摘要：介绍了虚拟变电站仿真培训系统的结构及虚拟变电站的建模方法，采用虚拟现实建模语言建立了三维虚拟电气设备及虚拟变电站，将基于MATLAB 的电力系统仿真软件与虚拟变电站连接起来模拟变电站的各种运行状态。该系统不仅具有三维显示、实时交互及动态仿真等特点，还可以在PC机和Windows操作系统环境下运行，因此具有经济、高效、便于使用等优点。
1 引言
变电站是电力系统的重要组成部分，提高变电站操作人员的技术水平对于保证电力系统安全、经济、优质地运行具有十分重要的意义。因为在变电站运行人员的岗位培训中既不能在运行着的系统或设备上进行实际操作试验，也不允许人为地设置事故让学员观察处理，这就使得学员难以在变电站的正常操作及事故处理中得到充分锻炼。因此，建立一个与实际变电站运行状况相似的仿真培训系统是十分必要的。
20世纪80年代，美国出现了基于计算机的电力系统运行人员培训系统。90 年代以后我国也成功研制了多套变电站仿真培训系统[1]。这些培训系统大多是物理仿真与数字仿真相结合的产物，随着计算机技术的发展，它们的缺陷日益暴露出来，例如只有二维画面，无法给使用者以真实的三维感觉；使用专用设备来实现物理仿真，导致了仿真培训系统的庞大、复杂及昂贵；变电站仿真培训系统难以随真实变电站的变化而变化等[2]。目前加拿大等国家已经开发了基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统[3-6]，而我国在这方面仍处于起步和探索阶段[2]。
与以往的仿真培训系统相比，基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统具有以下优点：
①充分利用文本、图形、三维影象、三维动画和声音等多媒体表现形式刺激学员的视觉、听觉神经，调动学员的积极性和主动性，从而改善了培训效果；
②既可以降低培训系统的硬件投资，又能方便及时地反应变电站的变化。因此采用虚拟变电站仿真培训系统有助于实现对于不可视、不可摸、不可入的危险场所的仿真以及解决培训设备不足、型号落后且难以更新换代等困难，其应用前景十分广阔。
2 虚拟变电站仿真培训系统的结构
虚拟变电站仿真培训系统应能模拟变电站正常、异常和故障时的各种工况及操作过程，如设备巡视、设备投运、调整变压器分接头以及断路器跳闸等[7]。在虚拟变电站内，如果受训人员的模拟操作改变了变电站的网络拓扑结构，电力系统仿真软件将自动重新计算并将仿真结果立即传送给虚拟保护自动装置。再由这些装置立即进行计算并做出正确反应。这样，模拟操作的过程和结果就与实际现场基本一致了。
变电站仿真培训系统的结构如图1 所示，它主要包括以下几个模块：
（1）虚拟变电站对于用户是可见的，用户可直接在其中模拟各种操作。
（2）电力系统仿真能够对变电站的正常运行、故障及检修等情况进行仿真并连续不断地输出电压及电流信号。在建立仿真模型时考虑了变电站的一次设备及其操作机构、交直流系统、继电保护、自动装置及综合自动化系统的详细模型[8]。
（3）信号处理对“电力系统仿真”模块输出的信号进行处理后将其送入“输入判断”模块。
（4）输入判断根据处理后的信号判断此时虚拟设备的状态是否发生变化并将这种变化实时地反映到虚拟变电站中。
（5）输出判断首先判断虚拟变电站的网络拓扑结构是否发生变化，再根据所发生的变化来改变“电力系统仿真”模块的计算条件。例如如果虚拟变电站断路器的状态发生变化则“电力系统仿真”模块将重新计算变电站的潮流。
（6）用户交互用户通过该模块与虚拟变电站交互并模拟变电站的操作。
图1 虚拟变电站仿真培训系统结构图
Fig. 1 Structure of substation training simulator basedon virtual reality technique
3 虚拟变电站建模
3.1 模型的建立
采用虚拟现实建模语言（Virtual RealityModeling Language，VRML）建立虚拟变电站能够使其设备及运行状况更加逼真[9]。VRML是一种由ISO 定义的用于在网络上传输三维数据的文件格式。为了实现操作人员与虚拟变电站的交互功能，首先采用VRML语言建立变压器、断路器、电流互感器、电压互感器及隔离开关等虚拟电气设备，然后将它们放入同一场景中，从而初步实现了虚拟变电站的建模，如图2 所示。
图2 虚拟变电站场景
Fig. 2 Scene of virtual substation
3.2 使用脚本节点进行交互控制
