基于計算機技術的高壓直流輸電教學培訓系統的設計與實現

山東省電力學校 李洪戰 王 妍 丁廣乾

許繼電氣直流輸電系統部 黃浩然

山東省電力學校 霍永紅 王 婧 宋志明 王曉玲

基于計算機技術的高壓直流輸電教學培訓系統的設計與實現

山東省電力學校 李洪戰 王 妍 丁廣乾

許繼電氣直流輸電系統部 黃浩然

山東省電力學校 霍永紅 王 婧 宋志明 王曉玲

我國的能源資源主要集中在西部，而主要能源負荷卻在中東部，資源分布和負荷的這個特點決定了在一個時期內“西電東送”將是我國電網發展的重要戰略。直流輸電因具有適宜遠距離輸送、送電容量大以及易于控制和調節等特點，在“西電東送”工程中發揮著重要作用。本文，筆者描述了基于計算機技術的高壓直流輸電系統的教學培訓系統的工作原理、實現方法、技術特點和應用前景。

一、直流輸電的技術特點

直流輸電與交流輸電相比，其優點和明顯，主要體現在以下方面。

1.輸送容量大，輸送功率可以快速調節和控制。

2.直流輸電系統的投入不會增加原有電力系統的短路電流容量，也不受系統穩定極限的限制。

3.直流架空線路的走廊寬度約為交流線路的一半，可以充分利用線路走廊的資源。

4.直流電纜線路沒有交流電纜線路中電容電流的困擾，也沒有磁感應損耗和介質損耗，基本上只有芯線電阻損耗，絕緣電壓相對較低。

5.直流輸電工程的一個極發生故障時，另一個極仍能繼續運行，可以減少輸送功率損失。

6.直流本身帶有調制功能，可以根據系統的要求作出反應，如可以對機電振蕩產生阻尼，可以阻尼低頻振蕩等，從而提高電力系統暫態穩定水平。

7.能夠通過換流站的無功功率控制調節系統的交流電壓。

8.大電網之間通過直流輸電互聯（如背靠背方式），電網之間不會互相干擾和影響，且可迅速進行功率支援等。

二、高壓直流輸電對教學系統的需求

近年來我國高壓直流輸電領域發展迅速，已建設多個端對端高壓直流輸電工程和背靠背高壓直流輸電工程，在建和即建的高壓直流輸電工程還有很多。但是由于該領域屬于新興領域，生產運行人員嚴重不足。每一新建工程都需要招聘一批新員工，并且從已投產的工程中抽調有關人員充當生產骨干，同時充實一些新員工到已投產工程中。這些新的員工對于高壓直流輸電的了解有限，并且沒有換流站的運行經驗，需要花費大量的時間進行培養。另外，由于換流站等生產單位的日常操作比較單一，在這種環境下并不能了解高壓直流輸電系統的全部內容，因此，即使是已經在換流站工作一段時間的員工，也需要進一步地進行一些非日常操作的教育和培訓。基于這種需求，本文，筆者依托于國內單閥組最高電壓等級的寧東直流工程，設計開發了高壓直流輸電教學培訓系統，用以對直流輸電領域的運行和檢修人員進行系統的培訓，使他們能夠更好地勝任高壓直流輸電領域的工作。

三、系統硬件組成

高壓直流輸電教學培訓系統的硬件部分主要由教員機、學員機、投影系統以及把硬件部分連接起來的網絡設備組成。整個培訓系統硬件結構如圖1所示。

四、系統軟件組成

高壓直流輸電教學培訓系統軟件部分主要包括一次設備仿真部分、二次設備仿真部分以及運行人員監控系統，分別針對換流站中的一次設備、二次設備以及監控設備。其中，運行人員監控系統和換流站實際使用的系統相同。這樣，對于換流站運行人員而言，面對的學習系統實際操作系統相同，從而達到教學和培訓目的。一次設備和二次設備同樣借助計算機技術實現，其中：一次設備部分利用三維虛擬顯示技術實現整個換流站一次設備的模擬，使學員能夠在場景中實地“觀看”設備的動作和運行情況，并且“就地”操作這些一次設備；二次設備部分建立了兩站的電網模型，可以模擬各種故障工況，能夠培訓和考核運行人員對于異常工況的處理能力。

五、系統功能及其實現

整個教學培訓系統的主要功能包括4個方面，分別是教學功能、練習功能及自動評分功能和考核功能。這4個方面基本涵蓋了一個完整的教學培訓過程。每個教學培訓過程一般先從教員的示范開始，即教學功能，示范后由學員依據所學內容自由練習，經過一段時間的練習后參加統一考核，便于教員了解學員的學習情況以及判斷學員是否已經掌握了教學內容。在此過程中，自動評分系統一直運行于聯系模式和考核模式下。

