專利名稱：一種分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于電數字數據處理領域，尤其涉及一種用于變配電系統的三維仿真培訓 系統。
背景技術：
為保證電網安全、可靠、經濟地運行，就必須提高電網運行人員(包括電網調度 員、變電站運行人員)、繼電保護人員、自動化人員、預防性試驗人員、設備檢修人員的技術 素質和技能水平，加強對電網生產人員的培訓和反事故演習，提高對電網的駕馭能力，有效 防范災難性大停電事故的發生。
公開日為2005年5月25日，公開號為CN 1619568A的中國發明專利申請，公開 了一種“地區電網三級聯合仿真培訓系統”；
公開日為2006年12月20日，公開號為CN 1881202A的中國發明專利申請，公開了一種“高壓交直流輸電培訓仿真系統及其仿真方 法”。上述技術方案的思路基本上是采用計算機硬件系統，構成一個由工作站/服務器、監 控計算機和培訓計算機構成的局域網絡，加上相應的電氣部件(如斷路器/隔離開關設備、 接地設備、輔助電源、冷卻設備等)的電氣運行特性功能仿真模塊、連接控制和保護邏輯控 制仿真模塊和開關運行狀態以及操作動作記錄數據庫，構成一套仿真培訓系統，并且應用 于電氣運行人員的操作訓練。從某種意義上來看，上述技術方案是一種基于圖上作業(或稱之為白板畫圖)的 操作/執行結果自動評判系統。在變電站仿真培訓時，要求強調正確反映變電站與電網的相互作用和影響，特別 是對于在電網中起重要作用的500kV變電站和220kV樞紐變電站，要求變電站運行人員建 立電網的概念和全局觀念，以保證電力生產運行的安全，現有的仿真培訓系統顯然無法滿 足這個需求。另外，現有變電站仿真培訓系統在人機界面上基本都是基于圖上作業的二維圖形 方式，部分虛擬現實仿真技術主要局限于一次設備現場；在體系結構上，大多為集中式系 統，即使有個別系統采用了分布式體系結構，也是采用網絡通信同步數據庫的方法來保持 不同結點上數據的一致性，沒有很好地解決分布式環境下的數據交互問題，數據通信量很 大，難以滿足遠程培訓的要求。所以，現有的變電站仿真培訓系統只能設置在一個具體的局部區域或地點，與整 個電網的實際拓撲結構和分布式布局(各變電站是分別設置在不同的地區)并不相匹配， 無法滿足構建既能進行遠程培訓，又能進行就地培訓的仿真培訓系統的實際要求。

發明內容
本發明提供一種區域電網變電站三維仿真培訓系統，采用分布式廣域網的硬件拓 撲結構和分布式仿真通信中間件技術，具有較小的網絡通訊數據流量，將變電站綜合自動 化仿真軟件、變電站仿真軟件和電網仿真軟件有機地結合，構成適合遠程培訓的、一體化仿真培訓系統；在變電站一次設備仿真中，采用三維圖形展示一次設備外觀及設備之間的空 間布局，構建變電站一次設備三維虛擬場景；在變電站二次設備及自動化設備仿真中，采用 組件化三維仿真方法，將保護設備及自動化設備設計成一個個獨立的三維組件，組裝繼保 室和主控室，構成變電站二次設備虛擬場景；一、二次設備三維虛擬場景組成變電站三維虛 擬場景，實現整個變電站設備的三維再現，完善了變電仿真培訓功能。本發明的技術方案是提供一種分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，包括 集中培訓教室和分布于其它地點的至少一個變電站培訓教室，其特征是在集中培訓教室 設置包括遠程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機組成的第一仿真培訓局域 網；在變電站培訓教室設置一套包括教員機、變電站仿真服務器和學員機組成的第二仿真 培訓局域網。所述的第一、第二仿真培訓局域網之間，經過企業網/廣域網等公共網絡資源進 行連接，構成一個既能進行遠程聯合仿真培訓、又能進行就地培訓的網絡培訓系統。所述集中培訓教室中的教員機和學員機發出的操作和控制命令，首先發送到遠程 培訓服務器進行處理，然后由遠程培訓服務器通過通信中間件把數據發送到變電站培訓教 室中的變電站仿真服務器。所述變電站培訓教室中的變電站仿真服務器接收變電站培訓教室中學員機的操 作命令和遠程培訓服務器轉發的操作命令及潮流數據，經過處理后把變電站設備狀態信息 發送到遠程培訓服務器，實現電網變電站遠程聯合仿真培訓。所述的三維仿真培訓系統采用分布式仿真通信中間件作為分布式應用的基礎，遠 程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機上都部署有通信中間件，通信數據首先 發送給通信中間件，通信中間件根據數據的定購關系找到訂購者，然后把數據發送到訂購 者所在的計算機，訂購者通過通信中間件接口獲得數據。