為仿真實時運行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖5為六脈動換流閥組元件的連接示意圖6為換流閥的等效電路模型示意圖7為鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的模型框圖8為觸發(fā)脈沖發(fā)生系統(tǒng)的模型框圖9為換流變壓器的等效電路模型示意圖10為本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)中，單相輸電線路的等值電路示意圖11為本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)所采用的仿真并行算法的流程圖12為圖11所示的仿真并行算法中，實現(xiàn)并行計算的示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所提供的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)包括交互式實時 協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺、三維仿真建模模塊、交互式三維虛擬場景模塊、面向培訓(xùn)的交互式 實時數(shù)字仿真模塊、培訓(xùn)管理與評價模塊、運行人員工作站仿真模塊等。其中，交互式實時 協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺是整個系統(tǒng)的中心，交互式三維虛擬場景模塊、面向培訓(xùn)的交互式 實時數(shù)字仿真模塊、培訓(xùn)管理與評價模塊、運行人員工作站仿真模塊分別與該平臺進(jìn)行連 接，而三維仿真建模模塊連接交互式三維虛擬場景模塊。面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真 模塊仿真計算出交流、直流電力系統(tǒng)一、二次設(shè)備狀態(tài)量并存儲在交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿 真支撐平臺中，交互式三維虛擬場景模塊、運行人員工作站仿真模塊及培訓(xùn)管理與評價模 塊從該交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺讀取交直流電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真結(jié)果，并通過交 互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺將教員、學(xué)員操作指令發(fā)送給面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字 仿真模塊。
下面分別對各模塊的組成和工作原理進(jìn)行詳細(xì)的說明。交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真 支撐平臺是一個包含仿真應(yīng)用管理、仿真組件管理、聲明管理、時間管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理、虛 擬設(shè)備代理等功能模塊的仿真運行支撐環(huán)境。交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺與仿真應(yīng) 用軟件之間的關(guān)系如圖2所示。其中，高速實時通信軟總線采用共享內(nèi)存方式通信，通信軟 總線采用網(wǎng)絡(luò)方式通信。交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺各個模塊的功能描述如下 仿真應(yīng)用管理培訓(xùn)仿真系統(tǒng)中參與仿真運行的應(yīng)用程序的加入和退出 ’統(tǒng)一 管理仿真應(yīng)用的注冊，同時提供同步管理功能，實現(xiàn)分布式環(huán)境下的同步策略應(yīng)用程序的 同步。 仿真組件管理為仿真應(yīng)用創(chuàng)建通信對象、發(fā)現(xiàn)通信對象、發(fā)送對象數(shù)據(jù)、接收 對象數(shù)據(jù)提供支持，數(shù)據(jù)接收方和發(fā)送方無需知道對方在系統(tǒng)中的什么地方，具有位置透 明性。 聲明管理管理仿真組件類的公布、訂購信息及消息類的公布和訂購信息。 時間管理提供時間管理策略和時間推進(jìn)策略。 數(shù)據(jù)分發(fā)管理實現(xiàn)基于值的數(shù)據(jù)過濾策略。 虛擬設(shè)備代理提供與物理設(shè)備通信的接口。三維仿真建模模塊離線編輯生成交互式三維虛擬場景模塊需要的交流、直流系統(tǒng) 中一、二次設(shè)備模型。它采用可視化、組件化和圖庫模一體化建模技術(shù)，包括兩個部分組件 生成器、組件裝配器。利用組件生成器可以方便地構(gòu)建內(nèi)容豐富的虛擬設(shè)備仿真組件庫；利 用組件裝配器和虛擬設(shè)備仿真組件庫可以像“搭積木”似地搭建虛擬仿真換流站控制室和 繼電器室、一次設(shè)備現(xiàn)場，實現(xiàn)仿真的一、二次設(shè)備的“即插即用”，同時仿真模型和數(shù)據(jù)庫 自動形成。