在变电站仿真培训系统中，使用者可以利用VRML 中的脚本（Script）节点实现与虚拟变电站的交互。Script节点接收“入事件”（用户的操作）并把该事件的值传递给URL（Uniform ResourceLocator）域指定的脚本，再由该脚本给出Script节点的“出事件”（输出的目标）。例如在操作隔离开关的过程中，VRML首先给定一个时间检测器作为控制动画效果的时钟，然后通过该时钟的输出来驱动虚拟变电站中的各种内插节点使隔离开关产生开合的动画效果，如图3(a)、(b)所示。
(a) 虚拟隔离开关打开时(b) 虚拟隔离开关闭合时
图3 虚拟隔离开关开合时的场景图
Fig. 3 Scene of virtual isolating switch closing
4 虚拟变电站与仿真系统的交互
虚拟变电站通过MATLAB 虚拟现实工具箱中的VR Sink与VR Source子模块实现与“电力系统仿真”模块的交互[10]，其中VR Sink子模块负责将信号从“电力系统仿真”模块输出到虚拟变电站，VR Source子模块负责将信号从虚拟变电站输出到“电力系统仿真”模块。以虚拟控制屏为例，其仿真系统的结构如图4所示。其中的“电力系统仿真”模块含有“电源”、“断路器”（开合状态受“输出判断”模块的控制）及“分布参数线路”等子模块，且后者采用了分布参数稳态模型。
图4 虚拟控制屏仿真系统结构图
Fig. 4 Structure of simulation systemfor virtual control panel
用户通过点击虚拟控制屏上的控制开关来实现对仿真系统的控制：“输出判断”模块判断控制开关的状态是否发生变化并将其实时传送到“电力系统仿真”模块以控制其断路器的开合；“电力系统仿真”模块再根据此时断路器的开合状态实时计算出电力系统仿真结果；“信号处理”模块根据“电力系统仿真”模块输出的电压及电流等信号实时计算相应的电压、电流、有功和无功值并将其传递给“输入判断”模块；“输入判断”模块根据输入的电流值判断系统的状态并控制虚拟控制屏中的红、绿指示灯的显示状态；虚拟电流表、有功表和无功表将显示“信号处理”模块的计算结果。以断路器处在断开位置为例，此时系统的电压和电流的波形如图5 所示。
图5 断路器闭合前后电流电压波形图
Fig. 5 Waveform diagram of currents and voltages when circuit breaker closing
在0.3s 时用户点击虚拟屏上的控制开关使其闭合，“输出判断”模块也随即闭合图4中的断路器，此时虚拟电流表、有功表及无功表上显示着当前的系统数据，且绿色指示灯灭，红色指示灯亮；在0.4s 时用户点击虚拟控制开关使其断开，从而导致图4 中的断路器也断开，此时虚拟电流表、有功表及无功表的指针归零，虚拟控制屏上的绿色指示灯亮，红色指示灯灭。断路器断开与闭合时虚拟屏上的表计及控制开关的状态以及线路的电流、电压波形如图6 所示。由图5 和图6 的仿真结果可知，该系统完全实现了虚拟变电站与“电力系统仿真”模块之间的交互控制，真实地模拟了实际变电站的运行工况。
(a) 断路器断开 (b) 断路器闭合
图6 虚拟控制屏上的表计和断路器状态图
Fig. 6 State diagram of virtual meter andcircuit breaker on virtual panel
5 现场应用情况
针对江西赣东北供电公司的110kV 东风变电站研制的虚拟变电站仿真培训系统包括了变电站虚拟开关场和虚拟主控室等部分。该系统不仅模拟了继电保护、五防机和综合自动化等各部分的功能，还实现了虚拟变电站的设备之间以及设备与“电力系统仿真”模块之间的交互功能。例如当受训人员在虚拟变电站综合自动化后台机上断开某一断路器时，变电站虚拟开关场对应的断路器就会立即改变状态，同时“电力系统仿真”模块将自动重新计算并将仿真结果立即传送给虚拟保护和自动装置，再由该装置立即进行计算并做出正确反应。
6 结论
采用 VRML 语言建立的变电站仿真培训系统将虚拟变电站与“电力系统仿真”模块相结合，不仅能够实时、动态地模拟变电站的各种运行状态，而且具有形象生动、效果逼真等特点。该系统对计算机的硬件配置要求较低，可以运行于PC 机和Windows操作系统环境中，因此具有方便使用、易于推广等优点。但是VRML网络通信功能较弱，对分布式系统的支持也不够充分，因此在后续的研究中有必要将VRML 与其它语言相结合从而开发出基于网络的分布式虚拟变电站。
参考文献
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