所述的通信中間件提供通用的通信和管理服務，實現數據交互的發布/訂購機 制，有效地減少了網絡上的數據流量，將分布在不同地點的仿真應用有機結合起來，構成分 布式遠程聯合仿真培訓系統。其中，所述的遠程培訓服務器，包括電網仿真軟件和實時數據庫；電網仿真軟件實 現電力系統潮流計算和繼電保護及自動裝置的仿真，它通過通信中間件接口接收培訓操作 命令，由潮流計算模塊、繼電保護仿真模塊把培訓操作命令信息轉變成輸電系統的擾動信 息然后進行模擬計算，計算結果寫入實時數據庫并發送給變電站仿真服務器、教員機和學 員機。實時數據庫用于存儲由教員機和學員機發出培訓操作命令信息以及由電網仿真軟件 和變電站仿真軟件產生的潮流數據、設備狀態數據、保護動作信息等仿真數據。所述的教員機包括教員系統軟件；教員系統軟件用來控制仿真系統運行、設置故 障和操作、監視和維護系統運行狀態、組織和管理仿真數據、編制和下發教案。所述的變電站仿真服務器包括變電站仿真軟件；變電站仿真軟件接收電網仿真 軟件的潮流計算結果，以及來自教員機、學員機的操作控制命令，模擬變電站內控制系統設 備、量測系統設備、繼電保護及自動裝置、交直流系統設備的動作和行為，把設備的狀態量、 仿真數據發送到教員機和學員機進行顯示，同時上傳給電網仿真軟件進行處理和寫入實時 庫。所述的學員機，包括監控仿真軟件、變電站一次設備仿真軟件、變電站二次設備仿真軟件；監控仿真軟件模擬變電站綜合自動化系統的功能，包括遙控、遙調、遙信、遙測、曲 線、報表的顯示及處理；變電站一次設備仿真軟件和變電站二次設備仿真軟件分別用三維 圖形模擬變電站一二次設備的外觀、空間布局、狀態及動作行為，構建三維變電站虛擬場
景ο進一步的，所述的分布式仿真通信中間件，包括一個動態庫，其封裝了一組與應用 無關的通用的通信及管理服務函數，部署在遠程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和 學員機上，為仿真應用軟件之間的交互提供通用服務；所述的分布式仿真通信中間件至少 包括同步、仿真應用管理、聲明管理、時間管理、數據分發管理等服務。所述的仿真應用軟件至少包括電網仿真軟件、變電站仿真軟件、監控仿真軟件、變 電站一次設備仿真軟件、變電站二次設備仿真軟件和變電站綜合自動化系統仿真培訓軟 件；所述的仿真應用軟件按照下列步驟通過通信中間件實現相互之間的數據交互步驟1 仿真應用調用仿真應用管理服務，以仿真應用的名稱為參數向通信中間 件注冊仿真應用，獲得仿真應用句柄；步驟2 仿真應用調用時間管理服務，把所采取的時間管理策略通知通信中間件 并得到仿真系統的當前仿真時間；步驟3 仿真應用調用聲明管理服務，以仿真應用句柄、類(數據結構)名稱、屬性 名稱、接收/發送約束條件為參數，通知通信中間件仿真應用能夠輸出的類及約束條件，即 進行數據發布；同樣，仿真應用調用聲明管理服務向通信中間件聲明能夠接收的類及約束 條件，即進行數據訂購；仿真應用進行發布和訂購后，獲得類(數據結構)及屬性的句柄；步驟4:仿真應用調用時間管理服務向通信中間件請求推進仿真時間，然后等待 通信中間件批準；步驟5 仿真應用調用數據分發管理服務接收通信數據并進行處理；步驟6 仿真應用按照發送數據的類及約束條件構造數據包，調用數據分發管理 服務發送數據，通信中間件根據發送數據的類句柄查找訂購者(仿真應用)，再用數據包中 的約束條件與訂購者的約束條件進行比較，把數據發送給滿足約束條件的訂購者；步驟7 如果仿真培訓過程沒有結束，則繼續步驟4 步驟6的循環處理；如果仿 真培訓過程結束，則仿真應用調用通信中間件的服務釋放類句柄、屬性句柄、取消時間管理 策略、取消仿真應用句柄，然后退出運行。具體的，所述的變電站一次設備仿真軟件，采用三維圖形展示變電站一次設備外 觀及設備之間的空間布局，構建了變電站一次設備三維虛擬場景；變電站一次設備仿真軟 件與變電站仿真軟件連接，接收設備狀態和動作信息，用三維圖形顯示變電站一次設備正 常、異常、事故狀態及其動作過程。所述的變電站二次設備仿真軟件，采用三維圖形生成變電站二次設備虛擬裝置組 件，利用裝置組件組裝二次設備虛擬屏盤，按照仿真變電站主控室、繼保室的實際設備及布 置選取虛擬裝置和虛擬屏盤搭建變電站虛擬主控室和繼保室，實現變電站二次設備場景的 再現；變電站二次設備仿真軟件與變電站仿真軟件連接，接收設備狀態和動作信息，用三維 圖形顯示變電站控制及保護設備正常、異常、事故狀態的現象。