交互式三維虛擬場景模塊采用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，可以實現(xiàn)換流站的一、二次設(shè) 備三維重現(xiàn)，形象地反映了設(shè)備的正常、異常、事故狀態(tài)及其動作過程，不但可以對虛擬場 景中的設(shè)備巡視、檢查、漫游，而且可以進(jìn)行虛擬操作，還提供了各種事故狀態(tài)的事故場景， 如著火、爆炸等，另外還提供了霧天、下雨、下雪等天氣狀況，提高了系統(tǒng)的真實感、現(xiàn)場感 和培訓(xùn)環(huán)境的逼真度。如圖3所示，面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊中具有如下的電力系統(tǒng)模型 交流系統(tǒng)模型交流輸電線路、同步交流發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)、變壓器、開關(guān)/刀 閘及負(fù)荷模型、繼電保護(hù)和自動裝置仿真模型等； 直流系統(tǒng)模型換流變、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路模 型、換流橋閥及觸發(fā)脈沖發(fā)生系統(tǒng)模型、特高壓直流輸電及其控制保護(hù)系統(tǒng)模型等；本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)基于實時仿真平臺，研究及開發(fā)直流控制保護(hù)及輔助系統(tǒng)設(shè)備的 仿真組件，通過軟件接口實現(xiàn)與實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。換流站的主要設(shè)備包括換流器、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流避雷 器及控制保護(hù)設(shè)備等。換流器又稱換流閥是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是實現(xiàn)整流和逆變。 目前換流器多數(shù)采用晶間管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流 橋。一般由兩個或多個換流橋組成換流系統(tǒng)，實現(xiàn)交流變直流、直流變交流的功能。培訓(xùn)管理與評價模塊具有教案調(diào)用、學(xué)員培訓(xùn)過程跟蹤、培訓(xùn)進(jìn)程控制、學(xué)員管 理、培訓(xùn)評估等功能；并且可以對培訓(xùn)學(xué)員提供輔導(dǎo)、幫助等功能。
為了既保證數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)處理的實時響應(yīng)性，又能滿足對外部系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn) 性和開放性，本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫采用商用數(shù)據(jù)庫與實時數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式。商 用數(shù)據(jù)庫采用支持ANSI-SQL訪問的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(ORACLE、DB2、SYBASE、SQL SERVER)，利用 商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)性和開放性，方便地建立數(shù)據(jù)模式，存儲歷史數(shù)據(jù)以及為外部 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫接口。實時數(shù)據(jù)庫是按照面向?qū)ο蟮乃枷牒图夹g(shù)自行開發(fā)的常駐內(nèi)存數(shù)據(jù) 庫，用來支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速訪問、處理。實時數(shù)據(jù)庫與商用數(shù)據(jù)庫有機(jī)結(jié)合的方式保證了數(shù)據(jù) 庫的實時性和高效性，商用數(shù)據(jù)庫作為實時數(shù)據(jù)庫的持久存儲，較好地解決了分布式系統(tǒng) 中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開放性、實時性和一致性問題，從而充分發(fā)揮了實時數(shù)據(jù)庫和商用數(shù)據(jù)庫 各自的優(yōu)勢。下面介紹本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的仿真實時運行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(RTI)。