基于malab的虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

基于虛擬技術(shù)的變體模擬培訓(xùn)系統(tǒng)采用虛擬體驗(yàn)技術(shù)，這對(duì)傳統(tǒng)的模擬培訓(xùn)系統(tǒng)沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)。它充分利用文本、圖形、三維影像、三維動(dòng)畫和聲音等多種媒體表現(xiàn)形式,通過(guò)刺激學(xué)員的視覺、聽覺神經(jīng),調(diào)動(dòng)起學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性,明顯提高仿真培訓(xùn)效果;而且可以大大降低培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件投資;能非常方便地反映真實(shí)變電站的變化。對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究將有助于解決不可視、不可摸、不可入、危險(xiǎn)性場(chǎng)所的仿真與培訓(xùn)等問(wèn)題,解決仿真與培訓(xùn)設(shè)備不足、型號(hào)落后、難以更新?lián)Q代跟上電力發(fā)展的困難,能提高仿真與培訓(xùn)的技術(shù)水平,其應(yīng)用前景十分廣闊。目前,加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。但是,這些系統(tǒng)是根據(jù)加拿大等國(guó)變電站的情況開發(fā)的,不適用于我國(guó)變電站的仿真與培訓(xùn)。在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究上,我國(guó)尚處在起步和探索階段。1“信號(hào)”“輸出”圖1圖1是本文建立的變電站仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)框架,它主要包含6大模塊。(1)“虛擬變電站”模塊是用戶可見的,用戶可直接與虛擬變電站發(fā)生交互。(2)“電力系統(tǒng)仿真”模塊模擬了系統(tǒng)正常運(yùn)行、故障、檢修時(shí)等各種情況,并連續(xù)不斷地輸出信號(hào),如電壓信號(hào)、電流信號(hào)、斷路器狀態(tài)等。(3)“信號(hào)處理”模塊將“電力系統(tǒng)仿真”的信號(hào)進(jìn)行處理,根據(jù)電壓電流信號(hào)計(jì)算出電壓電流和有功無(wú)功的有效值(即在表計(jì)上顯示的讀數(shù))。處理后的信號(hào)送入“輸入判斷”模塊。(4)“輸入判斷”模塊根據(jù)處理后的信號(hào)判斷此時(shí)虛擬設(shè)備的狀態(tài)是否發(fā)生變化,并將這種變化實(shí)時(shí)反映在虛擬變電站中。電力系統(tǒng)仿真中電流的變化應(yīng)使虛擬控制屏的表計(jì)讀數(shù)發(fā)生變化。(5)“輸出判斷”模塊通過(guò)對(duì)虛擬變電站狀態(tài)的判斷決定電力系統(tǒng)仿真應(yīng)有的運(yùn)行狀態(tài),它的輸出直接控制了仿真系統(tǒng)的運(yùn)行。例如:根據(jù)虛擬變電站斷路器的狀態(tài)決定電力系統(tǒng)仿真的運(yùn)行情況。(6)“用戶交互”模塊使用戶可以與虛擬變電站交互,改變虛擬變電站的狀態(tài)。2虛擬能源模型2.1虛擬變壓器模型虛擬變電站的建模應(yīng)使虛擬設(shè)備更加真實(shí),虛擬設(shè)備運(yùn)行過(guò)程更加逼真。因此,虛擬設(shè)備不僅要能反映真實(shí)設(shè)備的幾何特征,而且要能真實(shí)地反映實(shí)際設(shè)備或?qū)嶋H電力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和行為。以下程序段是建立了虛擬變壓器模型。同理可以建立虛擬斷路器、電流互感器、電壓互感器、隔離開關(guān)等虛擬電氣設(shè)備,并將它們放在同一場(chǎng)景中,這樣就能初步實(shí)現(xiàn)虛擬變電站的建模。2.2在虛擬變電站的應(yīng)用用戶要實(shí)現(xiàn)與虛擬變電站的交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬設(shè)備的控制,可以利用VRML中的Script節(jié)點(diǎn)。Script節(jié)點(diǎn)接收入事件并且把這個(gè)事件的值傳給url域指定的腳本,然后這個(gè)腳本給出Script節(jié)點(diǎn)的出事件。以隔離開關(guān)的操作為例。VRML給定一個(gè)時(shí)間檢測(cè)器,從而給出一個(gè)控制動(dòng)畫效果的時(shí)鐘,然后通過(guò)這個(gè)時(shí)鐘的輸出在虛擬變電站中驅(qū)動(dòng)各種內(nèi)插節(jié)點(diǎn),使得隔離開關(guān)產(chǎn)生開合的動(dòng)畫效果,VRML瀏覽器將會(huì)通過(guò)線性插值的方法來(lái)完成整個(gè)開合過(guò)程。采用Script后,用戶可以在虛擬變電站中對(duì)虛擬隔離開關(guān)進(jìn)行操作。