所述的變電站一次設備仿真軟件和變電站二次設備仿真軟件分別實現變電站一 次設備的三維再現和主控制室、繼電保護小室的三維再現，共同構成完整的變電站三維虛擬場景；學員可以通過鍵盤在虛擬場景中巡視和漫游，用鼠標對虛擬設備進行檢查和操作； 學員在三維虛擬場景中按照現場點檢卡的模式和內容進行一、二次設備的巡視檢查，按照 規范化的處理流程進行缺陷處理及匯報；學員所做全部檢查、操作及處理都自動記錄，便于 教員評價。更進一步的，所述的變電站一次設備仿真軟件、變電站二次設備仿真軟件、監控仿 真軟件可以運行于同一臺學員計算機上。所述的電網仿真軟件、數據庫、教員系統軟件可以運行于同一臺教員計算機上，在 就地培訓時采用這種運行模式。所述的仿真培訓系統應用于基于企業網/廣域網的變電站操作技術的遠程培訓、 就地培訓或遠程聯合反事故演習。與現有技術比較，本發明的優點是1.將分布式廣域網的硬件拓撲結構和分布式仿真通信中間件技術應用于仿真培 訓系統，減少了網絡通訊數據流量，與整個電網的實際拓撲結構和分布式布局相匹配，滿足 了同時進行遠程培訓和就地培訓的實際培訓需要；2.采用全三維方式再現整個變電站虛擬場景，更加逼真和符合實際操作環境，有 助于迅速提高受訓者的實際操作水平和操作能力；3.同時對電網、變電站和變電站綜合自動化系統進行仿真操作培訓，可以正確反 映變電站、綜合自動化系統和電網的相互作用、相互影響，提高了整個仿真培訓系統的真實 性和正確性。


圖1是本發明的系統硬件結構示意圖；圖2是本發明的系統軟件結構示意圖；圖3是實施例的網絡部署圖；圖4是實施例的軟件結構圖；圖5是電網仿真軟件結構圖；圖6是變電站仿真軟件結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。圖1中，本分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統包括集中培訓教室和分布于 其他地點的至少一個變電站培訓教室，在集中培訓教室設置有包括遠程培訓服務器、教員 機、數臺就地學員機組成的第一仿真培訓局域網，其在變電站設置一套包括教員機、數臺遠 方學員機組成的第二仿真培訓局域網；第一、第二仿真培訓局域網之間，經交換機、防火墻、 路由器以及企業網/廣域網連接和進行數據通訊。本系統在網絡結構上采用以太網組網，通信采用TCP/IP協議，硬件采用商用微 機，安裝Windows XP操作系統，開發軟件采用VC和Fortran，系統應用分布采用教員遠程配 置的方式，使得系統擴充升級方便，便于學習使用。其中，教員臺由三臺微機組成，其中兩臺作為一組部署在集中培訓教室中，用于集中培訓時互相配合制作教案并存檔數據，以及與其他計算機同步；另一臺教員部署在變電 站培訓教室中，變電站內就地培訓時使用，集中培訓教員臺制作教案后，可以將教案下發到 遠方教員(變電站培訓室教員)，遠方教員直接發送相應的教案進行培訓。同時，教員臺計 算機還可以對學員進行監視、控制和收卷評價等。學員臺分為就地學員臺和遠方學員臺，用于變電站仿真、巡視培訓培訓、變電站正 常操作及事故處理培訓、操作票圖形開票培訓等；每個學員臺包括2臺學員機，一臺運行變 電站仿真軟件、監控仿真軟件、變電站二次設備仿真軟件，一臺運行變電站一次設備仿真軟 件，而且變電站仿真服務器與學員機共有一臺計算機，在圖1中不再單獨標出變電站仿真 服務器。圖2中，本三維仿真培訓系統采用分布式仿真通信中間件作為分布式應用的基 礎，在每個仿真應用的主機都設置有通信接口，為仿真應用之間的交互提供通用服務，各個 仿真應用軟件直接利用通信中間件進行通信，通過通信中間件將各仿真應用軟件粘合起 來，形成一個整體，構成分布式仿真培訓系統。本三維仿真培訓系統采用分布式仿真通信中間件作為分布式應用的基礎，遠程培 訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機上都部署有通信中間件，通信數據首先發送 給通信中間件，通信中間件根據數據的定購關系找到訂購者，然后把數據發送到訂購者所 在的計算機，訂購者通過通信中間件接口獲得數據；所述的通信中間件提供通用的通信和管理服務，實現數據交互的發布/訂購機 制，有效地減少了網絡上的數據流量，將分布在不同地點的仿真應用有機結合起來，構成分 布式遠程聯合仿真培訓系統。具體的，分布式仿真通信中間件，包括一個動態庫，其封裝了一組與應用無關的通 用的通信及管理服務函數，部署在遠程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機 上，為仿真應用軟件之間的交互提供通用服務；所述的分布式仿真通信中間件至少包括同 步、仿真應用管理、聲明管理、時間管理、數據分發管理等服務。