摘要：介紹了虛擬變電站仿真培訓系統的結構及虛擬變電站的建模方法，采用虛擬現實建模語言建立了三維虛擬電氣設備及虛擬變電站，將基于MATLAB 的電力系統仿真軟件與虛擬變電站連接起來模擬變電站的各種運行狀態。該系統不僅具有三維顯示、實時交互及動態仿真等特點，還可以在PC機和Windows操作系統環境下運行，因此具有經濟、高效、便于使用等優點。
1 引言
變電站是電力系統的重要組成部分，提高變電站操作人員的技術水平對于保證電力系統安全、經濟、優質地運行具有十分重要的意義。因為在變電站運行人員的崗位培訓中既不能在運行著的系統或設備上進行實際操作試驗，也不允許人為地設置事故讓學員觀察處理，這就使得學員難以在變電站的正常操作及事故處理中得到充分鍛煉。因此，建立一個與實際變電站運行狀況相似的仿真培訓系統是十分必要的。
20世紀80年代，美國出現了基于計算機的電力系統運行人員培訓系統。90 年代以后我國也成功研制了多套變電站仿真培訓系統[1]。這些培訓系統大多是物理仿真與數字仿真相結合的產物，隨著計算機技術的發展，它們的缺陷日益暴露出來，例如只有二維畫面，無法給使用者以真實的三維感覺；使用專用設備來實現物理仿真，導致了仿真培訓系統的龐大、復雜及昂貴；變電站仿真培訓系統難以隨真實變電站的變化而變化等[2]。目前加拿大等國家已經開發了基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統[3-6]，而我國在這方面仍處于起步和探索階段[2]。
與以往的仿真培訓系統相比，基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統具有以下優點：
①充分利用文本、圖形、三維影象、三維動畫和聲音等多媒體表現形式刺激學員的視覺、聽覺神經，調動學員的積極性和主動性，從而改善了培訓效果；
②既可以降低培訓系統的硬件投資，又能方便及時地反應變電站的變化。因此采用虛擬變電站仿真培訓系統有助于實現對于不可視、不可摸、不可入的危險場所的仿真以及解決培訓設備不足、型號落后且難以更新換代等困難，其應用前景十分廣闊。
2 虛擬變電站仿真培訓系統的結構
虛擬變電站仿真培訓系統應能模擬變電站正常、異常和故障時的各種工況及操作過程，如設備巡視、設備投運、調整變壓器分接頭以及斷路器跳閘等[7]。在虛擬變電站內，如果受訓人員的模擬操作改變了變電站的網絡拓撲結構，電力系統仿真軟件將自動重新計算并將仿真結果立即傳送給虛擬保護自動裝置。再由這些裝置立即進行計算并做出正確反應。這樣，模擬操作的過程和結果就與實際現場基本一致了。
變電站仿真培訓系統的結構如圖1 所示，它主要包括以下幾個模塊：
（1）虛擬變電站對于用戶是可見的，用戶可直接在其中模擬各種操作。
（2）電力系統仿真能夠對變電站的正常運行、故障及檢修等情況進行仿真并連續不斷地輸出電壓及電流信號。在建立仿真模型時考慮了變電站的一次設備及其操作機構、交直流系統、繼電保護、自動裝置及綜合自動化系統的詳細模型[8]。
（3）信號處理對“電力系統仿真”模塊輸出的信號進行處理后將其送入“輸入判斷”模塊。
（4）輸入判斷根據處理后的信號判斷此時虛擬設備的狀態是否發生變化并將這種變化實時地反映到虛擬變電站中。
（5）輸出判斷首先判斷虛擬變電站的網絡拓撲結構是否發生變化，再根據所發生的變化來改變“電力系統仿真”模塊的計算條件。例如如果虛擬變電站斷路器的狀態發生變化則“電力系統仿真”模塊將重新計算變電站的潮流。
（6）用戶交互用戶通過該模塊與虛擬變電站交互并模擬變電站的操作。
圖1 虛擬變電站仿真培訓系統結構圖
Fig. 1 Structure of substation training simulator basedon virtual reality technique
3 虛擬變電站建模
3.1 模型的建立
采用虛擬現實建模語言（Virtual RealityModeling Language，VRML）建立虛擬變電站能夠使其設備及運行狀況更加逼真[9]。VRML是一種由ISO 定義的用于在網絡上傳輸三維數據的文件格式。為了實現操作人員與虛擬變電站的交互功能，首先采用VRML語言建立變壓器、斷路器、電流互感器、電壓互感器及隔離開關等虛擬電氣設備，然后將它們放入同一場景中，從而初步實現了虛擬變電站的建模，如圖2 所示。
圖2 虛擬變電站場景
Fig. 2 Scene of virtual substation
3.2 使用腳本節點進行交互控制