3虛擬控制屏的仿真虛擬變電站只有與電力系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)交互,才能較好地模擬真實(shí)變電站。依照?qǐng)D1所示的虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,本文采用MATLAB中的虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱及其接口將已經(jīng)建好的虛擬變電站與電力系統(tǒng)仿真連接起來(lái)。下面以虛擬控制屏為例加以說(shuō)明。圖2所示系統(tǒng)采用了MATLAB的電力系統(tǒng)工具箱進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真。圖2中“電力系統(tǒng)仿真”模塊含有“電源”、“斷路器”(開合狀態(tài)受“輸出判斷”的控制)、“分布參數(shù)線路”等子模塊。其中,“分布參數(shù)線路”子模塊用到了下式所示的分布參數(shù)穩(wěn)態(tài)模型。[V&I&]=[ch(γλ)1Zcsh(γλ)Zcsh(γλ)ch(γλ)][V&m?I&m][V&Ι&]=[ch(γλ)Ζcsh(γλ)1Ζcsh(γλ)ch(γλ)][Vm&-Ιm&]γ=(R0+jωL0)(G0+jωC0)?????????????????????√γ=(R0+jωL0)(G0+jωC0)Zc=R0+jωL0G0+jωC0???????√Ζc=R0+jωL0G0+jωC0式中:λ為線長(zhǎng);γ為傳播常數(shù);Zc為特性阻抗。圖2中“虛擬變電站”模塊用到了MATLAB虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱的2個(gè)核心虛擬現(xiàn)實(shí)子模塊:VRSink提供GUI接口(圖形用戶接口),將信號(hào)從電力系統(tǒng)仿真輸出到虛擬世界。VRSource提供GUI接口,從虛擬世界輸入信號(hào)到電力系統(tǒng)仿真中。虛擬控制屏的圖形界面通過(guò)VRSink和VRSource模塊與仿真系統(tǒng)相連接,以實(shí)現(xiàn)“用戶交互”的功能。就像在真實(shí)變電站中一樣,用戶使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬控制屏中的控制開關(guān)及開合控制開關(guān),就能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖2所示仿真系統(tǒng)的控制?！拜敵雠袛唷蹦K判斷控制開關(guān)的狀態(tài)是否發(fā)生變化,并實(shí)時(shí)將虛擬屏中控制開關(guān)的狀態(tài)傳送給“電力系統(tǒng)仿真”,控制“電力系統(tǒng)仿真”中斷路器的開合?！半娏ο到y(tǒng)仿真”模塊根據(jù)斷路器的開合,實(shí)時(shí)計(jì)算出電力系統(tǒng)仿真結(jié)果?！靶盘?hào)處理”模塊將根據(jù)仿真送來(lái)的電壓、電流等信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算相應(yīng)的電壓、電流、有功和無(wú)功值,并送入“輸入判斷”模塊中?！拜斎肱袛唷蹦K根據(jù)輸入的電流值判斷出系統(tǒng)的狀態(tài),控制虛擬控制屏中的紅、綠指示燈的顯示狀態(tài),電流表、有功表和無(wú)功表上也顯示了“信號(hào)處理”計(jì)算得到的值。仿真運(yùn)行的電壓電流波形圖如圖3所示。仿真運(yùn)行初始條件是斷路器處在斷開位置。在0.3s時(shí)用戶點(diǎn)擊虛擬控制開關(guān)使其閉合,通過(guò)“輸出判斷”模塊使圖2中的斷路器閉合,此時(shí)虛擬電流表、有功表、無(wú)功表上顯示了仿真得到的數(shù)據(jù),同時(shí)虛擬控制屏上的綠色指示燈滅,紅色指示燈亮;在0.4s點(diǎn)擊虛擬控制開關(guān)使其斷開,同理將跳開圖2中的斷路器,此時(shí)虛擬電流表、有功表、無(wú)功表上指針歸零,同時(shí)虛擬控制屏上的綠色指示燈亮,紅色指示燈滅。斷路器斷開時(shí)虛擬屏表計(jì)、控制開關(guān)狀態(tài)圖和線路電流電壓波形圖如圖4(a)所示,斷路器閉合時(shí)虛擬屏表計(jì)、控制開關(guān)狀態(tài)圖和線路電流電壓波形圖如圖4(b)所示。由圖3和圖4的仿真結(jié)果可知,該系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了虛擬變電站與電力系統(tǒng)仿真之間的交互控制,真實(shí)地模擬實(shí)際變電站的運(yùn)行工況。4基于pc機(jī)的虛擬變電站仿真具有三維交互功能的虛擬變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)十分直觀形象,能較好地提高仿真與培訓(xùn)的技術(shù)水平。將虛擬變電站與仿真相連,能更加真實(shí)地模擬變電站各種運(yùn)行狀態(tài),具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)。用戶與虛擬變電站的交