基于Visio的变电站二次回路仿真培训系统_韩江虹

第36卷 第8期 2012年8月 电 网 技 术

Power System Technology

Vol. 36 No. 8

Aug. 2012

文章编号：1000-3673（2012）08-0265-06 中图分类号：TM 734 文献标志码：A 学科代码：470·4054

基于Visio的变电站二次回路仿真培训系统

韩江虹1，林昌年2，李峰云3，冯可2，潘正魁2，林春龙2，魏文辉2，海晓涛2

（1．江西电力技师学院，江西省 南昌市 330043；2．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192；

3．佛山供电局，广东省 佛山市 528000）

A Visio-Based Simulation Training System for Substation Secondary Circuits

HAN Jianghong1, LIN Changnian2, LI Fengyun3, FENG Ke2, PAN Zhengkui2,

LIN Chunlong2, WEI Wenhui2, HAI Xiaotao2

(1. Jiangxi Electric Power Technician Institute, Nanchang 330043, Jiangxi Province, China; 2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 3. Foshan Power Supply Bureau, Foshan 528000, Guangdong Province, China)

ABSTRACT: A simulation training system for substation secondary circuits based on Microsoft Visio platform was presented. Utilizing Visio interface and combining with self-developed real-time database, the element characteristics of secondary circuits were rationally abstracted, and automatic batching modeling of elements in substation secondary circuits was performed by the automatic graphics recognition, the techniques of componentization and integration of graph-database-model as well as automatic identification of topological structure, thus the operation logic of substation secondary circuit elements under normal and typical abnormal conditions as well as the electric relations among the elements could be simulated. In addition, this system could provide the interfaces with three-dimensional simulation system for primary and secondary equipments of substation and power grid simulation system, therefore the proposed system could jointly operated with substation simulation system, thus the simulation from primary and secondary equipments in substation to elements in secondary circuits could be integrally realized. KEY WORDS: substation secondary system; secondary circuit; simulation training system; Visio

摘要：介绍了一种基于Visio平台的变电站二次回路仿真培训系统。该系统采用Visio界面，结合自主开发的实时数据库，合理抽象二次回路元件特性，利用图形自动识别技术和组件化、图库模一体化技术以及拓扑结构自动识别技术对变电站二次回路元件进行自动批量建模，从而最终实现对变电站二次回路原件正常及各类典型异常情况下的动作逻辑及电气关系的仿真。而且，该系统提供与变电站一二次设备三维仿真系统、电网仿真系统的接口，可与变电站仿真系统联合运行，完整地实现变电站从一、二次设备到二次回路元件的仿真，为变电站相关专业人员掌握二次回路缺陷发生的现象、原因及变化过程，以及总结积累二次回路缺陷判断、查

找和处理经验提供了一个完整的动态仿真环境。

关键词：变电站二次系统；二次回路；仿真培训系统；Visio

0 引言

随着电力系统规模的不断扩大，变电站一、二次系统日益复杂，对变电运行、继电保护专业人员的理论素质和技能水平要求也越来越高，同时对二次回路相关专业的培训也提出了更高的要求。目前，变电站仿真培训系统已成为国内变电运行专业人员的有效培训工具，但其无法用于变电运行、继电保护专业人员二次回路技能水平的培训。变电站二次回路培训手段主要还停留在教师讲课、学生读图及多媒体回路讲解课件[1]等方式上，而少量的仿真培训系统或者仍将重点放在一、二次设备操作上而并非真正基于图纸或实际二次回路[2]，要么就是采用造价很高的物理仿真[3]，这些方式均有各自的局限性，在系统完整性方面也有欠缺。

本文介绍的系统首次将变电站二次回路仿真、电网仿真、一次设备及其辅助机构仿真、二次设备仿真、直流系统仿真、监控系统仿真、变电站一二次设备交互式三维场景、“五防”系统仿真集成到一个综合的全数字化、可视化、交互式变电站仿真环境中，为变电站运行、继电保护等专业人员建立了一个完整的变电运行、二次回路培训平台。

1 系统结构

1.1 总体结构

基于Visio的变电站二次回路仿真培训系统的总体结构如图1所示。其中仿真系统由电网仿真、

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电网仿真教员系统变电站一次设备仿真变电站二次设备仿真变电站二次回路仿真变电站综合自动化系统仿真2 关键技术及其实现