該仿真實時運行基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)是參考國際建模與仿真標(biāo)準(zhǔn)IEEE1516系列標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的、具有時間協(xié)同功能的高速實 時通信軟總線，實現(xiàn)了仿真應(yīng)用管理、仿真對象管理、聲明管理、時間管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理、 虛擬設(shè)備代理等功能，是本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它作為分布式仿真的運行支撐環(huán)境，支持 各個仿真應(yīng)用之間的交互操作，是聯(lián)系培訓(xùn)仿真系統(tǒng)各部分的紐帶，是分布式培訓(xùn)仿真系 統(tǒng)的核心。它為各個仿真應(yīng)用軟件提供了位置透明、高效的虛擬運行環(huán)境。仿真實時運行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由接口層、功能模塊層和數(shù)據(jù)交互接口層組成，其中應(yīng)用 接口層實現(xiàn)接口規(guī)范定義的函數(shù)接口，為應(yīng)用程序提供規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)接口 ；邏輯處理 層是對應(yīng)用接口層的支持和內(nèi)部管理功能的實現(xiàn)；數(shù)據(jù)交換接口層是對底層通信的封裝， 實現(xiàn)基于共享內(nèi)存的高速實時通信和基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信。仿真實時運行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用如圖4所示的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在整個培訓(xùn)仿真系統(tǒng) 中，所有仿真應(yīng)用軟件都是通過一個標(biāo)準(zhǔn)的接口形式進(jìn)行交互作用。各個仿真應(yīng)用軟件之 間不直接通信，所有通信功能集中由RTI實現(xiàn)。各個仿真應(yīng)用軟件向RTI發(fā)出某種接口服務(wù) 的功能調(diào)用，RTI負(fù)責(zé)根據(jù)系統(tǒng)中各個仿真應(yīng)用軟件的需求，調(diào)度整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布， 從而實現(xiàn)了只將變化的信息發(fā)送到需要的地方。在一個培訓(xùn)仿真系統(tǒng)中，可以包含分布在 不同或相同計算機(jī)上的許多應(yīng)用程序，仿真應(yīng)用管理提供創(chuàng)建、撤銷、加入、退出培訓(xùn)仿真 系統(tǒng)的功能接口，管理仿真運行環(huán)境的建立、撤銷，仿真進(jìn)程的注冊和退出，同時提供同步 管理功能，實現(xiàn)分布式環(huán)境下的進(jìn)程間的同步策略。仿真進(jìn)程的邏輯時鐘推進(jìn)方式分為時間控制方式和時間受限方式，一個“時間控 制”的仿真進(jìn)程影響其它“時間受限”的仿真進(jìn)程的時間推進(jìn)。仿真進(jìn)程的時間管理方式有 四種組合，即“控制”、“受限”、“既控制又受限”和“既不控制又不受限”。仿真系統(tǒng)中與時 間推進(jìn)相關(guān)的進(jìn)程，必須采用控制、受限、既控制又受限的時間推進(jìn)方式時才具有時間協(xié)調(diào) 功能，時間管理服務(wù)自動協(xié)調(diào)分布式環(huán)境下仿真進(jìn)程之間時間推進(jìn)，保證本培訓(xùn)仿真系統(tǒng) 的時空一致性，實現(xiàn)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的協(xié)同運行。在本發(fā)明中，采用電網(wǎng)圖模庫一體化建模的技術(shù)思路。所謂圖形、模型和數(shù)據(jù)庫一 體化建模是指畫面編輯能夠提供特定電氣元件的計算模型，在生成畫面同時，能夠自動地 生成或人為輸入電氣元件計算模型的參數(shù)，并插入到數(shù)據(jù)庫相關(guān)表格中；能自動生成畫面 顯示的動態(tài)數(shù)據(jù)。對圖形、模型和數(shù)據(jù)庫一體化的支持是畫面編輯器的重要功能之一，它把作圖和 數(shù)據(jù)錄入融為一體，根據(jù)接線圖上的連接關(guān)系自動建立整個電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，極大地加快了系統(tǒng)建模的進(jìn)程；所有電氣元件都有對應(yīng)的圖形元件，為數(shù)據(jù)錄入提供了直觀的、圖形化 的輸入工具；系統(tǒng)中還采取了多種有效措施，保證數(shù)據(jù)正確可靠，達(dá)到一次輸入，全局共享 的目的。交直流電網(wǎng)實時數(shù)字仿真的模型完備性和計算精度直接決定著本培訓(xùn)仿真系統(tǒng) 的整體性能，本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)將采用交直流電磁暫態(tài)仿真技術(shù)，采用瞬時值方式進(jìn)行計算， 可以模擬微秒級的電壓、電流瞬時變化情況，不僅可以計算系統(tǒng)的工頻電量，而且考慮非周 期和高頻分量以及快速的暫態(tài)過程，準(zhǔn)確的再現(xiàn)交直流系統(tǒng)的正常、異常及故障情況下的 各種行為。