信息化技術在“變電運行技術”課程中的應用

摘要：理實一體化教學是現代高等職業教育教學改革的方向，但在電力類專業教學中難以實施。本文介紹了依托信息化技術開發的“變電站三維仿真系統”的功能、特色，并以“變電運行技術”課程中“事故處理”單元為例進行了信息化教學設計，有效地利用信息化技術解決了一體化教學中安全性與可操作性的矛盾。

關鍵詞：信息化；理實一體化；變電運行

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0094-03目前，我國高職高專教學模式改革方向是逐步實現工學結合的教學理念，采用邊教邊學的方法，讓學生熟悉職場工作，有身臨其境的感受，提升專業技能水平。但由于電力類專業的特殊性、高電壓大電流的危險性，運行中電氣設備不可以隨意觸碰和操作，大大制約了學生動手能力地培養與技能水平地提升。學生不能進入真實電力行業運行環境，即便到了頂崗實習階段，也只能遠觀不能靠近，更不能動手實作，顯然違背了高職高專教學模式改革的初衷。隨著數字化時代的來臨，信息化技術在職業教育中也得到了廣泛的應用和發展，在構建虛擬教學情境、解決教學做一體化實施中安全性與學生操作性的矛盾這一問題上顯現出強大的作用。如變電運行三維仿真技術可逼真的模擬變電站控制室、各種電氣設備和各種運行工況，學員在仿真機上進行各種方式下的運行操作，就如同置身于真實運行崗位。仿真機還可以模擬各種現場故障現象，培訓學員分析及處理故障的應變能力。信息化技術在“變電運行技術”課程教學中取得了較好的效果，在電力類專業課程一體化教學中，可做為典型案例推廣。

一、“變電運行技術”課程簡介

“變電運行技術”是發電廠及電力系統等電類專業的職業能力核心課程。本課程的任務是進行變電站電氣運行基本知識的學習和基本技能的培訓。變電運行的三項典型工作任務為設備巡視、倒閘操作和事故處理。長期以來，該課程教學中存在以下三個問題：一是在校學生不熟悉電氣設備，不清楚設備布置，在常規教室也無法觀察設備運行狀態，因此在培訓“設備巡視”技能上效果差。二是即使是在變電站現場，電氣設備不允許隨意觸碰、操作，不具備上崗資格的人員只能眼觀，不能動手實做，因此無法進行“倒閘操作”技能的培訓。三是電氣事故是一種小概率、高危害事件，故“事故處理’技能培訓不僅不能用傳統教學方式實現，更不可能在真實情境中實施。

為了解決以上問題，我校對該門課程進行了信息化教學建設，開發了“變電站三維仿真系統”，建成了“變電運行三維仿真”實訓中心。該仿真系統為我校與科東公司聯合開發，既滿足了發電廠及電力系統專業、電力系統繼電保護專業的“變電運行技術”課程教學要求，同時也能滿足“變電站值班員”、“電氣值班員”職業技能鑒定及電力企業運行人員的培訓、考核要求。

二、“變電站三維仿真系統”功能和特色

1.系統功能

“變電站三維仿真系統”以Visual Studio 6.0 Enterprise和Compaq Visual Fortran 6.1為開發工具，軟件支撐平臺采用中國電力科學研究院開發的具有國內領先水平的TS-2000仿真支撐平臺，它采用國際先進的三層結構的客戶/服務器模型，系統既可以組網多機運行，也可以單機運行。系統采用了虛擬儀器技術、組件技術、3D建模技術和基于OpenGL的虛擬現實技術，構建了220/110/10kV三種電壓等級的完整變電站，包括變電站主控制室、控制屏、保護屏、交直流屏等二次設備和現場一次設備。

該系統具有的主要功能包括：變電站運行監視、設備缺陷與異常設置、設備的巡視與檢查、倒閘操作、設備故障與系統事故設置、繼電保護及自動裝置的動作與信號顯示、五防系統模擬、安全用具的使用、安全措施布置、培訓效果的評估與考核。

基于以上功能，本仿真系統可實現變電運行三大典型工作任務的仿真培訓。

（1）倒閘操作。能夠實現斷路器的遠方操作、隔離開關和接地開關的就地操作、變壓器分接開關的調整、現場安全措施布置（如驗電、掛警示牌等）、保護及自動裝置的投入、切除、方式切換等一系列操作。倒閘操作場景如圖1所示，通過調用一次設備導航圖（圖1右下角），可進行設備的快速查找定位。

（2）設備巡視。系統以三維方式展現變電站所有設備，包括變電站正常、異常、事故工況下的現象。可以模擬運行人員對電氣設備進行全面檢查，檢查過程中可調整視覺角度和高度，還可360°旋轉，從而可以全方位準確地觀察到電氣設備的運行狀態。在培訓過程中，教練員可適時插入設備缺陷，以考核學員在設備巡視過程中，能否及時發現并作出相應的處理。如圖2所示為變壓器巡視場景。

（3）事故處理。仿真系統可人為的設置單個故障、復合故障、或復雜的多重故障，讓學員通過故障信息判斷事故性質、類型、地點等并進行處理，由系統記錄其處理過程并打印輸出，可以對學員的事故處理能力和技巧進行智能評定，找出事故處理中的差錯、疏漏，學會正確的處理方法，提高技術水平。圖3為故障發生后的故障報文。