2.1 变电站二次回路模型表示

变电站二次回路模型的表示采用层次结构，如图3所示。厂站模型包括多个间隔模型；间隔模型由多个二次回路模型构成；二次回路模型由基本元件模型组成，包括节点、导线、端子、接点、二极管、继 电器、双位置继电器、电阻等模型；端子模型表示继电保护屏端子排中连接端子的逻辑模型；接点模型表示切换把手、按钮等人工操作元件逻辑模型。其中回路模型与基本元件模型采用双向关联关系。上述模型表示的层次结构可实现快速的回路遍历。

厂站交互式、分布式仿真软件支撑平台操作系统计算机硬件图1 变电站二次回路仿真培训系统总体结构

Fig. 1 Structure of substation secondary circuit

simulation training system

变电站一二次设备仿真、变电站二次回路仿真、变电站综合自动化监控系统仿真及教员系统构成。电网仿真软件真实地再现电网的静态和动态响应过程，变电站一二次设备仿真、二次回路仿真对变电站一二次设备、设备间二次回路进行了全范围建模仿真，包括变电站一次系统、控制系统、量测系统、交流系统、直流系统、继电保护、自动装置和综合自动化系统的详细模型[4-8]，可以实现正常操作、设备巡视、事故和异常的模拟等功能，还可以实现二次回路的图形可视化展现、通路跟踪与拓扑着色、动作过程动态演示、缺陷仿真等功能。

交互式、分布式仿真软件支撑平台为变电站一二次设备仿真、二次回路仿真、综合自动化系统仿真、电网仿真等应用建立了“即插即用”式协同仿真集成环境，将这些子系统有机结合成一体化系统。

1.2 变电站二次回路仿真软件结构

变电站二次回路仿真软件主要由建模软件、浏览器以及模型仿真软件构成，软件结构如图2所示。

基于Visio的变电站二次回路建模软件实时库变电站二次回路模型仿真软件[9]

间隔1...间隔n回路1节点导线端子...回路n接点二极管继电器双位置电阻继电器 图3 变电站二次回路模型表示

Fig. 3 Substation secondary circuit model

representing graph

2.2 基于Visio的变电站二次回路建模技术 2.2.1 Visio软件特点

Microsoft Visio软件是当今平面绘图领域的精品，不仅具有强大的绘图能力，提供丰富的图形库与模板样式，用户可以快速绘制出所需要的图形，而且具有良好的开放性，提供丰富的对象模型与自动化功能，使用户可以通过编程扩展并增强Visio功能，以满足个性化的需要。 2.2.2 二次回路建模技术总体介绍

二次回路建模技术是基于Microsoft Visio工具进行的开发，借助其人机交互功能，优异的矢量图形编辑环境，来进行变电站二次回路图纸的

基于Visio的变电站二次回路浏览器建模工作。

图2 变电站二次回路仿真软件结构

Fig. 2 Structure of substation secondary circuit

model simulation software

根据实际变电站二次回路图中，各种元件的类型、特点、图符标准、物理特性等，进行二次图纸标准元件的开发，使每个元件都具备标准的外观属性和准确的物理属性，从而形成完整的标准元件库。

元件的参数采用元件自定义技术，通过调整元件参数表中的各个自定义项，可以形成新的动作逻辑、图符样式，使元件改变为新的类型，而不需要再去重新开发，节省了开发周期和成本。

在使用建模软件绘制二次图形时，就如同使用

建模软件为用户提供手动建模的工具，也可以直接读取AUTOCAD格式二次回路工程图并转换为二次回路模型写入实时数据库；二次回路模型仿真软件及浏览器可直接读取实时库中模型数据启动，在培训过程中，二者通过实时库实现通信交互。

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Visio软件绘制其它类型的电气图一样，从元件库中选择需要的元件，在画面上进行新建、修改、复制、移动、设置等操作，建模系统还可以对元件的物理属性进行设置(如继电器的延时时间、电阻的阻值大小等特性)，使所有元件的内在参数与实际二次图纸

