基于HLA的全数字化电网综合仿真培训系统技术报告.doc

1 -1基于 HLA 的全数字化电网综合仿真培训系统- 2 -2目 录第一章第一章 概概 述述.5第二章第二章 项目的研究内容和关键技术项目的研究内容和关键技术.82.1 电网仿真、变电站仿真和 SCADA 系统仿真的一体化设计.82.2 基于高层体系结构(HLA)的电力仿真运行支撑平台.82.3 基于 OPENGL 的电力系统虚拟场景三维开发引擎.102.4 可视化、组件化变电站三维仿真建模系统.102.5 采用虚拟现实技术实现变电站三维培训仿真.112.6 图形、数据库和仿真模型的一体化技术.112.7 具备详细完备模型的全动态电网仿真技术.122.8 智能化的“教员机器人”系统.122.9 支持多种风格、多种类型的人机界面仿真技术.132.10 基于 WEB的远程培训技术.132.11 高压电气设备试验和电缆故障寻测虚拟实验室系统.14第三章第三章 交互式、分布式仿真软件支撑平台交互式、分布式仿真软件支撑平台.153.1 基于高层体系结构（HLA）的运行支撑环境.153.2 基于 OPENGL 的电力系统虚拟场景三维开发引擎.323.3 仿真管理系统.353.4 图模库一体化电网建模系统.363.5 可视化、组件化变电站仿真三维建模系统.383.6 数据库管理系统.393.7 人机界面系统.40第四章第四章 电网仿真电网仿真.444.1 电力系统的动态模型.444.2 全过程动态仿真.474.3 电网仿真功能.49第五章第五章 变电站仿真变电站仿真.535.1 变电站设备模型.535.2 继电保护、自动装置设备仿真.595.3 正常操作培训.615.4 设备正常和特殊巡视训练.625.5 事故、异常处理培训.635.6“五防”系统仿真.675.7 操作票与工作票系统.68第六章第六章 监控系统仿真监控系统仿真.706.1 窗口管理.70- 3 -36.2 画面管理.706.3 画面监视.716.4 报警管理.716.5 动态菜单.726.6 动态图符.726.7 曲线及表格.726.8 动态点类型.726.9 SCADA 系统的故障和异常模拟.73第七章第七章 教员与学员系统教员与学员系统.747.1 教员系统.747.2 学员系统.757.3 智能化的“教员机器人”系统.76第八章第八章 电力多媒体远程培训系统电力多媒体远程培训系统.788.1 电力系统一次设备多媒体培训软件.788.2 继电保护装置及二次回路多媒体培训软件.798.3 电力系统输配电线路多媒体培训软件.828.4 电力系统网络考试及题库系统.838.5 建立良好的工作习惯电力系统安全教育培训软件.83第九章第九章 高压电气设备预防性试验和电缆故障寻测仿真培训系统高压电气设备预防性试验和电缆故障寻测仿真培训系统.869.1 仪器仪表和辅助设备仿真软件.869.2 理论学习培训软件.879.3 高压电气预防性试验学习培训软件.889.4 电力电缆故障寻测学习培训软件.899.5 交互式模拟仿真软件.909.6 培训管理软件系统.91第十章第十章 基于基于 HLA 的全数字化区域电网综合仿真培训系统的实现的全数字化区域电网综合仿真培训系统的实现.9210.1 仿真对象.9210.2仿真功能.9310.3软件系统.9610.4 硬件系统.99第十一章第十一章 结结 论论.102- 4 -4第一章 概 述电网、变电站、电网自动化系统、变电站自动化系统是一个密不可分的有机整体，不是一个个简单的孤立系统，因此只有将电网仿真、变电站仿真、电网自动化系统仿真、变电站自动化系统仿真有机结合成一体化设计，才能为电网生产运行、维护、检修、电气试验等人员提供全方位、全过程培训。