2.系統特色

（1）三維動畫，實景仿真。利用三維動畫技術構建變電站一、二次電氣設備，使人身臨其境，其360°的視角使學生學習興趣高漲，聲光信號能充分調動學生的學習積極性，帶給學生體驗式學習的愉悅經歷。

（2）功能完備，操作簡便。系統教員機提供異常和故障設置、操作記錄、工況選擇等功能；學員機實現異常巡視、倒閘操作、事故處理、運行監視等功能。系統具有良好的人機接口，使用鼠標和鍵盤即可完成所有的操作。

（3）過程考核，人機互補。通過教員機“操作記錄”，實時記錄學員的一切操作，教師按照“操作記錄”判斷過程的正確性，給出最終評判，同時便于分析學員操作過程中存在的問題。

三、信息化教學設計舉例

1.教學任務

事故處理（二）線路單相瞬時接地故障（專業：發電廠及電力系統，學時：4）

2.學習目標與任務

（1）明確處理線路故障的基本原則；

（2）明確線路故障后運行狀態和各參數的變化情況，理解線路單相瞬時接地故障的特征；

（3）能根據線路故障時產生的各種信息準確判斷故障類型；

（4）能按照事故處理的標準化流程進行相關操作、記錄、判斷、匯報。

（5）能撰寫詳細、規范的故障處理報告；

3.學習環境與資源

變電運行三維仿真實訓中心；

仿真計算機（一臺教員機、50臺學員機）組成局域網，一人一工位；

多媒體教學，仿真虛擬學習情境。

4.學習活動組織

教學結構流程：任務描述、提出問題→引導學生一起解決問題→任務實施與檢驗→評估與反饋。

（1）任務描述、提出問題。

教師活動：

1）復習變電站事故處理的一般程序和注意事項。講解輸電線路事故的原因、現象。分析瞬時性故障和永久性故障的區別。

2）在教員機上設置220kV兩陽線上發生A相瞬時接地故障，發送到各學員機。

3）提問：會有什么現象？

學生活動：

1）聽講、看書、筆記。

2）觀察、思考，回答問題。

（2）引導學生一起解決問題。

此環節采用角色扮演教學方法，教師為電力調度員，學生為變電站值班員。

教師（電力調度員）活動：

1）逐項詢問仿真機上的事故現象，引導學生（值班員）分析解釋：

聽到聲音（事故音響、預告警鈴響）：由此知道發生了異常或事故；查看事故時間，并記錄；監控畫面上的現象分析；繼電保護裝置顯示內容分析；故障錄波圖分析。

2）詢問學生（值班員）故障判斷情況，并就正、誤給予明確指示。

故障相分析；故障類型分析；故障綜合判斷：兩陽線261線路發生A相單相瞬時接地故障，保護正常啟動，重合閘動作，重合成功。

3）下達命令：學生（值班員）進行事故隔離。

學生（值班員）活動：

1）復歸報警音響信號。

2）記錄事故發生時間。

3）將開關變位情況、保護動作主要信號做好記錄并立即匯報調度。

4）在仿真機上對站內繼電保護裝置、自動裝置和現場一次設備進行事故特巡。

5）做出事故性質的分析判斷，匯報調度。

6）事故隔離。

（3）任務實施與檢驗。

教師活動：

1）在教員機上設置另一條220kV線路發生單相瞬時接地故障發送到各學員機。

2）要求學生自己獨立進行事故判斷處理，并提交事故處理報告。

學生活動：

1）按照事故處理的規定流程進行相關操作、記錄、判斷、匯報。

2）撰寫事故處理報告并提交。

（4）評估與反饋。

教師活動：

1）選擇有代表性的學生，根據其任務完成的情況（包括過程的規范性和結果的正確性）進行評價和解釋。

2）對整個任務涉及到的知識、技能、遇到的典型問題進行歸納總結。

學生活動：學生互評，總結本次課的收獲。

四、教學效果與評價

“變電站三維仿真系統”這項信息化技術成果用在“變電運行技術”課程教學、電力公司變電站值班員培訓以及在校生的職業技能鑒定培訓中，都取得了及其顯著的成效，獲得了學生、企業和專家的好評。

該仿真教學的優勢體現在：

（1）縮短實操實訓時間、降低實訓成本、降低實訓安全風險。

（2）實現了真實環境難以進行的變電運行工作任務的技能培訓：短時間完成全部知識的實訓（高效性），基于工作過程進行變電運行標準化作業培訓（標準性）。

（3）虛擬工作職場：角色扮演，培養學生職業意識與職業能力（參與性）。

（4）提升學生學習熱情：教學過程中的直觀性、形象性、具體性和趣味性。

（5）實現智能化過程化考試考核，實訓進度、效果實時跟蹤。

因此，基于信息化技術的仿真教學在一定程度上解決了電力類教學長期存在的理實一體化教學難于實施、學生不能學以致用的問題。

五、結束語

隨著計算機軟硬件技術、網絡技術的發展以及職業教育的改革與深化，信息化技術在職業教育產品開發與應用方面已越來越普遍和成熟，特別是在電力行業的職業教育和培訓中日益被重視和推廣。因此作為電力職教工作者，我們應在已有的教學方式上充分地運用信息化手段，研究開發既符合高等職業教育規律，又適應電力行業需求的電力類專業課程教學內容和教學方法，提高自身信息化技術應用能力和信息化教學水平，促進信息化技術在教育教學中的廣泛應用。

參考文獻：

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[4]夏迎春，許重華.仿真技術在職業教育中的開發應用[Z].北京東方仿真控制技術有限公司.

（責任編輯：劉麗娜）