的元件完全一致。

二次回路建模主界面如图4所示，界面左侧图元工具箱，包括二次回路中常用元件图元，用户可以拖拽左侧工具箱的图元到右侧的二次回路建模区进行手动建模。

图4 变电站二次回路建模主界面

Fig. 4 Main man-machine interface for substation secondary circuit modeling

2.2.3 技术细节

2.2.3.1 动态元件模型的设计

动态元件模型的设计是整个二次回路正确动作的基础。

系统动态图元采用Visio SDK中提供的ShapeStudio工具进行开发，主要包括创建图元不同状态的几何形状、给图元增加多态行为、定义动态元件属性等步骤。

系统中动态元件都按实际元件物理机理进行抽象，并且考虑培训需要增加典型异常属性进行建模，基本有下面3大类[10]：

1）二次回路中数量最多的元件是接点，而其他几类元件(如压板、复归按钮、端子、导线、电阻等)均可以抽象为接点类数据结构，其基本属性为：元件ID，首端节点，末端节点，通断状态，元件电阻，异常状态，元件计算电阻。其中异常状态属性可定义金属接地、过渡电阻接地、接触不良等，而元件计算电阻值由通断状态、元件电阻和异常状态共同确定。

2）另一大类元件为继电器，而回路中的三相开关、刀闸、空气开关等由于交流回路是分相计算，

因此三相开断元件也定义为继电器类型，三相触头定义为继电器的3副触点。继电器的基本属性为：元件ID，线圈首端节点，线圈末端节点，继电器类型，启动条件，动作状态，异常状态，触点数组。

3）此外，还有一类特殊的方向元件二极管，其基本属性比接点类元件要多一个方向属性。 2.2.3.2 动态元件的自动识别

由于二次回路图纸的数量非常大，手动绘制工作量很大而且易出错，而一般现有变电站都有成套CAD二次图纸，为充分利用资源，减少工作量和提高正确率，系统开发了动态图元自动识别技术，从静态图形批量生成动态元件。

变电站二次回路元件虽然数量庞大，但其实种类并不很多，无非就是接点、端子、继电器等几大类，而且各类元件都有各自的标准图形，不同元件图形差别明显，这是动态图元自动识别技术实现的重要前提。

系统通过对各类元件图符的外观特征进行提炼，通过扫描Visio图纸上个静态零散线条的形状及相互之间的位置关系，跟动态元件库模型进行对比、拟合，从而识别出动态元件图形，并将之自动

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定义为某一类动态元件。

以端子排端子元件为例：

首先，动态元件库里建立有端子排端子模型，包括图符形状(一个圆加一个出头的斜杠)、元件的电气属性(电阻、节点电压等)、元件的物理属性(是否虚接、是否接地等)。

第2步，建立拟合条件。在二次回路图符中，整圆形的有几类，例如灯、装置上的端子、变压器、导线连接点、接点元件两端的圆圈、某些装置的数字编号等。通过分析对比可以看出，由圆形的大小及穿过线条的方向这2个特征可以基本确定图符是否为端子排端子。

最后，系统扫描图纸中圆形图符，凡是符合这2个特征的图符，系统将之组合，并定义为端子排端子元件，自动添加各类属性的初始值。 2.2.3.3 拓扑结构的自动识别

拓扑结构的识别就是根据所绘制的图形确定电气接线图中各个元件端点的编号，从而确定各个元件之间的连接关系。在建模软件中，拓扑结构的自动识别是建模软件的重要功能。目前许多图形化建模软件都是通过坐标进行元件连接关系的识 别[11-12]，这种方法最大的弊端就是要求绘图精确，降低了绘图的效率，而采用Visio二次开发则解决了这个问题，在Visio中是利用Connect对象来识别元件连接关系，这种方法简单、高效且不易出错。

在Microsoft Visio 绘图中，一个图形可以和其它图形连接到一起，图形之间的连接关系在Visio中是用Connect 对象来表示的。图形之间有2种连接关系，其一表示的是某个图形主动地连接到其他图形上，其二表示的是某个图形被动地被其它图形连接到自己身上。这2种连接关系在Visio中又与图形(Shape)对象中的

Connects 属性和

FromConnects属性相对应。只要利用图元的Connects属性的FromConnects集合就可以得到一个图元周围连接的图元，从而得到图元拓扑，再通过深度优先或广度优先遍历即可得到网络拓扑。 2.3 变电站二次回路仿真技术