結(jié)合直流培訓(xùn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行、交互性、實時性等性能要求高的特點，針對 換流閥狀態(tài)頻繁變換，本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)開發(fā)修正向后歐拉法的電量躍變計算以保證了換流 閥導(dǎo)通狀態(tài)發(fā)生變化時，不會產(chǎn)生不衰減的數(shù)值振蕩，以提高了系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行能力；采 用長距離輸電線路任意點故障在線仿真算法，實現(xiàn)各類設(shè)備故障的在線交互設(shè)置而無須預(yù) 先設(shè)置以重新進(jìn)行初始值及穩(wěn)態(tài)計算，保證了系統(tǒng)的在線交互性；采用綜合友元法、并行計 算技術(shù)通過降低計算矩陣的階數(shù)和將計算任務(wù)分解至多個CPU以提高系統(tǒng)的實時性。接下來介紹本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)所建立的各類電力系統(tǒng)仿真模型。為了準(zhǔn)確的模擬直 流系統(tǒng)啟動、穩(wěn)態(tài)、故障及停運時各種工況的暫態(tài)行為，本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)將建立直流系統(tǒng)的 各組成設(shè)備的詳細(xì)模型，具體包括1)六脈動換流閥組模型脈動換流閥組模型由換流閥等效電路模型、鎖相環(huán)模型及觸發(fā)脈沖發(fā)生系統(tǒng)模型 組成，這些模型之間的連接示意圖如圖5所示。本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)采用的換流閥等效電路模型將考慮陽極電抗器及等效電阻的作 用，串聯(lián)閥組的正向?qū)▔航?，緩沖電路以及換流閥的導(dǎo)通、截止的作用，如圖6所示，其中 電感Lt為陽極電抗器的等效電感，電阻&為包含陽極電抗器及閥的正向電阻，電壓源等于 閥的正向壓降，Rt及Ct為并聯(lián)RC緩沖支路電阻和電容，理想開關(guān)&作為一數(shù)值函數(shù)，當(dāng)閥 導(dǎo)通時& = 1，閥開斷時& = 0。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)通過輸出一個同步脈沖鏈來跟隨輸入的交流電壓信號，通過反饋 控制來消除發(fā)出脈沖頻率與交流系統(tǒng)實際頻率這兩個信號之間的頻率和相位誤差，從而獲 得鎖相功能。根據(jù)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，圖7給出了鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的模型框圖，交 流側(cè)三相電壓經(jīng)過α β 0變換、比例積分等環(huán)節(jié)輸出基準(zhǔn)相位。圖8給出了觸發(fā)脈沖發(fā)生系統(tǒng)的模型框圖，從鎖相環(huán)輸出相位角經(jīng)過三角波發(fā)生 程序后，得到具有與系統(tǒng)參考電壓相同頻率和相位的三角波；在此基礎(chǔ)上，脈沖發(fā)生程序根 據(jù)控制系統(tǒng)輸出的觸發(fā)角及接線補(bǔ)償輸出的補(bǔ)償角，發(fā)出點火脈沖。其中，接線補(bǔ)償主要是 為了消除換流變壓器一二次側(cè)不同接法而出現(xiàn)的相位平移。2)換流變壓器模型為實現(xiàn)交直流系統(tǒng)的同時仿真計算的問題，本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)采用基于受控源原理 的變壓器暫態(tài)模型，其等效電路模型如圖9所示，原邊為流控電流源，副邊為壓控電壓源， 該模型的優(yōu)勢在于較好的消除了交直流接口的問題，實現(xiàn)交直流同步計算，從而使得交直 流系統(tǒng)暫態(tài)過程計算更精確。3)平波電抗器模型采用集中參數(shù)的電阻電感支路模型。
4)濾波器模型直流系統(tǒng)中接有大量的交、直流濾波器，主要分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器等 類型，每類濾波器均有電容、電感、電阻串并聯(lián)組成，系統(tǒng)將為每類濾波器建立相應(yīng)的暫態(tài) 模型。5)電容器、電抗器模型采用集中電容和電感支路模型。6)超高壓長距離輸電線路模型直流長距離輸電線路模型將采用特征線法，并考慮線路的損耗，特征線法在分布 參數(shù)設(shè)備的建模中廣泛應(yīng)用。該算法的思想是將輸電線路的分布參數(shù)的影響化為集中參 數(shù)，使輸電線路的暫態(tài)過程在集中電路中求解。經(jīng)公式推導(dǎo)后，單相輸電線路等值電路如圖 10所示，而且兩端電量是靠兩端等值電流源Ip(t)和Itl(t)的歷史記錄互相聯(lián)系，而在拓?fù)?