TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 8, August 2013, pp. 47 5 1 ~4 756   e-ISSN: 2087 -278X           4751      Re cei v ed  Jan uary 18, 201 3 ;  Revi sed  Ma y 23, 201 3; Accepted Ma 31, 2013   Simulation Modeling for Electrical Switching System o f   Hydropower Station       Ran Hu*, Xianshan Li   Coll eg e of Elec trical Eng i ne eri ng & Ne w  En er g y  C h i na T h ree Gorges Un iv ersit y , Yich an g ,  Hubei Prov inc e P. R. China   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : husk y 61 5@g m ail.com       A b st r a ct   T h is pa per  pr opos es a  si mulati on  mode li ng  met hod  fo r the e l ectric a l  sw itching  sy stem  of  hydro pow er st ation, w h ic h is   a su b- topic  for  Hydro pow er St ation  Si mu latio n  T r ain i n g  Syst em. T h grap hi cs  mo de l of  co mmo n ly  use d   ele c trical sw itch  e qui p m ent  is  de velo ped  w i th a   certain  softw are [1]. As v a st a n d   different typ e s  of Hydro pow er station c i rc uit br e a kers  a nd ass o ciat ed  grou ndi ng sw itches, an d e a c h   specific  action  of the sw itch p r ocess is n o t same,  so the  modu lar  mo del in g metho d  is d e scrib ed to so l v e   the problem .  A ccording to the role an d status in power plant, electrical sw itch system  is divided into sev e ral  sub  mod u l e s, amon g w h ich  a nu mb er  of sma ll  mo dul es  are sorted  in. In each su b modu le, a co mmo n   mo de l is dev el ope d. Besid e s, the app licati o n  meth od that th e netw o rk topo logy a n a l ysis a l gorit hm  use d  i n   electric al sw itchin g system s i mulati on l o g i c  judg ment  is i n troduc ed. With the  c o n n e cting l i ne fus i o n ’  techni qu e, log i c function  ex pressi on  me mber infor m atio n table is  au tomatic a l l y ge nerate d , there b y   enh anci ng the  suitab ility for the electr ic al sw itch simu lati on  mo de l. T he me thods  menti o n ed ab ove ass u r e   the rea l -ti m e, typical i ty an d fl exibi lity i n  si mu lati o n , an d hav e be en s u cces s fully us ed i n  the d e vel o p m e n t o f   a larg e hydr op ow er station si mu lator.      Ke y w ords : ele c trical sw itchin g simul a tion, h y drop ow er stat ion, topol ogy a nalysis  alg o rith m, obj ect-ori e n t ed     Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Simulation training  sy ste m  for  hydrop owe r   st ation i s  a  mo dern d i gital sim u lati on training   system, which simulate s t he pro d u c tio n  prog re ss  of hydropo we station  by usi ng the co mp uter  techn o logy  a nd p r ovide s   actual  traini n g  envir onm e n ts (central  control room   of  hyd r op o w er   station). Ele c t r ical  switchi n g simul a tion  model s a r e a  part of an d a  link  within  si mulation train i ng   system.  Whet her n o rm al o peratio ns, a b norm a ope ra tions, eme r g e n cy ha ndling,  equipm ent "Put  in/out" opera t ions, startin g  and stop pi ng pro c e s s,  or protective  action process all involve  corre s p ondin g  op eratio ns  and  actio n s i n  the  syste m . The r efo r e, th e e s tabli s hm ent of a  relia ble,  real -time and  friendly elect r ical  swit chin g syst em sim u lation mod e l  is an indisp ensable pa rt of  simulatio n  tra i ning sy stem.   So far, the  h y droele c tri c   station sim u lat o o r   simul a tion  system th at ha s be en  put into  operation an d pra c tical use can b e  nu mbered. Refe ren c e [2] introdu ced  several key tech ni que for the  devel opment  of e ngine erin g e quipme n t virt ual training  system. The   majority i s   si ngle- unit-o r iente d   machi n e - ele c tricity conversion  pr ocess  simulatio n , a nd the  whole  station - o r ien t ed  electri c al  swit chin g sy stem  simul a tion i s  su rpri si n g ly few. Due to  th e limitation of  com puter an d   multimedia te chn o logy, ea rly simul a tion  trainin g  software i s n’t u s er frie ndly, re sulted f r om t h e   lack of g r aphi cal effe cts of  its re sult di sp lay.  