1）二次回路工程图形化展现技术。

通过基于Visio的图形建模软件，将二次回路工程图中的各类设备元件图元化。按照实际的二次回路工程图，利用各类元件的动态图元，形成全数字动态的二次回路工程图，从而能够在二次回路工程图中，动态演示各类设备元件的动作情况，使学

员了解典型变电站二次回路接线情况，能快速掌握二次回路的基本原理。动态二次回路工程图主要包括交流电流、电压回路，断路器控制回路，保护开入开出回路等工程图。

2）二次回路实际接线可视化展现。

应用三维可漫游式虚拟技术模拟与现场完全一致的二次回路实际接线三维场景，将其中的按钮、压板、把手、指示灯、保险、空开、装置端子、端子排端子仿真成动态元件，并可以进行压板投退、把手及按钮操作、空开分合、端子拆接线等操作。使学员取得实际装置接线的感性认识，能够将理论知识迅速和实际系统结合起来，同时也有利于加深学员对二次回路原理的进一步理解。

同时，实现了变电站三维模拟场景中的二次设备元件间的导航链接。例如：端子箱端子和保护装置端子相互的导航链接，通过端子箱上的端子可以快速地一键链接到该端子所对应的保护屏内端子。

3）动态二次回路工程图和三维模拟场景的映射查找。

动态二次工程图和三维模拟场景的设备实现完全对应的映射关系，能够实现双向查找功能。可以快速由设备元件链接到图纸或由图纸链接到设备元件，查找到各自对应的接点。帮助用户在学习三维模拟场景设备时能够快速了解二次回路构成形式及其原理，免去查找真实二次图纸的繁琐步骤；同时在学习工程图过程中能够快速找到对应的实物，加快对实际接线的了解。

4）回路电气计算。

系统建立了真实电气特性的二次回路元件模型，并模拟了其逻辑和电气属性，例如：继电器线圈的直流电阻、动作电压等。通过电路计算同时考虑继电器等元件的时间动作特性，真实地仿真其电气特性。可以提供接点电位和回路电阻等测量参数，供用户分析二次回路的正确性，并作为二次回路查线和处理回路缺陷的可靠依据。

5）通路跟踪与拓扑着色。

基于深度优先拓扑搜索算法，并结合通断的逻辑判断[13-15]，系统可自动识别回路通断，跟踪通路的连通过程并进行动态着色。系统将自动记录回路动作全过程，并按时序将元件动作情况依次记录，将过程中关联到的元件进行动态着色。为用户提供识别回路通断的有力工具，能够在复杂的二次回路连接中快速查找逻辑动作的线索，分

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析动作结果和原因。

6）二次回路动作过程动态演示。

可以设定正常动作条件，仿真包括保护外特性、操作机构、一次设备变化在内的全部二次回路动作过程。通过建模软件的拓扑搜索及电路计算，确定回路通断、继电器动作条件是否满足，确保回路执行正确的动作逻辑。当保护动作或正常操作触发回路动作时，系统将自动记录动作过程，并按时序将元件动作情况依次记录。用户可从触发点自动或手动以步进的形式还原整个动作过程，并能回看动作步骤，使整个二次回路的动作情况清晰可见，让用户对动作过程有更加直观的整体认知。

7）二次回路缺陷设置。

系统可在交流电流电压回路、断路器控制回路、保护开入开出回路等二次回路中设置各种缺陷。系统在各类元件的动态模型中包含了该元件的各类电气及逻辑属性，当发生缺陷时，元件的电气或逻辑属性发生变化，导致二次回路的电气或逻辑属性也发生相应的变化，可再现二次回路的缺陷时的行为。可模拟的二次回路缺陷，主要如下：