上沒有聯(lián)系，因此可以在長線處將直流系統(tǒng)分開分別對整流側(cè)和逆變側(cè)進(jìn)行并行計算。對于控制系統(tǒng)的仿真應(yīng)考慮并列解耦計算，相應(yīng)的功能模塊也不需要全部模擬， 只模擬其中對一次系統(tǒng)運行發(fā)生重要影響的部分即可。主要包括極功率控制/電流控制、 換流器觸發(fā)控制、過負(fù)荷限制、直流功率調(diào)制、換流變壓器分接頭控制、無功功率控制、電壓 角度參考值計算。在本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)中，所采用的仿真并行算法如圖11所示。仿真并行計算的主要 流程是利用綜合友元法建立電氣網(wǎng)絡(luò)的等效電流源和電阻的替換網(wǎng)絡(luò)元件，用電導(dǎo)和表示 過去狀態(tài)的歷史電流源來等效整個網(wǎng)絡(luò)元件，建立其等價網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點方程，利用稀疏矩陣 技術(shù)進(jìn)行節(jié)點方程求解，計算本時步的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，修改歷史量，進(jìn)入下一時步計算，當(dāng)長距 離輸電線路發(fā)生故障時進(jìn)行預(yù)處理計算，當(dāng)閥狀態(tài)變化時進(jìn)行電量躍變的計算。綜合友元法是將一類設(shè)備作為整體進(jìn)行描述設(shè)備的微分方程差分化，作為一個友 元元件處理，在各個時間離散點上化為等效的電導(dǎo)和電流源。與EMTP等電磁暫態(tài)仿真計算 程序采用的友元法相比，綜合友元法可使網(wǎng)絡(luò)方程節(jié)點數(shù)減少，從而可降低計算矩陣的規(guī) 模，從而提高計算速度。在直流控保系統(tǒng)仿真中，控制系統(tǒng)與電氣網(wǎng)絡(luò)分別求解，網(wǎng)絡(luò)解的輸出在下一時 步中可以作為控制系統(tǒng)的輸入量，控制系統(tǒng)的輸出量在同一時步作為網(wǎng)絡(luò)解的輸入量，因 此直流控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)計算和電氣網(wǎng)絡(luò)計算可在不同CPU進(jìn)行并行計算。另外，根據(jù)長距離輸電線路模型兩端自然解耦，控制系統(tǒng)與電氣網(wǎng)絡(luò)求解自然解 耦的特點，可將交直流系統(tǒng)的計算任務(wù)分解至多個CPU處理，計算任務(wù)之間通過高速共享 內(nèi)存進(jìn)行通信和同步。如圖12所示，本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)采用并行計算技術(shù)，并結(jié)合綜合友元 法，能夠?qū)崿F(xiàn)50 SOus時間實現(xiàn)交直流系統(tǒng)的一個步長的仿真計算。在直流系統(tǒng)仿真中，各換流器的各閥周期性地導(dǎo)通、截止，相當(dāng)于系統(tǒng)中有頻繁的 開關(guān)操作，本培訓(xùn)仿真系統(tǒng)在閥狀態(tài)變化時采用修正向后歐拉法進(jìn)行電量躍變的計算以避 免產(chǎn)生不衰減的數(shù)值振蕩，同時保證系統(tǒng)的仿真精度。以上對本發(fā)明所提供的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實質(zhì)精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改 動，都將構(gòu)成對本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
權(quán)利要求
1.一種全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于包括交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺，用于提供仿真運行支撐環(huán)境；三維仿真建模模塊，用于構(gòu)建虛擬設(shè)備仿真組件庫；交互式三維虛擬場景模塊，用于實現(xiàn)一、二次設(shè)備的三維重現(xiàn)；面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊，用于生成交流系統(tǒng)模型和直流系統(tǒng)模型；培訓(xùn)管理與評價模塊，用于實現(xiàn)教案調(diào)用、學(xué)員培訓(xùn)過程跟蹤、培訓(xùn)進(jìn)程控制、學(xué)員管 理、培訓(xùn)評估功能；其中，所述交互式三維虛擬場景模塊、所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊、所述培訓(xùn) 管理與評價模塊、所述運行人員工作站仿真模塊分別與所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐 平臺進(jìn)行連接，所述三維仿真建模模塊連接所述交互式三維虛擬場景模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺包括仿真應(yīng)用管理模塊、仿真組件管理模塊、 聲明管理模塊、時間管理模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)管理模塊和虛擬設(shè)備代理模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述三維仿真建模模塊包括組件生成器和組件裝配器，其中所述組件生成器用于構(gòu)建 虛擬設(shè)備仿真組件庫，所述組件裝配器和虛擬設(shè)備仿真組件庫相互配合，用于搭建仿真的 一、二次設(shè)備現(xiàn)場。
