魔灵召唤水神秘人符文:调度员培训仿真系统（DTS）的现状和发展趋势

调度员培训仿真系统（DTS）的现状和发展趋势

国家电力公司电力自动化研究院，江苏省 南京市 210003

1  引言

    由于电力系统的结构复杂和对安全性要求高，调度员培训仿真系统（DTS）的建设显得十分重要，事实证明，它是培训调度员的最佳工具^{[2、10、12、14]}。国外于1976年提出DTS的概念，1977年研制出第一套DTS，1978年美国EPRI组织了关于DTS的大讨论后,DTS在国外迅速推广^[10]，经过十年多的发展，已基本稳定，从上世纪90年代开始将动态仿真^[5~7]，将面向对象等技术引入DTS^[30，31]。国内DTS的研究从上世纪80年代末开始，1990年第一套DTS系统投运，经过十几年的发展，已从理论研究走向实际运用^[12]，并逐渐形成为一个产业^[21]。DTS的应用从东北^[14]、华北^[26]和华东^[29]三大网调的试点，推广到各个网省调、大中型地调、集控中心和大型变电站，并拓展到电力培训中心和高等院校电力专业。DTS的体系结构从与EMS接口采用“定制”方式的独立型异构系统到与EMS采用统一支持平台的一体化系统，直至目前正在研究的与EMS接口采用“即插即用”方式的跨平台系统(遵循IEC 61970标准)，使DTS的软件功能经历了从单一到综合，从简单到复杂的发展过程。其仿真方法包括对电网的稳态仿真、准动态仿真、故障仿真、暂态仿真和全动态仿真以及对保护的逻辑仿真和定值仿真，其设备模型包括一次设备、二次设备、远动设备以及部分动力设备。DTS的现场运行从被动到主动，从偶尔使用到日常使用，其作用也由演示性转变为指导性，并成为调度自动化的一个重要产品和控制中心培训调度员的得力工具。
    在DTS的发展过程中也存在一些问题。国内外DTS在动态仿真、培训评估和实用性等方面的实现比较困难^{[10, 15]}。在国内，由于现场基础数据普遍比较差，系统维护水平不高，有时导致不正确的仿真结果，容易误导运行人员。其次，对于DTS仿真方法的选择以及处理DTS与在线EMS的关系上，不同DTS厂家存在分歧；DTS厂家和用户对其功能的看法不同，没有共同标准。另外，一体化系统DTS与基础应用软件和支持软件之间存在需求矛盾（如对于网架规模的确定，状态估计尽量选可观测的范围，DTS至少选学员培训的范围），独立型系统与异构系统的接口非常困难。目前，就某一方面从国内和开发商角度讨论DTS的文章很多，但研究国外和从用户角度分析DTS的很少，因此，有必要对DTS的现状进行较全面的分析和总结，为DTS在电力市场内部环境和EMS-API外部环境下的发展问题做准备。

2  发展背景

      DTS的产生和发展涉及到电力系统仿真和电力系统培训两个方面的问题。
    仿真技术除了在电力系统领域之外，在其它领域如航天、武器和娱乐的应用都非常广泛。在电力行业，仿真已成为对电力系统进行分析、研究、试验以及对电网调度运行人员进行培训不可缺少的工具。对于电力系统仿真，根据模型不同，可分为数字仿真、物理模拟和混合仿真。数字仿真是用数学模型描述电力系统，运用计算机对数学模型进行求解，如EMTP；物理模拟是用基于缩小规模的实物研究电力系统，如动模试验，国外也有DTS是基于物理模拟的^[4]；混合仿真的核心部分是数字仿真，只是将仿真的结果，通过数模转换等接口电路，转化为真实的电流和电压等输出，如RTDS^[20]。根据用途不同，仿真可分为培训仿真、研究仿真和试验仿真。培训仿真用于培训电网调度员、变电站操作员、电厂值班员和电力市场交易员等，如DTS；研究仿真，用于对理论研究的验证和校核，如综合稳定程序和BPA等；试验仿真用于对装置的测试，如保护装置测试仪^[24]。根据技术不同，仿真可分为非实时仿真和实时仿真，如一般的潮流和稳定程序属于一种非实时仿真工具，DTS是一种实时或准实时仿真，而RTDS混合实时仿真器对实时性的要求更高，须多CPU并行处理。电力系统仿真技术的发展为DTS的实施提供了保证。
    培养一支训练有素、经验丰富的调度运行队伍对电力系统的安全运行至关重要，由于电网大面积停电的概率极小，经验和知识的获得和更新只能来自培训，传统的培训方式有跟班学习、课堂式的反事故演习、事故处理经验总结等。这些方法没有实战感，效果差。在实际事故中调度员仍会束手无策，不知如何应付。问题的关键就是没有机会在电网多次异常和事故中磨练，积累处理问题的知识、经验和心理素质。因而DTS就应运而生并得到快速发展。
    DTS是用于培训电网调度员的计算机数字仿真系统，是电力系统仿真和调度自动化的结合，它通过建立实际电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故障前后的系统工况，并将模拟的结果送到仿真的电力系统控制中心，为调度员提供一个不影响实际系统运行的身临其境的调度环境。