所述的仿真應用軟件至少包括電網仿真軟件、監控仿真軟件、變電站一次設備仿 真軟件、變電站二次設備仿真軟件和變電站綜合自動化系統仿真培訓軟件；所述的仿真應 用軟件按照下列步驟通過通信中間件實現相互之間的數據交互步驟1 仿真應用調用仿真應用管理服務，以仿真應用的名稱為參數向通信中間 件注冊仿真應用，獲得仿真應用句柄；步驟2 仿真應用調用時間管理服務，把所采取的時間管理策略通知通信中間件 并得到仿真系統的當前仿真時間；步驟3 仿真應用調用聲明管理服務，以仿真應用句柄、類(數據結構)名稱、屬性 名稱、接收/發送約束條件為參數，通知通信中間件仿真應用能夠輸出的類及約束條件，即 進行數據發布；同樣，仿真應用調用聲明管理服務向通信中間件聲明能夠接收的類及約束 條件，即進行數據訂購；仿真應用進行發布和訂購后，獲得類(數據結構)及屬性的句柄；步驟4:仿真應用調用時間管理服務向通信中間件請求推進仿真時間，然后等待 通信中間件批準；步驟5 仿真應用調用數據分發管理服務接收通信數據并進行處理；步驟6 仿真應用按照發送數據的類及約束條件構造數據包，調用數據分發管理服務發送數據，通信中間件根據發送數據的類句柄查找訂購者(仿真應用)，再用數據包中 的約束條件與訂購者的約束條件進行比較，把數據發送給滿足約束條件的訂購者；步驟7 如果仿真培訓過程沒有結束，則繼續步驟4 步驟6的循環處理；如果仿 真培訓過程結束，則仿真應用調用通信中間件的服務釋放類句柄、屬性句柄、取消時間管理 策略、取消仿真應用句柄，然后退出運行。進一步的，遠程培訓服務器包括電網仿真軟件和實時數據庫；電網仿真軟件實現 電力系統潮流計算和繼電保護及自動裝置的仿真，它通過通信中間件接口接收培訓操作命 令，由潮流計算模塊、繼電保護仿真模塊把培訓操作命令信息轉變成輸電系統的擾動信息 然后進行模擬計算，計算結果寫入實時數據庫并發送給變電站仿真服務器、教員機和學員 機。實時數據庫用于存儲由教員機和學員機發出培訓操作命令信息以及由電網仿真軟件和 變電站仿真軟件產生的潮流數據、設備狀態數據、保護動作信息等仿真數據。教員機包括教員系統軟件；教員系統軟件用來控制仿真系統運行、設置故障和操 作、監視和維護系統運行狀態、組織和管理仿真數據、編制和下發教案。變電站仿真服務器包括變電站仿真軟件；變電站仿真軟件接收電網仿真軟件的計 算結果，以及來自教員機、學員機的操作控制命令，模擬變電站內控制系統設備、量測系統 設備、繼電保護及自動裝置、交直流系統設備的動作和行為，把設備的狀態量、仿真數據發 送到教員機和學員機進行顯示，同時上傳給電網仿真軟件進行處理和寫入實時庫。學員機包括監控仿真軟件、變電站一次設備仿真軟件、變電站二次設備仿真軟件。 監控仿真軟件模擬變電站綜合自動化系統的功能，包括遙控、遙調、遙信、遙測、曲線、報表 的顯示及處理。變電站一次設備仿真軟件和變電站二次設備仿真軟件分別用三維圖形模擬 變電站一二次設備的外觀、空間布局、狀態及動作行為，構建變電站虛擬場景。前述的分布式仿真通信中間件包括一個動態庫，封裝了一組與應用無關的通用的 通信及管理服務函數，部署在遠程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機上，為 仿真應用軟件之間的交互提供通用服務；分布式仿真通信中間件至少包括同步、仿真應用 管理、聲明管理、時間管理、數據分發管理等服務。變電站一次設備仿真軟件采用三維圖形展示變電站一次設備外觀及設備之間的 空間布局，構建了變電站一次設備三維虛擬場景；變電站一次設備仿真軟件與變電站仿真 軟件連接，接收設備狀態和動作信息，用三維圖形顯示變電站一次設備正常、異常、事故狀 態及其動作過程。變電站二次設備仿真軟件采用三維圖形生成變電站二次設備虛擬裝置組件，利用 裝置組件組裝二次設備虛擬屏盤，按照仿真變電站主控室、繼保室的實際設備及布置選取 虛擬裝置和虛擬屏盤搭建變電站虛擬主控室和繼保室，實現變電站二次設備場景的再現； 變電站二次設備仿真軟件與變電站仿真軟件連接，接收設備狀態和動作信息，用三維圖形 顯示變電站控制及保護設備正常、異常、事故狀態的現象。變電站一次設備仿真軟件和變電站二次設備仿真軟件分別實現變電站一次設備 的三維再現和主控制室、繼電保護小室的三維再現，共同構成完整的變電站三維虛擬場景； 學員可以通過鍵盤在虛擬場景中巡視和漫游，用鼠標對虛擬設備進行檢查和操作；學員在 三維虛擬場景中按照現場點檢卡的模式和內容進行一、二次設備的巡視檢查，按照規范化 的處理流程進行缺陷處理及匯報；學員所做全部檢查、操作及處理都自動記錄，便于教員評價。