With the  developm ent  of com puter  and multim ed ia  techn o logy, h y dropo we station sim u lati on softwar has th e interface  with the  same  style  of  Wind ows, fe aturing f r ien d l y interface,  powerfu l fun c tion, conve n i ent and  qui ck mo deling,  and   visual outp u t.  This  pap er  introdu ce s t he devel op ment p r o c e s s a nd a c hi e v ements  of  electri c al  swit chin g system simulatio n  for hydroel ectri c   statio n, includi ng g r aphi cal si mul a tion mod e lin g,  function al g eneral  simul a tion mo deli ng, impl i c ati on of  po we r net wo rk topolo g y ana lysis  algorith m , an d the develop ment of  simul a tion trainin g  system, etc.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4751 –  4756   4752 2. Visualizati on Dev e lopment  Grap hical si mulation m o d e ling i s  buil d i ng thei r o w simulatio n  m odel a c cordin g to the  need s of the  simulatio n  ob jects. And it reflects  the  de mand of visu alizatio n, whi c h is  one of t he  vital parts  of vis ualiz ation s i mulation [3]. Re ference [4] intro duced seve ral visualization  developm ent techni que s in  TCS Simulation whi c h p r o v ided a uniq u e  thought of d e sig n   2.1. The Dev e lopment o f  Graphic Ele m ents o f  S w itches   The software  ‘Visual Graph ’ includes the followi ng three basic ele m ents: Word s, Lines, an d   Shapes. Wit h  scripting l anguage in si de the elem ents, basic  graphics ab o v e are able  to   demonstrate  strong vitality. With scripting l anguage  p a ckag ed into  these equipm ent compone nts,  developers d o  not have to  conside r  the specific  implementation process,  and re gard them as a   complete object directly.          Figure 1. Sch e matic Di ag ram of t he De velopment of Grap hic Elem ents      2.2. The Dev e lopment o f  Graphic s  Librar y   The number  of switches i n  all monitor scre ens is l a rge, beside s , the control handles,  closing buttons, and sign al indicator lights on lo cal  control cabi nets are various. For example,  there are hu ndreds of breakers in  switching station, GCB (Ge nerator Circu i t Breaker), and   breake r s for  house-supply  in the whole  system.  Among brea kers’ l o cal han dles,  control  handl e s   can be  divided into ‘near/remote control  handles , oil  pump han dles, and ‘clo se/open’ buttons.  For the convenience of the  devel opment  of RMON (Re m ote Network Monitoring) [5] screenshots  and local con t rol cabinets, it’s o f  great  require ment to establish a common library of graphical  elements. To  realize the g r aphical eleme n ts versat ility, there is  need  to condu ct a  compreh ensi v e   analysis of the prope rties  of all switchin g devic es, th en merge  the compon ents  as many a s   we  can, and realize the component library versatility  finall y .        3. Generalization of Simulation Mod e ling  The operatio n simulation proce s s ca n be divided into the following steps:  firstly,  simulation Man-Computer o peration interface issues  a  corre ct orde r to LCU (Lo c al  Control Units);  secon d ly, LCU devices co nduct logic blocking judgm ent according  to  the program, that is,  ‘The  Five Anti Rul e s of Electrical System  [6,  7]’, i f    legal,  th e order will be transmit to  switching ca b i net,  otherwise, error information will be displayed on  the al arming windo w pop-up fro m  the interfac e;  then, program will conduct a  fault c heck, the switch will act with n o  fault  in i t, o t herwise, failure   phenomenon  will occur, a nd feedback  detailed failure  information to man-com puter interface.  The overall a c tion process of switching is as Figure 2 and Figure 3.    