3  DTS现状

   目前，国内DTS用户主要为网省调和大中型地调，其中有少量进口系统。国产DTS根据与SCADA/EMS的关系，可分为统一平台的一体化系统和不同平台的异构系统，异构系统中有与国外EMS系统接口的，有与国内不同EMS厂家接口的。
    国内DTS的最早产品是东北网调DTS、华北网调DTS和华东网调DTS，前二者可以认为是第一代的，分别由清华大学和中国电科院开发，华东网调DTS由于加入了全网继电保护的逻辑判断和电力系统全动态过程仿真，可认为是是第二代的，由南京电自院开发。这三套系统都是在引进系统上另外开发的独立型DTS，包括静态仿真和动态仿真，并都通过了鉴定，为国内DTS的研究和建设取得了宝贵的经验。目前，早期的东北和华北的DTS已经退役，华东DTS升级后还在运行，成为华东电网联合反事故演习不可缺少的工具。从这几套系统的运行情况看，异构系统数据维护和教案生成比较困难，需要开发单位协助用户的专责维护人员才能正常使用DTS。另外，从效果看，尽管网调DTS需要进行动态仿真，但采用动态潮流和频率计算加按逻辑动作的保护仿真的静态仿真能满足大部分培训仿真和反事故演习项目的要求。
    由于网省调数量有限，加上独立型DTS投资大，运行维护困难，并且地调的电网规模越来越大，对调度员的培训提出了更高的要求，DTS的应用也拓展到大中型地调^[19]。由于地调不象网省调那样关心调频和稳定问题，地调的主要培训内容是当大的枢纽站全停或电网解列成小系统后如何尽快恢复供电，因此，用于地调的DTS对原网调DTS的功能进行了裁剪，删除了动态仿真，保护仿真改为适合于地区电网的定值判断，增加了一些具有地调特色的功能，如备自投仿真、不接地系统单相接地和谐振的逻辑仿真等，由于采用了与EMS统一支持平台的一体化设计，数据维护和教案生成难度和工作量大大降低，DTS成为调度员进行事故预想、培养新手和晋级考核的工具，为地区电网的安全运行发挥了重要作用。从这些系统的运行情况看，一体化设计和保护按定值动作，是开发的成功之处，对调度运行的其他领域起到一定的指导作用，如可以校验保护专业的整定的定值。地调DTS的问题在于没有充分发挥DTS应有的作用，有的DTS用一段时间就停用了，原因有两方面： ① 地调DTS没有合适的功能规范，厂家开发DTS缺乏实用性指导，用户建设DTS实施条件不完全具备。 ② DTS维护没有专职化，使用没有制度化。
    不仅仅是电网调度员需要培训，变电站和电厂的值班员、一般的电力职员和高校电力专业的学生等也需要培训。因此，DTS又同时向变电站仿真、电力培训中心和电力高校教学培训仿真发展，并且有许多成功的实例^[22]。变电站仿真有两种方案，一种是半物理半数字的混合仿真，有真实的屏柜和盘台，另一种是数字仿真，设备的操作和数据显示都在画面上。由于第一种方案投资大且不灵活，逐渐被第二种方案所取代。有的变电站仿真运用多媒体技术，增强培训的现场感，有的变电站仿真建立二次回路的拓扑关系，加强对二次回路故障的模拟。电厂仿真不仅涉及到动力系统，新一代产品还加了电力系统仿真，具有长期动态仿真功能的DTS也有动力系统模型，若加上电厂模拟屏仿真图形和动力系统图形就可进行电厂培训仿真。DTS用于培训中心和高校电力专业时，一般仿真机用运行UNIX操作系统的工作站，学员台用运行WINDOWS的PC机，这类系统主要解决几十个学员同时培训的问题和跨混合平台运行的问题^[16]，实现的方法目前有4种： ① 在PC机上运行商用仿终端软件，把PC机作为工作站的一个仿真终端； ② 工作站和PC机分别运行不同的支持平台，相互间交换数据； ③ 运用WEB浏览技术，在工作站侧装WEB服务器，在PC机侧装浏览器； ④ 采用互联互通的跨硬件平台的统一支持系统。方法 ①  的网络开销和工作站开销都很大，学员台不能太多，方法 ③ 只能看而不能操作，方法 ④ 各厂家正在开发，方法 ② 虽然维护工作量增加，但这类DTS系统仿真的电网一般很少变动，是一种可行的方法。在国外，DTS也用于大学的教学和科研^[3]。
     随着各类DTS系列产品的出现，出现了将几种仿真工具组合在一起的联合仿真系统，增强了上下级调度和厂站值班员之间的联合培训功能。也有的DTS厂家在研究电力市场条件下的DTS的设计和建设。