二次設備虛擬場景與變電站仿真軟件運行于同一臺學員機上，一次設備虛擬場景 運行于另一臺學員機上；變電站仿真、一次場景、二次場景通過通信中間件連接起來；其電 網仿真給變電站仿真提供電網仿真計算所得的計算結果，開關及保護裝置的遙測信息通過 變電站仿真軟件來計算和發布，以減少局域網間的數據流量。綜上可見，分布式仿真通信中間件ACE (Adaptive Communication Environment) 是本仿真培訓系統分布式應用的基礎，它為仿真應用軟件提供了透明、高效運行管理通信 環境，并為分布式應用軟件提供通信框架和通信接口。在仿真系統運行過程中，各個仿真應用軟件直接利用通信中間件進行通信， 而不需要關心與哪個應用通信，整個仿真系統內的相互交互任務由ACE服務配置組件 (ACEService Configurator)來完成，這些應用的服務可在安裝時或運行時被動態裝配。實施實例采用圖1的硬件結構和圖2的系統軟件結構，在位于XX市超高壓輸變電公司局辦 所在地的集中培訓室與下屬某變電站之間，構建了一套分布式區域電網變電站三維仿真培 訓系統，其網絡部署如圖3所示，其軟件結構如圖4所示。在該500kV變電站三維仿真培訓系統的網絡部署方案中，充分考慮了原有網絡系 統的硬件配置情況和網絡現狀，在不影響生產系統和病毒防護的情況下，實現了遠程培訓 系統的適用性和靈活性。圖3中，通過軟件權限管理功能，集中培訓室教員可以控制和管理集中培訓室學 員以及遠方變電站培訓室內的學員，實現遠程培訓與就地培訓的同時進行，同時，變電站培 訓室教員也可以在變電站培訓室內進行就地培訓，系統實現了分散培訓與集中培訓相結合 的培訓模式。圖4中，本仿真培訓系統是一套高交互性分布式仿真培訓系統，軟件系統在總體 上可分為三個部分分布式仿真通信中間件、仿真應用軟件、教員系統軟件。仿真應用軟件由電網仿真軟件、變電站仿真軟件、變電站一次設備仿真軟件、變電 站二次設備仿真軟件、變電站綜合自動化系統仿真、圖形開票系統培訓軟件等組成。A、分布式仿真通信中間件(ACE)ACE為各個仿真應用之間的交互提供了通用服務，包括同步、仿真應用管理、聲明 管理、所用權管理、時間管理、數據分發管理和應用程序接口。ACE使得進程間通信和網絡通 信變得更加簡單和有效。B、仿真應用軟件(1)電網仿真軟件電網仿真軟件采用暫態、中期、長過程一體化計算方法進行計算，對于詳細仿真 變電站，采用電磁暫態建模，使用電磁暫態計算方法進行計算，并輸出計算瞬時值，給詳細 仿真變電站錄波器模塊使用，機電暫態模型同時提供外網動態等值數據給電磁暫態計算模 塊。另外機電暫態計算還提供整個仿真系統的時間推進。在電網仿真模型中，不但考慮了 電網的動態模型，還詳細考慮了變電站模型對電網模型的影響。電網仿真軟件還為變電站 仿真和變電站集中監控系統仿真提供服務。該電網仿真軟件結構圖如圖5所示。
(2)變電站仿真軟件變電站仿真軟件對變電站一二次設備全范圍進行了建模仿真，具體包括變電站的 一次系統、控制系統、量測系統、交流系統、直流系統、繼電保護與自動裝置和綜合自動化系 統的詳細模型，而且考慮變電站仿真詳細模型對電網仿真抽象模型的影響。變電站仿真軟件接收電網仿真軟件的計算結果，以及來自教員機、學員機的操作 控制命令，模擬變電站內控制系統設備、量測系統設備、繼電保護及自動裝置、交直流系統 設備的動作和行為，把設備的狀態量、仿真數據發送到教員機和學員機進行顯示，同時上傳 給電網仿真軟件進行處理和寫入實時庫。變電站仿真軟件的主要功能有正常操作、設備巡視、事故和異常的模擬、“五防” 屏系統仿真、培訓指導和輔助培訓等功能。該變電站仿真軟件結構圖如圖6所示。(3)變電站一、二次設備仿真軟件變電站一次設備仿真軟件采用基于OpenGL的虛擬現實技術，實現了變電站一次 設備的三維重現，形象地反映了設備的正常、異常、事故狀態及其動作過程，不但可以對虛 擬場景中的設備巡視、檢查、漫游，而且可以進行虛擬操作，提高了系統的真實感、現場感。變電站二次設備采用虛擬儀器技術和虛擬現實技術進行仿真，將變電站的各種二 次設備按照各自的物理特性分別生成各自的三維虛擬設備，將生成的虛擬設備按照仿真變 電站實際主控制室拼裝起來，最后形成整個仿真變電站的全三維虛擬主控制室，運行人員 可以根據需要在三維場景中隨意進行漫游，巡視，操作。變電站一、二次設備三維仿真軟件再現了整個變電站虛擬場景，學員可以在仿真 系統上進行巡視和虛擬操作，并根據現場點檢卡的模式和內容進行相關一、二次設備的巡 視檢查，對于不同的缺陷，進行缺陷匯報、處理的培訓，學員所做的全部操作都自動記錄，便 于教員評價。軟件設計和開發采用基于仿真對象原理的組件建模技術，將變電站的一二次設備 制作成一個個可以復用的三維組件，形成虛擬設備組件庫，用戶可以根據實際需要進行組 裝變電站。