随着计算机仿真在电力系统应用领域的不断拓宽，需要解决的问题也越来越复杂，解决问题所需的仿真技术也不尽相同像将电网、变电站、电网自动化系统、变电站自动化系统和通信系统进行一体化仿真系统这样仿真对象各异、采用多种仿真技术的系统靠单个仿真系统已经无法解决，必须依靠多个仿真系统进行联合协同仿真，因此分布仿真已经成为计算机仿真领域的前沿和热点分布仿真的关键问题多个仿真系统之间的互操作问题，随着仿真系统越来越复杂、开发成本越来越高，仿真系统的可重用性也被迫切提出来了，美国国防部有关单位通过大量研究，提出了建模与仿真的高层体系结构（high level architecture,HLA）, HLA主要解决了仿真系统之间的互操作和仿真系统的可重用，其显著特点是通过仿真运行支撑环境RTI（run-time infrastructure）提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将应用层同低层支撑环境分离，即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信三者分开，隐蔽各自的实现细节从而可以使各部分相对独立地进行开发，最大限度地利用各自领域的最新技术来实现标准的功能和服务，适应新技术的发展同时，HLA可实现应用系统的即插即用，易于新的仿真系统的集成和管理，并能根据不同的用户需求和不同的应用目的，实现仿真应用系统的快速组合和重新配置。

2000年9月HLA已正式成为IEEE建模与仿真标准（IEEE1516） 本质上，电网的动态行为是电力系统一个整体的行为，各种现象交织在一起，为了真实的再现电网的整体行为，必须采用全动态仿真技术进行电网仿真另外，电网仿真的真实性取决于电网中各元件所采用模型的准确性，为了能够真实地再现各种操作、异常乃至故障情况下电网动态过程，元件动态模型必须具有足够的精度另一方面，电网仿真又必须满足实时性的要求，对各种操作或故障应有快速的实时响应，这又要求采取优化技术、先进的计算技术外网电力系统模型对电网仿真的精度影响很大，而目前通常是用一套离线数据来模拟，误差较大，因此要求本项目电力系统模型采用实时动态等值的技术，对外网的- 5 -5机组出力、负荷都采用了实时数据，准确性更高，真实性更好虚拟现实（Virtual Reality）是利用现代科技手段构造出能被人们观察、交互、控制并可沉浸其中的三维图形虚拟空间，人们能够在这个虚拟空间中观看、聆听和自由活动，体现“人在系统中”的沉浸感变电站仿真主要是对其一二次设备的仿真，变电站运行人员的职责主要是对变电站的一二次设备进行监视、操作和安全措施的布置等，因此变电站仿真特别适用于采用虚拟现实技术。

完善的仿真建模工具是高效、灵活运行及便于维护、扩充的重要保证本项目采用了图库模一体化建模技术、可视化自定义建模技术和组建化建模技术，不仅建模方便、简单，而且质量更有保证，为本系统建立详细的电力系统模型提供了一个十分有用的工具远程网络仿真培训系统的特点是学员可以随时随地进行学习，要满足这一要求，就必须采用人工智能技术和Agent技术，开发智能化的“教员机器人”系统，实现对整个远程网络仿真培训系统的运行、管理智能化和无人化多媒体远程培训软件系统的重点不在于网络和选择的工具，而在于培训的内容和方式如果没有好的培训内容，无法引起学员在网上的学习热情，再好的培训系统也不能取得良好的培训效果；同时，即使有好的培训内容，没有好的培训方式同样也不能取得良好的培训效果因此，系统的培训内容应与学员的日常工作紧密结合，起到“即学即用、立竿见影”的培训效果；在培训方式上，系统应采用过关式、对抗式和体验式的主动学习方式，将培训软件“游戏化”， 激发学员的学习兴趣，实现知识性和娱乐性相结合的形式对学员展开培训；同时应为学员提供各种和实际工作相同的工作场景，可以以“切身体验”方式开展自我培训，以检验自己对知识、技能和经验掌握程度；另外，学员可以扮演不同角色，完成不同的工作任务。