4  DTS结构

4. 1  硬件结构
    DTS培训室的布置有两种典型方案，一种方案是设置专门的模拟调度室，由学员室和教员室构成。这种方案一般用于网省调或大型地调，学员室的配置考虑到兼作备用调度室，与实际调度室一样，网省调用三席学员，地调用两席学员，配置大屏幕投影和调度电话系统。教员室配置一个教员台，也可增加下级调度／厂站值班员席，国外也有将学员增设电厂值班员席的^[2]，还可配置Web服务器，用于联合培训。学员室和教员室用单向玻璃或普通隔断。
    另一种方案不设专门的培训室，将调度室的第三席调度设为学员席，DTS教员席放在其它地方，使教员和学员分开，用电话联系。这种方案常用于中型地调的DTS系统。
    DTS的硬件机型，对于网省调和大中型地调，一般用运行UNIX操作系统的服务器和工作站，如ALPHA和SUN等，培训中心和变电站选用运行WINDOWS操作系统的PC机。
4. 2  软件结构
    DTS软件由两部分组成，第一部分是DTS的支持软件和基础应用软件，支持软件包括数据库管理、图形管理、通信管理和Web浏览等，保证DTS的高效运行、仿真结果的显示和传送，基础应用软件包括SCADA、AGC和网络分析软件，基础应用软件是控制中心模型的基本功能，在线网络分析软件中的状态估计和负荷预计保证DTS生成培训教案。第二部分是DTS本身的仿真软件和培训支持软件，仿真软件包括网络拓扑、动态潮流计算、频率计算、短路计算、暂态和中期动态仿真、长期动态仿真、继电保护仿真和安全自动装置仿真等，培训支持软件包括教案生成、培训控制、培训评估、调度操作、事件调度和学员台数据采集控制软件等。
4.3  典型配置结构
    根据DTS与在线EMS系统的关系可分为独立型和结合型。独立型DTS仅单向地从EMS获取数据，根据其对控制中心的模拟程度可分为安全仿真和简单模拟，安全仿真时，学员台的硬件、软件和功能与实际控制中心基本相同，如早期的第一和第二代DTS，现场感强但投资大，简单模拟时，只在学员台实现实际控制中心的部分功能，其余都不同，实现简单但现场感较弱。结合型DTS包括一体化和非一体化，一体化DTS与在线EMS用统一平台，维护方便使用方便，但有时会受制于底层支持，非一体化DTS通过接口与在线EMS联结，比较灵活但接口和维护比较麻烦。国外DTS往往由第三方提供，以独立型居多。国内DTS在地调以一体化结构较多，在网省以独立型居多，结合型DTS占主导地位。
     随着电力市场的引入，DTS将增加交易员席。随着基于公用信息模型(CIM)和组件接口规范(CIS)的新一代调度自动化系统的诞生，独立型DTS将重占主导地位。