①直流回路中缺陷，包括断线、一点接地、两点接地、对地绝缘不良、接触不良等。

②断路器控制回路缺陷，包括跳合闸线圈故障、控制回路断线、辅助触点粘连、辅助触点接触不良等。

③保护、测控装置的开入、开出回路的短路、错线、断线等。

④交流电流电压回路缺陷，包括断线、单相和相间短路、接错线、极性接反、接触不良等。

⑤操作箱内部继电器损坏、电阻损坏等。

统可以对继电保护、直流及变电站运行人员等进行岗位技能培训。

以江西220 kV燕丰变220 kV燕潭II线二次回路图线路保护分相跳闸部分为例，当线路发生A相故障时，其线路保护PSL602G A相跳闸回路如图6所示。当PSL602G动作时，其A相跳闸出口继电器接点1CKJA1动作闭合，经A相跳闸出口压板1LP1，端子1D74接通正电源，该端子经屏间电缆至线路开关操作箱A相跳闸回路。图中已经动作的A相跳闸回路用彩色进行着色，其中发生动作变位的接点1CKJA1采用加粗显示(出于培训需要，系统忽略接点延时返回的特性，这里接点1CKJA1动作后保持合状态)，以便于学员进行观察和学习。

1n

PSL602G

1K011n8X11CKJA1

1CKJB11CKJC1

1n8X131n8X141n8X1521LP1121LP2121LP31

1D741K31a4D1821D751K31b

4D1841D761K31c

4D186A相跳

B相C相

图6 220 kV燕丰变二次回路图

Fig. 6 220 kV Yanfeng substation secondary circuit diagram

而与之对应，二次设备三维仿真场景中可以看到，PSL602G保护动作跳闸信号灯点亮，液晶动作报告显示A相动作出口，综合自动化监控系统仿真画面上“A相跳闸”光字动作闪烁。

学员通过一二次设备现象与二次回路图对照，对保护动作A相跳闸的回路动作过程可以有深刻、全面的了解。

变电站二次回路和变电站一二次设备运行的一体化培训，各种过程内容完整，培训效果突出，能够让学员在短时间内掌握复杂的变电站二次回路的相关技能。

3 现场应用

本文介绍的系统已成功在江西电力技师学院投入使用，系统结构如图5所示。教员通过教员系统实现对培训过程的监视、管理和控制，利用该系

教员室投影仪教员机1教员机2学员台二次后台控制室回路学员室学员台二次一次后台控制室回路场景4 结论

本文介绍的基于VISIO的变电站二次回路仿真培训系统相较于以往其他同类仿真培训系统，主要实现了以下几点突破：

首先，系统成功实现二次回路仿真和变电站仿真、电网仿真的一体化，突破了以往二次回路仿真分析仅局限于图纸的限制，使二次回路培训有了一个更加完整的虚拟环境。

其次，开发了动态元件自动识别技术和拓扑结

构自动识别技术，直接对变电站二次设计图纸进行处理，自动批量定义动态元件，形成回路拓扑数据库，不仅大大简化了绘图和数据处理工作量，而且

一次场景… 图5 江西二次回路仿真培训系统结构 Fig. 5 Structure of Jiangxi secondary circuit

simulation training system

270 韩江虹等：基于Visio的变电站二次回路仿真培训系统 Vol. 36 No. 8

提高了数据处理正确率。

通过江西省电力培训中心实际培训的检验，本系统使继电保护、直流等相关专业的技术人员对二次回路的认识更加全面和感性，并且在理解二次回路理论分析的基础上，能得到缺陷处理学习和锻炼。同时，该系统作为变电运行人员培训的辅助系统，也使学员对变电一二次设备能有一个更深层次的理解。

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收稿日期：2011-10-17。 作者简介：

韩江虹(1962)，女，学士，高级讲师，从事电力技术培训及仿真研究工作；

林昌年(1964)，男，硕士，教授级高级工程师，从事电力培训仿真技术的研究与应用工作；

李峰云(1969)，女，本科，人力资源高级经济

韩江虹

师、工程师， 从事调度变电仿真教学和教育培训工作；

冯可(1973)，女，硕士，从事变电站培训仿真系统的研发工作； 潘正魁(1970)，男，硕士，高级工程师，从事变电站培训仿真研究和开发工作；

林春龙(1981)，男，学士，从事变电站培训仿真系统的研发工作；魏文辉(1976)，男，博士，高级工程师，从事电力系统培训仿真技术的研究与应用工作；

海晓涛(1981)，男，硕士，工程师，从事变电站培训仿真系统的研发工作。

（责任编辑 李兰欣）