Basi Co m p o n en t s   V i s u al  G r ap h Wo rd   Sh a p e Lin e S w it c h ing   Co m p o n en t s   .. . S eco nd ar y   Devel o p m e nt   Hig h   -   Vo l   Br eakers   I s olator s   Gr o u n d in g S w i t ch es G r o und i n g Br eaker s 400 V ou tg oin g   lin e  swit ch es Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Sim u lation Modelin g for Electri c al Swit chi ng System  of Hyd r op ower Station (Ran Hu 4753      Figure 2. The  Proce dure of Switching  Operation   Figure 3. Switch Hi era r chi c al Cla ssifi cati on  Diag ram         Due  to the  fa ct that b r e a kers a nd  asso ciated  switch es i n  the  enti r hydro p o w e r   station  differ from ty pes  and  ea ch switch  ha s its own p r o c e ss,  whi c h i s  not q u ite the same  as  the   others, from t he prog ramm ing pe rspe ctive, all the switch es m u st  be divided i n to the follo wing  hiera r chi c  an d cla ssifi catio n . If necessa ry,  it can be fu rther  sub d ivid ed ea ch sub c lass.  For the  rep r e s entative d e scriptio n, setti ng re mote b r eaker’ s  syn c hroni ze d cl osing a s  an   example. Fi rstly, given the fact  that a b r eaker in  swit chin g stat io has th re e types of o p e r ati o n   mode s: syn c hroni ze d cl osing,  no-volta g e  auto-clo s in g, and o peni ng; and th ere  can  be  seve ral   use r s whi c h send a sam e  o r de o r  a co u pe  of   on es  to   a sam e  bre a k er  at  th e sa me  time.  So,  it’s   of great imp o rtan ce to re alize the l o ckout of  the  certain fun c tio n s d u rin g  th e clo s ing  pe riod.  Then, it’s ne ce ssary to judge the co ntrol mode  d u ring the bre a k er’ s  a c tion  according to  the   layering  co ntrol meth od o f  hydrop owe r  elect r ic al switching  syste m . Finally, the syn c h r oni zed   closing procedure of the break ers in switching station i s   illustrated as Figure 4.           Figure 4. Breakers’ Sync hronized Closin g Procedure       4. The Realization of To p o logical Ana l y s is Algorithm in Po w e r  Net w o r k   Topology ana lysis is the progr ess of the  investigation on  the geom etric texture and link   chara c teristics that between equipmen t components  of power network by usin g graph theory,  with its purp o se to refle c t the conn ect ed relation and co rre sponding  state of equipment  Int e rf a c e s e nds a cl o s i n g o r d er L o g i c a l L oc kou t S u c ces s I n t e r f ace ( s cr een s h o t , al ar m , an d h i s t o r y ) S y nc hron i z a t i o n Yes , an d a l a r m No , a n d ex i t Yes , an d e x i t Fa il u r e , a n d e x i t F a u l t s ch eck i n g No , a n d al ar m O t h e r p r o ced u r e i s c ond uc t i ng ? R e m o t e c ont r o l m ode ? N Y Y N de l a yi ng Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4751 –  4756   4754 components. A  computer-convenient  mathematical model can  be  realized a cco rding to the re al- time conditio n s and dynamic states of connected  component [8, 9]. The  topo logy analysis just  reflects the  physical con nected relation of  compo nents and h a s no  conce r n with elect r ical  specifications of  them.  Topology analysis in this paper method  is  based on t h e technolog y of connecting line   fusion and  switch combin ation. Lead in  non-ele c trica l  equipment component co nnecting line  as  the auxiliary  tool, which ca n automatically gener ate connection in the progress. Then accordi n g   to the wiring structure of a c tual  hydropower station, a wiring di agra m can be built by using th e   graphics elements.          Figure 5. Elec trical Network Topological Graph       As shown in the Figure 5, Generator  1 co nne c ts  with one port of Breaker  1 through  conne cting line while the other port of Br eaker 1  con n e cts with one port of Transformer 1, which   conne cts with  Bus 1 via co nnecting line  and Brea ker  2. The conn e c tion prog ress of Gene rato r 2   is similar. From the above analysis, a connecti ng line makes two ports of different equipment  elements linked. It is convenient to describe the  network topology  structure and  pave the way fo r   the realization of  topological analysis algorithm.  