5  DTS功能

     DTS的功能包括DTS的三个基本组成部分，即电网仿真子系统、SCADA/EMS仿真子系统和教员控制子系统。第一部分是DTS对电力系统的仿真（动态仿真包括部分动力系统），再现电网工况；第二部分是对调度自动化系统的仿真，再现调度员工作环境；第三部分是DTS的培训支持功能，包含完成培训所具备的监视、控制和分析功能。
    电网仿真子系统包括对一次系统即线路、变压器等一次设备的仿真、对二次系统即继电保护安全自动装置的仿真和远动RTU的仿真。
    一次系统有三套仿真模型，一是电力系统稳态仿真模型，把发电机看成无机电过程但可静态变化的电源，进行多平衡节点的动态潮流计算，在考虑发电机调速器和负荷频率效应基础上进行频率计算，稳态仿真又称静态仿真；二是电力系统故障仿真模型，在静态仿真的基础上，再考虑故障瞬间的电磁暂态过程，计算短路电流分布，作为继电保护动作的判据；三是电力系统动态仿真，考虑电力元件的动态特性，考虑机电暂态过程和锅炉等部分动力系统的影响，进行时域积分法仿真计算。动态仿真有两种实现方法，一种方法是没有故障时，进行潮流计算，有故障时，进行稳定计算^[17]，另一种方法是全部基于积分求解的短期、中期和长期的全过程动态仿真^[13],短中长期的划分由各种电力系统现象的持续时间和电力系统控制系统的时间常数的不同决定^[4]。动态仿真是DTS的难点，特别是外网动态等值和直流、核电和抽水蓄能等动态模型的建立，比较困难^[5,6]。在一次系统的仿真中，还要考虑外网AGC的仿真(网内AGC在学员台实现)。
    二次系统中的继电保护仿真也有三种实现方法，一是早期DTS的逻辑判别法，速度快，保护参数的维护工作量小，但要求厂站主接线比较标准，比较适合于网省调；二是后期DTS的定值判别法，结果准确，可与实际情况校核，但速度稍慢，保护参数的维护工作量很大，比较适合于地调；三是做教案时先离线算好保护的动作结果，这样培训时，速度很快，但灵活性差。目前还有一种做法是选出电网中的一部分用定值判断，其余用逻辑判断，这种做法的主要问题是两种判断方法的协调。二次系统中的安全自动装置仿真一般采用模型拼装和决策表比较。一些反映动态响应的自动装置如PSS、励磁系统、失步解列和振荡解列等在动态仿真中电源控制系统模型中考虑，这里主要指反映稳态量的一些装置如低频减载、低压减载、解列装置、连切装置和备自投等。在国外，继电保护一般用基于IF/THEN规则的逻辑判别法^[5]，对于自动装置放在保护中，如用高／低压继电器、高／低频继电器等代替各种解列和切机装置。
    远动系统的仿真包括全遥信、全遥测、变化遥信、变化遥测、遥控、遥调等采集子系统的仿真。
    SCADA/EMS仿真子系统保证给调度员身临其境的真实感和现场感，SCADA/EMS功能与在线SCADA/EMS完全一样，只不过处理的是DTS的仿真数据。包括监视、处理、计算、统计和SOE、PDR等SCADA功能和调度员潮流等网络分析功能，网省调还包括AGC功能。该子系统的实现方式有两种，一是改造原SCADA/EMS系统，使其在保证SCADA/EMS功能的前提下适应DTS的要求；二是开发一套简单的SCADA/EMS系统，前者可以给调度员创造一个真实的环境，后者实现简单但做到完全真实有一定困难。
    教员控制子系统包括教员对DTS系统的控制功能、教员对仿真电网的控制功能以及教员充当下级调度/厂站值班员的操作功能。
    教员对DTS的控制功能由培训前准备教案、培训中操作控制和培训后评估三部分组成，培训教案包括启动仿真所选的最初的运行方式（开关刀闸状态、负荷、出力、变压器抽头位置以及保护装置的投退状态）、仿真系统运行的系统负荷曲线和培训时的电网将发生的事故。从在线系统取实时数据生成培训教案是最有效的方式。培训中操作控制包括启动、结束、暂停、恢复、回退、快照、统计和报警等。培训后评估目前功能不是很强，主要有下面一些做法：① 教员根据记录的学员调频调压和电气操作，借助快照回顾功能，作出定性评估。 ② 将一些典型题目的答案存在教员台，把学员的处理过程与标准答案比较，并根据学员处理引起的停电、失电量、失负荷量以及越限等情况，给出定量的分数。
    教员对仿真电网的控制功能主要是设置电网故障，故障来源有培训前教案、教员临时在厂站图系统图上增加的故障、学员错误操作引起的故障和特定条件引起的故障等。
    教员充当下级调度/厂站值班员的操作功能包括基本操作指令的模拟和误操作的模拟，基本操作指令如开关的分合、刀闸的投切、负荷出力的调节、保护和自动装置的操作等，误操作模拟包括带负荷拉合刀闸、带电合地刀、带地刀合闸和非同期并列等。
    从广义看， DTS的功能还包括其支持平台所提供的功能，如曲线、棒图等数据表现形式，为DTS提供研究态和实时态，DTS可仿真历史的电网和规划的电网等。