(4)變電站綜合自動化仿真系統變電站綜合自動化系統是變電運行人員進行日常監視和操作處理的工作平臺，變 電站綜合自動化仿真系統為變電學員提供了一個能夠覆蓋全部工作范疇的虛擬監控環境。變電站綜合自動化仿真系統通過分布式仿真通信中間件ACE接口實現模塊間的 互聯，同時接收電網仿真模塊的計算結果和詳細仿真變電站的信息作為數據源，驅動綜合 自動化仿真系統的運行。(5)操作票開票系統培訓軟件操作票開票培訓系統采用全圖形操作開票方式，通過鼠標點擊需要操作的設備自 動生產操作票項語句，并且按照實際生產的票樣生成操作票；開票系統內部包含了“五防” 檢查模塊，能根據設備的狀態自動判斷是否滿足“五防”規則。開票培訓時，教員可以取消 “五防”檢查功能，增加開票的難度，加深培訓效果。C、教員系統軟件教員系統軟件包括學員機控制模塊和培訓進程控制模塊。
12
變電站培訓室學員 機(二次設備仿真)
變電站培訓室學員 機(一次設備仿真)
集中培訓室學員機 (二次設備仿真)
集中培訓室學員機 (一次設備仿真)
118.2
435.5 431.3
15.1 0.257 435.8
431.6 14.1 0.207
13.9
427.8
426.7 0.133 0.073
429.9
428.8 0.123 0.063
39.9 432.5 431.8 0.381 0.077 432.1 431.3 0.371 0.067 發生母線故障后，持續兩分鐘的網絡流量如下表學員機控制模塊提供教員控制學員計算機的手段，其主要功能包括系統配置管 理、系統軟件版本管理、角色管理、培訓結果管理、分布式工況發布、系統對時、系統鎖定、系 統啟停機等。培訓進程控制模塊提供控制仿真系統運行、監視學員操作和評估學員操作過程的 手段。主要包括教員控制臺、培訓進程控制、培訓過程的動態跟蹤、培訓評估等。實際應用效果系統開發完成后對遠程培訓功能進行了測試，測試環境為集中培訓室與變電站培 訓室進行遠程聯合仿真培訓。網絡連接方案為將集中培訓教室內的第一培訓局域網通過 路由器連接到電力公司公共信息網，變電站培訓室內的第二培訓局域網通過電力貓(2M) 與電力公司公共信息網相連。在集中培訓室啟動電網仿真軟件和一個變電站仿真軟件及其 一、二次設備仿真軟件，在變電站培訓室運行一個變電站仿真軟件及其一、二次設備仿真軟 件，變電站仿真軟件、電網仿真軟件通過通信中間件相連，進行遠程聯合仿真培訓。采用NetMeter3. 0軟件進行網絡流量監測，系統啟動后持續兩分鐘時的網絡流量 如下所示
平均值 (KB/S)
37.9
計算機 遠程培訓服務器
方向上傳
最大值 (KB/S)
121.1
最小值 (KB/S)
13.8
下傳上傳下傳上傳下#上#下#上#下貞14 14.2 91.5
203.8 0.133 0.073 251.7
305.9 0.073
平均值 (KB/S)
43.9 47.1 383.5 381.8 6.9 0.236
404.7
408.8 6.1
計算機
遠程培訓服務器
變電站培訓室學員 機(二次設備仿真)
變電站培訓室學員 機(一次設備仿真)
集中培訓室學員機 (二次設備仿真)
集中培訓室學員機 (一次設備仿真)‘ 0.991 0.073 0.201
傳從以上數據可以看出，遠程聯合仿真培訓時，網絡上數據流量一般不會超過 500KB/S(根據變電站的規模稍有變化)，在發生故障時，網絡流量峰值只是較正常值稍微 偏大一點，而網絡平均流量較正常值還有一定的下降，這是由于正常時，網絡上主要是傳輸 的電網機電暫態計算潮流狀態的變化，而故障時，由于故障過程中，變電站仿真只需要知道 故障瞬間的值，在故障過程中學員不需要看到故障時電網潮流的快速變化過程，可以不傳 輸故障中的潮流變化，因此網絡平均流量反而減少，這種方式可以省出更多的時間來處理 保護裝置的動作狀態信息變化。本技術方案全面仿真了申請人所屬電網公司的500kV電網輸變電運行的主要環 節，實現了 500kV變電站的分布式三維仿真培訓，可以正確反映變電站、綜合自動化系統和 電網的相互作用、相互影響，提高了整個仿真培訓系統的真實性和正確性。本仿真系統可以通過教員控制臺控制多個學員臺同時進行相同或不同內容的培 訓，可以滿足規模培訓與技能鑒定的要求。本仿真系統是一個新型開放的可分布于各地的系統，在變電站人機交互上采用虛 擬現實技術，實現了三維變電站仿真，操作方便，形象生動，學員可以在三維場景中巡視檢 查和虛擬操作。本發明可廣泛用于變配電系統的培訓領域。
方向上傳下傳上傳下傳上傳下傳上傳下傳上傳
權利要求