Topology analysis algorithm based on the c onne cting line technology needs to number  all the ports in sequence, as shown in the Figure 6.            Figure 6. Dia g ram of O r igi nal Equipm en Comp one nts Ports’  Numbe r   Figure 7. Dia g ram of Port s’ Numbe r  afte Mergi ng the  Con n e c ting Li nes      Traverse  all  the co nne cting line s  an d in tegrate  all the po rts’  numbe r me anwhile  according to the followi ng  method s.  1) Supp osin g  that the ports on both  sid e s of  a co nn ecting line  which  con nect s  devices  were X1, X2, if X1=X2, do not handl e.  2) If X1  and  X2 a r not  equal,  elimin ate the l a rge r . The  de scri ption in  p r og rammin g   langu age is  a s : if X1 is gre a ter than X2, then X1 =X2 (assignm ent),  if not, X2=X1 (assig nme n t).  3) T r ave r se a ll equip m ent  ports, if X 1  o r  X2 is greate r  than the  la rg er o ne i n  p r o c ed ure  2), the figure  of equipme n t numbe r minu s 1, as sho w n  in Figure 7.   After mergi n g  the con n e c ting line th roug h abov step s, the conne ction co ndition  can b e   conve n iently descri bed by  prog ram m ing  langua ge:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Sim u lation Modelin g for Electri c al Swit chi ng System  of Hyd r op ower Station (Ran Hu 4755 Gene rato r[1]. Node 1 = Breaker[1]. Nod e 1   Tran sfo r mer2 [1]. Node1 = Breaker[1]. Nod e 2   Tran sfo r mer2 [1]. Node2 = Breaker[2]. Nod e 1   Bus  [1].Node1 =  Br ea ke r [ 2 ].N o d e2  Bus  [1].Node1 =  Br ea ke r [ 4 ].N o d e2  Tran sfo r mer2 [2].Node1 = Brea ker[4].Node1   Tran sfo r mer2 [2].Node2 = Brea ker[3].Node2   Gene rato r[2].Nod e1 =  Br ea k e r [ 3 ].N o de1   Take   Ge ne rator[1].Node 1 = B r ea ke r[1].Node1 a s  a n  exam pl e, this  expre ssi on i s   interp reted a s  the port between Ge nerato r  1 gene rato r and Bre a ker  1 equal s Nod e  1.  The n e two r after the  co m b ination  of  co nne cting lin can  a c curatel y  reflect th e p h ysical  con n e c tion condition i n  electri c al   net work, gra phi cal co nne ctio relation s b e twee d e vices  su ccessfully  conve r ted to  a d e scriptio n  in  co mput er  pro g ra mm ing la ngu age . The  ele c tri c al  swit chin g system simulatio n  model for  hydrop ower   station can u s e it to form a switching lo gic  function info rmation table  an inform atio n table of  the membe r s’ con s titution i n  expre s sion  of  logic fun c tion.       5. Applicatio n Example  The design s   of visualization development,  generalize d  models an d network to pological  analysis algorithm have been applied for switching  si mulation training system fo r a  certain large  hydropowe r  station, which  has 9 generat ors and  6 out going lines. Each generator connects ma in   transformer  with generato r  circuit brea ker, and  then conn ects  switching station through  h i gh- voltage cable. 500kV  station belong 5  se ries of b r eake r s u s ing 4/3  main conne ct ion and  conn ect  to CSPG with  6 outgoing lines. The control proced ur e s  of all switches in the plant can be divid e d   into 7 catego ries: 10KV ho use-supply control pr o c ed ure, 400V ho use-supply control pro c ed ure,   house-supply  outgoing li nes  control  proced ure,  a u xiliary control procedure ,  public control  proced ure, generator control procedure and  switching  station control procedure.  Having the ai d of joint deb ugging which  con c lude s el ectrical mo de ls, auxiliary models,  relay protection models, a nd fault models in t he overall hydropo wer  station simulation training  system, it finally build up a complete lar ge hydropower station simulation training system  software.   