4.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊中的交流系統(tǒng)模型包括交流輸電線路、同 步交流發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)、變壓器、開關(guān)/刀閘及負(fù)荷模型、繼電保護(hù)和自動裝置仿真模 型。
5.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊中的直流系統(tǒng)模型包括換流變、交流濾波 器、直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路模型、換流橋閥及觸發(fā)脈沖發(fā)生系統(tǒng)模型、特高 壓直流輸電及其控制保護(hù)系統(tǒng)模型。
6.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊仿真計算出交直流電力系統(tǒng)中的一、二次設(shè) 備狀態(tài)量并存儲在所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺中，所述交互式三維虛擬場景模 塊、所述運行人員工作站仿真模塊及所述培訓(xùn)管理與評價模塊從所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn) 仿真支撐平臺讀取交直流電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真結(jié)果，并通過所述交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真 支撐平臺將教員、學(xué)員操作指令發(fā)送給所述面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊。
7.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于所有仿真應(yīng)用軟件通過一個標(biāo)準(zhǔn)接口形式進(jìn)行交互作用，各仿真應(yīng)用軟件之間不直接 通信，所有通信功能集中由仿真實時運行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)利用綜合友元法建立電氣網(wǎng)絡(luò)的等效電流源 和電阻的替換網(wǎng)絡(luò)元件，用電導(dǎo)和表示過去狀態(tài)的歷史電流源等效整個網(wǎng)絡(luò)元件，建立等 價網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點方程，利用稀疏矩陣技術(shù)進(jìn)行節(jié)點方程求解，計算本時步的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，修改歷 史量，進(jìn)入下一時步計算，當(dāng)長距離輸電線路發(fā)生故障時進(jìn)行預(yù)處理計算，當(dāng)閥狀態(tài)變化時進(jìn)行電量躍變的計算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全數(shù)字高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)。該培訓(xùn)仿真系統(tǒng)包括交互式實時協(xié)同培訓(xùn)仿真支撐平臺、三維仿真建模模塊、交互式三維虛擬場景模塊、面向培訓(xùn)的交互式實時數(shù)字仿真模塊、運行人員工作站仿真模塊培訓(xùn)管理與評價模塊等，可以全面滿足高壓直流輸電生產(chǎn)人員的運行、檢修維護(hù)等方面技能、技術(shù)培訓(xùn)需要，大幅度地提高高壓直流輸電生產(chǎn)培訓(xùn)、反事故演習(xí)、應(yīng)急生產(chǎn)管理和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平，從而實現(xiàn)了更好的培訓(xùn)效果，充分滿足跨區(qū)電網(wǎng)發(fā)展的需要。
文檔編號G09B19/00GK102081867SQ20101018879
公開日2011年6月1日 申請日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者吳海宏, 徐正清, 楊選懷, 林昌年, 王國平, 范玉昆, 葛賢軍, 魏文輝 申請人:北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司