一種分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，包括集中培訓教室和分布于其它地點的至少一個變電站培訓教室，其特征在于在集中培訓教室設置包括遠程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機組成的第一仿真培訓局域網；在變電站培訓教室設置一套包括教員機、變電站仿真服務器和學員機組成的第二仿真培訓局域網；所述的第一、第二仿真培訓局域網之間，經過企業網/廣域網等公共網絡資源進行連接，構成一個既能進行遠程聯合仿真培訓、又能進行就地培訓的網絡培訓系統；所述集中培訓教室中的教員機和學員機發出的操作和控制命令，首先發送到遠程培訓服務器進行處理，然后由遠程培訓服務器通過通信中間件把數據發送到變電站培訓教室中的變電站仿真服務器；所述變電站培訓教室中的變電站仿真服務器接收變電站培訓教室中學員機的操作命令和遠程培訓服務器轉發的操作命令及潮流數據，經過處理后把變電站設備狀態信息發送到遠程培訓服務器，實現電網變電站遠程聯合仿真培訓；所述的三維仿真培訓系統采用分布式仿真通信中間件作為分布式應用的基礎，遠程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機上都部署有通信中間件，通信數據首先發送給通信中間件，通信中間件根據數據的定購關系找到訂購者，然后把數據發送到訂購者所在的計算機，訂購者通過通信中間件接口獲得數據；所述的通信中間件提供通用的通信和管理服務，實現數據交互的發布/訂購機制，有效地減少了網絡上的數據流量，將分布在不同地點的仿真應用有機結合起來，構成分布式遠程聯合仿真培訓系統。
2.按照權利要求1所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征在于所述 的遠程培訓服務器，包括電網仿真軟件和實時數據庫；所述的電網仿真軟件實現電力系統 潮流計算和繼電保護及自動裝置的仿真，它通過通信中間件接口接收培訓操作命令，由潮 流計算模塊、繼電保護仿真模塊把培訓操作命令信息轉變成輸電系統的擾動信息然后進行 模擬計算，計算結果寫入實時數據庫并發送給變電站仿真服務器、教員機和學員機；所述的 實時數據庫用于存儲由教員機和學員機發出培訓操作命令信息以及由電網仿真軟件和變 電站仿真軟件產生的潮流數據、設備狀態數據、保護動作信息等仿真數據；所述的教員機包括教員系統軟件；教員系統軟件用來控制仿真系統運行、設置故障和 操作、監視和維護系統運行狀態、組織和管理仿真數據、編制和下發教案；所述的變電站仿真服務器包括變電站仿真軟件；變電站仿真軟件接收電網仿真軟件的 潮流計算結果，以及來自教員機、學員機的操作控制命令，模擬變電站內控制系統設備、量 測系統設備、繼電保護及自動裝置、交直流系統設備的動作和行為，把設備的狀態量、仿真 數據發送到教員機和學員機進行顯示，同時上傳給電網仿真軟件進行處理和寫入實時庫；所述的學員機，包括監控仿真軟件、變電站一次設備仿真軟件、變電站二次設備仿真軟 件；監控仿真軟件模擬變電站綜合自動化系統的功能，包括遙控、遙調、遙信、遙測、曲線、報 表的顯示及處理；變電站一次設備仿真軟件和變電站二次設備仿真軟件分別用三維圖形模 擬變電站一二次設備的外觀、空間布局、狀態及動作行為，構建三維變電站虛擬場景。
3.按照權利要求1所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征在于所述 的分布式仿真通信中間件，包括一個動態庫，其封裝了一組與應用無關的通用的通信及管理服務函數，部署在遠程培訓服務器、教員機、變電站仿真服務器和學員機上，為仿真應用 軟件之間的交互提供通用服務；所述的分布式仿真通信中間件至少包括同步、仿真應用管 理、聲明管理、時間管理、數據分發管理等服務。
4.按照權利要求1所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征在于所述 的仿真應用軟件至少包括電網仿真軟件、變電站仿真軟件、監控仿真軟件、變電站一次設備 仿真軟件、變電站二次設備仿真軟件和變電站綜合自動化系統仿真培訓軟件；所述的仿真 應用軟件按照下列步驟通過通信中間件實現相互之間的數據交互步驟1 仿真應用調用仿真應用管理服務，以仿真應用的名稱為參數向通信中間件注 冊仿真應用，獲得仿真應用句柄；步驟2 仿真應用調用時間管理服務，把所采取的時間管理策略通知通信中間件并得 到仿真系統的當前仿真時間；步驟3 仿真應用調用聲明管理服務，以仿真應用句柄、類(數據結構)名稱、屬性名 稱、接收/發送約束條件為參數，通知通信中間件仿真應用能夠輸出的類及約束條件，即進 