One server, two traine stations and  thirty tr ainee stations are  deplo y ed in this  si mulation   system with Ethernet network. Sola ris OS is installed in  the se rver.  Windows XP  OS are installed  in the working stations. Huge data transmission for  switching simu lation utilizes memory-sha ring.  Data Con c ept  model is buil t  by E-R approach and  correspon ding re lational  database is realize d   by ORACLE  DBMS. The tables  can b e  divided into  3 categorie s : e l ectric elemen t; protection and  parameter. The software on the worki ng station  is developed by  Delphi  with excellent  human- machine interface. Switching model software  is  developed by obje c t-oriented la nguage ba se d on   designed cla s s diagrams a nd sequen ce diagrams.       6. Conclusio n   The pape r de signs visualization developmen t, general ized model  a n d network to pology  analysis algo rithm of switching simulat i on trai ning system for h y dropower st ation in detail,  acco rding to its chara c teristics and switching  simulation system’s standard s  an d requiremen t s .   Principles of the design in clude: authenticity of  simula tion and friendly man-com puter operati o n   interface; reli ability and g eneralization of model  code; good integrate with other modules in  simulation training system  [10]. In  the fu ture, t he  follo wing aspe cts should be perfected: further   improvement of the switching  models  with stronger self-adaptabi lity, which ca n be adapted  to   different hydropower  stations; further co mpletene ss o f  contents in electrical switching model s containing re search of the  secon dary return c i rc uit of s w itc h es     Ackn o w l e g e ments   This work was  supporte d by the G r aduat e Research  Innovation Fund  of Hubei   Guozhihen g China Three  Gorges Univ.  Power Techn o logy Co., Ltd .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4751 –  4756   4756 Referen ces   [1]  LIN Ji-k eng,  QIN L i ng,  LUO  P i ng- pin g , Grap hic S y stem  D e velo pment  of P o w e r  S y stem  Based  o n  th e   Visua l  Graph.  Autom a tion Electric Power Sy stem s . 20 05; 1 5  (In Chin ese).   [2]  Li Hon g w e i, Yang  Xi aoq ia ng , Xue Jin h o ng,  Jiang  T i anhe.  Research o n  the Crucia l T e chno log y  i n   Virtual T r aini n g  S y st em of Engi neer in g E qui pment.  T E L K OMNIKA Indonisi an J ourn a l  of Electrica l   Engi neer in g . 2013; 11( 2).  [3]  Che n  Qing hua,  Dong Z h ao xi a. Implementati o n of  Graphic S upp orting P l atform for Dispatc her T r aini n g   Simulat o r.  Modern El ectric Po w e r. 20 02; 1: 37-4 2  (In Chin ese).  [4]  Ye De ng, Qia n x i a n g  Z h o u , W e ini ng F a ng. R e searc h   o n  T r ain V i sul a zati o n  of Differe nt  Resol u tio n  i n   T C S Simulation.  T E LKOMNIKA Indonis i a n  Journ a l of Elec trical Eng i ne eri n g . 201 3; 11(1) [5]  W ang Jia n x in, Yang Sh ifen g, Shi Yon g ji an g, T ong Guanjun.  Develo pme n t State and T r end in Remot e   Monitori ng  an d Co ntrol T e chno log y F o r e i gn El ectronic  Measur e m ent  T e chno lo gy . 200 5; 4 ( I n   Chin ese).   [6]  Hua ng K edi.  S y stem S i mul a tion  T e chnol og y. N a tion al  Univers i t y  of  Defens e T e chnol og y Pr es s ,   Cha ngsh a . 199 8.  [7]  Jian g Z h i w e i Automatio n  of  Substatio n  a n d  Ne w  T e chno l o g y . Ch ina E l e c tric Po w e r Pr ess, Beiji ng.   200 6: 101- 106.   [8]  Energ y  M ana geme n t S y ste m  Applic atio n  Program  Interface (EMS-API) Part1.CCA PI Guidelines   Preliminarv y  Draft. 1999.  [9]  NAIK W. Object-oriented Prog ram for F l e x i b le S o ft w a re:  Exam pl e of a  Loa d F l o w  IE EE T r ans on   Po w e r S y stem s. 1990.   [10]  Manzo n i A, Silva, AS De cker. Po w e S y st em D y n a m ics Simul a ti on Usi ng Ob ject-Oriente d   Programmi ng.  IEEE Trans. on Power Systems . 1999; 1: 249 -254.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.