本项目不但是将区域电网仿真、500kV 变电站仿真、SCADA 系统仿真、变电站综合自动化系统仿真、高压电气设备预防性试验仿真有机结合成一体化系统的电网综合仿真培训系统，同时配备覆盖电网生产运行的内容丰富、形象生动的网络化、游戏化多媒体培训软件，为电网生产运行、维护、检修、电气试验等人员提供全范围、全过程、全方位的培训环境可以实现区域电网仿真系统与分布在各地的数字化变电站的数据交换，实现“基于网络化的电网调度与变电站运行一体化培训仿真系统” ，可供远程培训、事故预演、考试能进行跨地域的由网调、各变电站参- 6 -6加的联合反事故演习系统可以进一步发展成为集仿真培训、联合反事故演习、事故预案反演、研究分析和测试等功能于一体的综合电网仿真平台本项目为电网生产运行人员提供了一个真实性更好、形象更逼真、使用更方便、用户更欢迎的培训工具，可以在较短的培训周期里收到更好的培训效果，其经济效益显而易见，社会效益是不可估量的 7 -7第二章 项目的研究内容和关键技术2.1 电网仿真、变电站仿真和 SCADA 系统仿真的一体化设计本项目采用了电网仿真、变电站仿真、变电站自动化系统仿真和 SCADA 仿真的一体化设计，可以准确地实现遥信、遥测、遥控、遥调、变电站现场操作以及电网故障、设备事故、继电保护和自动装置动作等一系列信息在仿真应用软件之间的同步和交互。

电网仿真、变电站仿真、变电站自动化系统仿真和 SCADA 仿真的一体化可以正确地反映电网、变电站和 SCADA 系统之间相互作用、相互影响的关系，实现了区域电网生产运行全范围、生产运行全过程的仿真，提高了整个仿真培训系统的一致性、真实性和正确性，培训功能更加完善，可以对区域电网运行人员（包括变电站、电网调度等运行人员）进行全方位、全过程、全场景的的仿真培训2.2 基于高层体系结构(HLA)的电力仿真运行支撑平台按照高层体系结构（HLA）规范的要求，本项目开发了符合国际标准（IEEE1516）、满足电力联合仿真应用要求的分布式、交互式电力仿真支撑平台CEPRIRTI，它包括三大部分，即：运行时间框架（Run-Time Infrastructure RTI）、标准接口函数库、联邦建模工具其中运行时间框架（RTI）是 HLA 的核心，负责对运行过程中动态信息进行管理和传输；接口函数库为仿真应用调用 RTI 服务提供支持，实现联邦成员接入 RTI；联邦建模工具创建和管理仿真对象模型，为仿真联邦建立语义一致的模型表1）运行时间框架（RTI）运行时间框架（RTI）是 HLA 功能的具体实现，它完全按照 HLA 接口规范标准进行开发，实现了 HLA 规范中要求的一系列用于仿真互连、仿真运行管理的主要服务，是 HLA 仿真系统进行分层管理控制、实现分布仿真可扩充性的支撑基础，也是进行 HLA 其它关键技术研究的立足点。

8 -8运行支撑环境实现的功能包括：联邦管理服务、声明管理服务、对象管理服务、时间管理服务、数据分发管理服务、所有权管理服务能够为运行过程中动态信息的管理和集成提供有效支撑系统达到了下列功能要求：提供了一个与具体仿真应用无关的通用的通信支撑平台，全面负责应用之间信息的传递，不涉及各个仿真应用的具体实现提供了一种开放的、标准的通信接口和规约，按照这个标准开发的应用程序都可以通过通信平台进行数据包的接收和转发，实现仿真应用的即插即用隐藏了通信细节，能够自动寻找接收数据的目标进程，完成数据发送工作具有很强的管理功能，能够进行注册管理、数据发布管理、数据定购管理、数据分发和过滤管理，为分布式仿真系统网络数据流量控制找到了一种有效的解决方法，支持基于广域网的远程网络培训仿真系统的运行实现了时间管理服务，为分布式环境下仿真应用之间的时间推进提供了一套可行的管理机制，支持分布式电力协同仿真系统的运行实现了分布式环境下仿真应用监视管理功能，能够监视应用程序的运行2）HLA 标准接口函数库（libRTI）按照 HLA 接口规范的要求，实现了规范中定义的接口函数集，形成了一套满足HLA 接口规范的动态库，为分布式仿真应用调用 HLA/RTI 接口服务提供强力的支持，满足开发分布式仿真系统的需要。

3）联邦建模工具（FEDcreate）HLA 采用对象模型模板（OMT）统一规范联邦中交互对象模型的描述，即：按照统一的语法和语义描述仿真系统中联。