在變電站仿真培訓系統中，使用者可以利用VRML 中的腳本（Script）節點實現與虛擬變電站的交互。Script節點接收“入事件”（用戶的操作）并把該事件的值傳遞給URL（Uniform ResourceLocator）域指定的腳本，再由該腳本給出Script節點的“出事件”（輸出的目標）。例如在操作隔離開關的過程中，VRML首先給定一個時間檢測器作為控制動畫效果的時鐘，然后通過該時鐘的輸出來驅動虛擬變電站中的各種內插節點使隔離開關產生開合的動畫效果，如圖3(a)、(b)所示。
(a) 虛擬隔離開關打開時(b) 虛擬隔離開關閉合時
圖3 虛擬隔離開關開合時的場景圖
Fig. 3 Scene of virtual isolating switch closing
4 虛擬變電站與仿真系統的交互
虛擬變電站通過MATLAB 虛擬現實工具箱中的VR Sink與VR Source子模塊實現與“電力系統仿真”模塊的交互[10]，其中VR Sink子模塊負責將信號從“電力系統仿真”模塊輸出到虛擬變電站，VR Source子模塊負責將信號從虛擬變電站輸出到“電力系統仿真”模塊。以虛擬控制屏為例，其仿真系統的結構如圖4所示。其中的“電力系統仿真”模塊含有“電源”、“斷路器”（開合狀態受“輸出判斷”模塊的控制）及“分布參數線路”等子模塊，且后者采用了分布參數穩態模型。
圖4 虛擬控制屏仿真系統結構圖
Fig. 4 Structure of simulation systemfor virtual control panel
用戶通過點擊虛擬控制屏上的控制開關來實現對仿真系統的控制：“輸出判斷”模塊判斷控制開關的狀態是否發生變化并將其實時傳送到“電力系統仿真”模塊以控制其斷路器的開合；“電力系統仿真”模塊再根據此時斷路器的開合狀態實時計算出電力系統仿真結果；“信號處理”模塊根據“電力系統仿真”模塊輸出的電壓及電流等信號實時計算相應的電壓、電流、有功和無功值并將其傳遞給“輸入判斷”模塊；“輸入判斷”模塊根據輸入的電流值判斷系統的狀態并控制虛擬控制屏中的紅、綠指示燈的顯示狀態；虛擬電流表、有功表和無功表將顯示“信號處理”模塊的計算結果。以斷路器處在斷開位置為例，此時系統的電壓和電流的波形如圖5 所示。
圖5 斷路器閉合前后電流電壓波形圖
Fig. 5 Waveform diagram of currents and voltages when circuit breaker closing
在0.3s 時用戶點擊虛擬屏上的控制開關使其閉合，“輸出判斷”模塊也隨即閉合圖4中的斷路器，此時虛擬電流表、有功表及無功表上顯示著當前的系統數據，且綠色指示燈滅，紅色指示燈亮；在0.4s 時用戶點擊虛擬控制開關使其斷開，從而導致圖4 中的斷路器也斷開，此時虛擬電流表、有功表及無功表的指針歸零，虛擬控制屏上的綠色指示燈亮，紅色指示燈滅。斷路器斷開與閉合時虛擬屏上的表計及控制開關的狀態以及線路的電流、電壓波形如圖6 所示。由圖5 和圖6 的仿真結果可知，該系統完全實現了虛擬變電站與“電力系統仿真”模塊之間的交互控制，真實地模擬了實際變電站的運行工況。
(a) 斷路器斷開 (b) 斷路器閉合
圖6 虛擬控制屏上的表計和斷路器狀態圖
Fig. 6 State diagram of virtual meter andcircuit breaker on virtual panel
5 現場應用情況
針對江西贛東北供電公司的110kV 東風變電站研制的虛擬變電站仿真培訓系統包括了變電站虛擬開關場和虛擬主控室等部分。該系統不僅模擬了繼電保護、五防機和綜合自動化等各部分的功能，還實現了虛擬變電站的設備之間以及設備與“電力系統仿真”模塊之間的交互功能。例如當受訓人員在虛擬變電站綜合自動化后臺機上斷開某一斷路器時，變電站虛擬開關場對應的斷路器就會立即改變狀態，同時“電力系統仿真”模塊將自動重新計算并將仿真結果立即傳送給虛擬保護和自動裝置，再由該裝置立即進行計算并做出正確反應。
6 結論
采用 VRML 語言建立的變電站仿真培訓系統將虛擬變電站與“電力系統仿真”模塊相結合，不僅能夠實時、動態地模擬變電站的各種運行狀態，而且具有形象生動、效果逼真等特點。該系統對計算機的硬件配置要求較低，可以運行于PC 機和Windows操作系統環境中，因此具有方便使用、易于推廣等優點。但是VRML網絡通信功能較弱，對分布式系統的支持也不夠充分，因此在后續的研究中有必要將VRML 與其它語言相結合從而開發出基于網絡的分布式虛擬變電站。
參考文獻
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