行數據發布；同樣，仿真應用調用聲明管理服務向通信中間件聲明能夠接收的類及約束條 件，即進行數據訂購；仿真應用進行發布和訂購后，獲得類(數據結構)及屬性的句柄；步驟4:仿真應用調用時間管理服務向通信中間件請求推進仿真時間，然后等待通信 中間件批準；步驟5 仿真應用調用數據分發管理服務接收通信數據并進行處理；步驟6:仿真應用按照發送數據的類及約束條件構造數據包，調用數據分發管理服務 發送數據，通信中間件根據發送數據的類句柄查找訂購者(仿真應用)，再用數據包中的約 束條件與訂購者的約束條件進行比較，把數據發送給滿足約束條件的訂購者；步驟7 如果仿真培訓過程沒有結束，則繼續步驟4 步驟6的循環處理；如果仿真 培訓過程結束，則仿真應用調用通信中間件的服務釋放類句柄、屬性句柄、取消時間管理策 略、取消仿真應用句柄，然后退出運行。
5.按照權利要求2或4所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征在于 所述的變電站一次設備仿真軟件，采用三維圖形展示變電站一次設備外觀及設備之間的空 間布局，構建了變電站一次設備三維虛擬場景；變電站一次設備仿真軟件與變電站仿真軟 件連接，接收設備狀態和動作信息，用三維圖形顯示變電站一次設備正常、異常、事故狀態 及其動作過程。
6.按照權利要求2或4所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征在于 所述的變電站二次設備仿真軟件，采用三維圖形生成變電站二次設備虛擬裝置組件，利用 裝置組件組裝二次設備虛擬屏盤，按照仿真變電站主控室、繼保室的實際設備及布置選取 虛擬裝置和虛擬屏盤搭建變電站虛擬主控室和繼保室，實現變電站二次設備場景的再現； 變電站二次設備仿真軟件與變電站仿真軟件連接，接收設備狀態和動作信息，用三維圖形 顯示變電站控制及保護設備正常、異常、事故狀態的現象。
7.按照權利要求2、4、5或6所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征 在于所述的變電站一次設備仿真軟件和變電站二次設備仿真軟件分別實現變電站一次設 備的三維再現和主控制室、繼電保護小室的三維再現，共同構成完整的變電站三維虛擬場 景；學員通過鍵盤在虛擬場景中巡視和漫游，用鼠標對虛擬設備進行檢查和操作；學員在三維虛擬場景中按照現場點檢卡的模式和內容進行一、二次設備的巡視檢查，按照規范化 的處理流程進行缺陷處理及匯報；學員所做全部檢查、操作及處理都自動記錄，便于教員評 價。
8.按照權利要求2、4、5或6所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征 在于所述的變電站一次設備仿真軟件、變電站二次設備仿真軟件、監控仿真軟件可以運行 于同一臺學員計算機上。
9.按照權利要求1所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征在于所述 的電網仿真軟件、數據庫、教員系統軟件可以運行于同一臺教員計算機上，在就地培訓時采 用這種運行模式。
10.照權利要求1所述的分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，其特征在于所述 的仿真培訓系統應用于基于企業網/廣域網的變電站操作技術的遠程培訓、就地培訓或遠 程聯合反事故演習。全文摘要
一種分布式區域電網變電站三維仿真培訓系統，屬數據處理領域。包括集中培訓教室和位于其他地點的變電站，在集中培訓教室設置第一仿真培訓局域網，其在變電站設置第二仿真培訓局域網；第一、第二仿真培訓局域網之間經過企業網/廣域網等公共網絡資源進行連接，構成一個既能進行遠程聯合仿真培訓、又能進行就地培訓的網絡培訓系統；其采用分布式仿真通信中間件作為分布式應用的基礎，在每個仿真應用的主機都部署有通信中間件，通信中間件提供通用的通信和管理服務，實現數據交互的發布/訂購機制，有效地減少了網絡上的數據流量，將分布在不同地點的仿真應用有機結合起來，構成分布式遠程聯合仿真培訓系統。可廣泛用于變配電系統的技能培訓領域。
文檔編號G09B9/00GK101894488SQ20101023585
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月15日 優先權日2009年7月15日
發明者余波, 馮可, 莊建, 張輝, 徐正清, 李志義, 李煉, 林尉, 梁厚軍, 沈勇, 車平, 陳寧, 陳敏 申請人:上海市電力公司超高壓輸變電公司;北京科東電力控制系統有限責任公司