6  运行与维护

    随着对电力系统高级应用软件四个基本模块实用化考核的开展，电网主站强厂站弱，高级应用软件成空中楼阁的局面有所改观，量测越来越准，参数越来越齐全，为DTS的实施奠定了基础。由于DTS处于SCADA/EMS软件系统的顶层，按照先生成SCADA，再投EMS，最后建设DTS的顺序进行，SCADA/EMS/DTS应尽量采用统一支持平台，生成SCADA/EMS时在电网规模的确定和参数维护等方面要综合考虑DTS的要求，DTS一般在状态估计能对管辖的电网全部处理后开始投运，同时要求SCADA要维护好没有实测信息的刀闸的开合位置。
    DTS的运行维护涉及到调度、保护、自动化和方式等专业，通常是保护和方式配合自动化维护DTS系统，调度使用DTS。在维护流程上，当电网增加新的设备时，首先由自动化SCADA维护人员修改厂站接线，录入RTU号和点号，使SCADA正常运行，并把工作票传给自动化EMS维护人员，EMS维护人员根据新的厂站接线更新网络结构，并录入各模块所须电阻电抗等参数，使EMS各模块正常运行，并把工作票传给自动化DTS维护人员，DTS维护人员更新网络结构，并录入保护装置参数，使DTS正常运行。在维护过程中，SCADA/EMS/DTS的网络结构可以不一致，但应尽量保持一致以降低取实时数据生成教案和RTU仿真建立映射关系时的难度。SCADA/EMS/DTS的网络结构的不一致需求可通过与实时态相并列的研究态来实现。
    目前，DTS在以下几个方面用得较好，一是用DTS进行全网联合反事故演习，导演预先指定方案，分几个阶段，主要演练电网解列后学员的判断和处理，使用次数不多但教案复杂，参与人数多；二是用DTS进行事故预想，教员一般是调度班长，每次考虑一种有一定难度的事故，由学员判断和处理，这种使用可以做到经常化，用于培训控制中心的调度员；三是DTS中保护动作的结果对实际保护整定值进行校验，DTS学员台对 SCADA功能进行校验，往往能发现现场保护整定的缺陷和SCADA系统在线运行难以发现的问题。尽管如此，目前的DTS系统仍未发挥应有的作用，许多DTS系统运行一段时间后，由于人员的变动，维护跟不上，难以正常运行，这对DTS维护和使用的制度化提出了迫切要求。

7  结论

    与国外相比，我国的DTS发展速度很快，在十年中从无到有，并成为一个产业，在全动态过程仿真和与在线EMS的接口上处于领先，为保证电网的安全运行起到不可替代的作用，同时也看到DTS目前的培训支持功能(ES)和运行维护的实用水平比较低。从国内外的情况看，DTS的建设和发展有以下几点：
    （1）DTS的结构应一体化系统和独立型异构系统同时发展，前者注意采用组件技术，不要与支持平台和基础应用软件捆绑得太紧而受制，后者遵循IEC 61970标准，彻底解决与在线系统的连接问题。
    （2）DTS的功能应立足于来源于需求的实用性功能，如基于可操作WEB的联合培训等，对于仿真功能，网省调以动态仿真为主，地调和县配调以静态为主，变电站加强二次设备的模拟，尽快形成系列化的DTS功能规范。
    （3）DTS的运行要制度化，一开始要有一定的强制性。
    （4） DTS的维护要有专职化，跟得上SCADA和EMS等应用软件中网络结构的变化，用户要加强基础数据的完善和基础参数的管理。
    （5）DTS的应用要向电力市场拓展，要模拟电力市场环境下电力系统的现象以及能满足电力交易员的培训要求。