1.練習功能的實現方法。練習功能是在系統的練習模式下實現的。在此模式下運行時，2名學員為1組，即1名整流站學員、1名逆變站學員，本文，筆者以學員A和學員B代替。在其中1個學員站上啟動數據模型，模擬整個端對端直流輸電系統，學員AB的學員站上都啟動數據服務和操作界面，此2名學員即可模擬操作一個完整的端對端直流輸電系統。

在此模式下，學員A和學員B的操作首先經過本機的數據服務傳遞到數據模型中，然后經過數據模型處理后將其結果傳遞到學員A和學員B的數據服務中，最后反映到學員A和學員B的操作界面上。練習功能的數據流程如圖2所示。

2.教學功能的實現方法。在教學功能下運行時，兩個教員站之間按照學員練習模式組成一個完整的端對端直流輸電系統，其中一個作為整流站，另外一個作為逆變站。在其中一個教員站上啟動數據模型，該模型模擬整個端對端直流輸電系統，教員站A和教員站B上都啟動數據服務和操作界面。所有整流站的學員站啟動操作界面，并連接到教員站A的數據服務上；所有逆變站的學員站啟動操作界面，并連接到教員站B的數據服務上。

在此模式下，學員站可以查看到2個教員站之間的協調操作，從而達到學習的目的。在此模式下，教員站A和教員站B的操作首先經過本機的數據服務傳遞到數據模型中，然后經過數據模型處理后將其結果傳遞到教員站A和教員站B的數據服務中，最后反映到教員站和學員站的操作界面上。教學功能的數據流程如圖3所示。

另外，對于具有一定基礎的學員或者已經學習了一段時間的學員，可以在教員操作時跟隨教員的操作，以達到演練的目的。同時，教員的操作都會顯示在大屏幕投影系統上，學員可以隨時觀看到教員的操作流程和操作方法。

3.自動評分系統的實現方法。自動評分系統主要包括3個方面，即出題、答案和評卷。首先是題庫的維護，包括題目的獲取、添加、修改和刪除。然后是答案的自動生成系統，用來給圖庫中的題目生成標準答案。最后是自動評分部分，該部分依據上一步驟中的標準答案和該學員的操作記錄來評判學員對于該題目的完成情況，并給出評價。

（1）出題部分。所有的試題都以一個操作任務的形式保存在數據庫中，所有教員站和學員站可以訪問此數據庫得到試題的列表，每個試題的表現形式都是一個以字符串表示的試題題目。在學員站獲得試題列表后，只能選擇題目來獲得操作任務，不能對試題進行其他操作；在教員站上，可以操作數據庫進行試題的獲取、修改、添加和刪除，操作方式就是基本的數據庫操作。

（2）答案自動生成。在教員站上，選取一個題目后，系統可以為此題目生成答案，操作過程會記錄下來生成操作列表，作為答案寫入數據庫中。所有的試題都使用字符串來表示和描述，所有操作也都以字符串來描述。在生成答案的過程中，教員的所有操作都生成一個用來描述的字符串，待操作完成后，所有操作記錄即這些字符串列表均被寫入到數據庫中作為標準答案。

（3）自動評分過程。在學員站上，選取一個題目后，學員開始答題，所有操作過程會被記錄下來，此部分和教員生成答案的過程一致。當操作完成后，所有記錄的操作過程被上傳至服務器中，以供自動評分系統使用。在本方法中，由于所有的操作記錄為計算機自動生成，所以相同的操作在教員生成答案時和學員答題時生成的描述操作的字符串完全相同。在自動評分時，通過字符串比較，會把學員的操作記錄和教員操作記錄生成的答案進行對比。所有自動評分系統判定不正確的操作，會被記錄下來，供教員復查，以便于針對此學員的錯誤進行糾正和特殊輔導。自動評分流程如圖4所示。

4.考核功能的實現方法。教學功能是在系統的考核功能下實現的。在此模式下運行時，運行方式和練習模式時相同，其結構和數據流程都沒有變化，差異在于在此模式下所有學員機的初始狀態都是教員機確定的，并且所有學員在本機上的操作都會被記錄自動評分，供教員給該學員評價時參考。

六、其他輔助功能

除了上述的主要功能，整個教學培訓系統還實現了一些輔助功能，如操作票開票系統、故障設置、五防系統、學員管理及歷史數據記錄等。