基于虛擬仿真交互技術的變電站實訓教學研究

于永進，吳 娜，李長云

（山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590）

“發電廠變電站電氣部分”是電氣工程及其自動化專業的核心課程，是從事發電廠和變電站設計、運行、管理工作的工程技術人員需要重點掌握的知識，在電氣專業的整個課程體系中占有重要的地位。“發電廠變電站電氣部分”的主要課程內容包括發電廠、變電站概述，載流導體的發熱和電動力，滅弧原理及主要開關電器，電氣主接線及設計，廠用電接線及設計，導體和電氣設備的原理與選擇，配電裝置，發電廠和變電站的控制與信號等。

從培養滿足智能電網技術要求的專業技術人才的角度來看，傳統的教學方法與設施存在教學內容滯后、學生感性認知度低、實踐機會較少、實驗操作具有危險性等不足，而基于虛擬仿真技術的變電站相關課程教學能夠克服上述不足，成為變電站相關課程教學的重要輔助工具。虛擬仿真實驗教學項目是拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平而采取的重要舉措。開展電氣專業的虛擬仿真實驗教學，順應教育信息化發展需求，解決了傳統實驗教學中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題，將高電壓、高危險等實驗“搬”進本科實驗課堂，對于提高實驗教學質量，培養學生的實踐、創新能力具有重要意義。

在電力系統中，變電站是用來變換電壓、集中和分配電能、控制電能流向和調整電壓的重要場所。變電站作為電力系統的重要組成部分，其安全可靠運行對維持電力系統的穩定運行和保證供電的可靠性具有十分重要的意義。變電站虛擬仿真技術采用先進的仿真支撐技術和仿真建模技術，建立變電站及主接線的全物理、全過程的精確數學模型，逼真地模擬變電站的各種運行工況和各種故障現象。虛擬仿真技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的模擬環境，使用戶沉浸到該環境中，比傳統的講課、字卡圖卡或教科書等方法更加有效。把傳統的教學課堂轉移到變電站室外配電系統虛擬現場，進行現場教學，對斷路器、隔離開關、電力互感器、電壓互感器的高壓電器進行現場講解演示，利用虛擬設備進行設備的倒閘操作，創造真實的現場氛圍。通過電力現場變電站設備巡視、倒閘操作、事故處理等各種實訓操作項目，加強對一次設備、交直流系統、繼電保護、自動裝置、綜合自動化系統等完整電網運行過程的分析與理解。

學生可以在虛擬仿真系統中近距離觀察變電站每種設備的外觀、接線方式及其內部結構，還可以模擬變電站的運行規范、操作過程與操作結果。例如，進行拉合隔離開關操作，既可以看到虛擬的隔離開關開合過程，又可以看到與之相關的其他電氣設備的運行狀態。變電站仿真系統主要由仿真支持系統、計算機系統、防誤操作閉鎖系統、變電站現場監控仿真系統、教員/學員系統構成［1］，通過虛擬仿真系統，可以直觀了解變電站的整體結構，對變電站進行正常及模擬事故發生時的倒閘操作，提高學生對變電站設備設施的熟悉度等，很好地彌補了傳統教學模式的不足，使學生對變電站的設備及各種操作有更為直觀的印象和更為系統深刻的理解。

一、利用虛擬仿真系統展示變電站的結構

本科課堂教學注重理論分析，但大多忽視了課程之間的聯系。變電站中的運行設備涉及“電機學”“電力系統分析”“繼電保護”“高電壓”等多門專業課，在仿真系統中將變電站整體結構展示出來，可以使學生更直觀、系統地了解變電站的結構和實際運行情況，配合模擬倒閘操作和模擬事故處理環節，有利于學生將學過的知識串聯起來，形成全方位、立體化的理解。

除了展示變電站整體外觀，在仿真系統中還可以觀察變電站中的各種電氣設備結構以及變電站的實際接線方式，使學生對變壓器、電抗器、電容補償器、避雷器、高壓柜等設備和實際線路的認知不再拘泥于書本。對變壓器來說，在仿真系統中可以看到變壓器的整體外觀，觀察到實際變壓器的各個組成部分，如油枕、調壓裝置、呼吸器、散熱器、防爆管等，在認識變壓器結構的同時學生可以對組成部分的功能進行系統性學習，對變壓器結構構成有一個全面的認識。對于電抗器和電容補償器等，在仿真系統中進行學習，可以使學生形成感性認識。

在變電站設計及建設中，由進線、主變高壓、主變、主變低壓、低壓出線等部分分別組合而成，每部分稱為一個間隔。比如進線間隔，就是從線路盡頭的電纜頭開始，以線路側地刀、線路側刀閘、開關側地刀、開關、母線側刀閘、母線地刀組合而成，所有電氣設備組成進線間隔。在仿真系統中也對各間隔進行了展示，幫助學生理解間隔的構成及意義。現在由于GIS組合式開關的大規模使用，已經可以將開關和刀閘用一體化的封閉SF6滅弧，各間隔的電氣連接全部在封閉GIS內部完成。

繼電保護室中放著保護各個主接線間隔的測控柜及實現變電站保護通信的保護柜，以及為防止進線段意外斷電而保證保護室設備可靠供電的不間斷電源等。當設備進行檢修時需要到繼電保護室手動切換保護方式；當進線需要暫時切斷/投入時，需要手動合上/拉開二次空氣開關，同時檢查相關測控柜上壓板的投入情況。在仿真系統中，可以對停送電進行模擬操作，或者進行突發事故模擬處理，此時除了在后臺進行倒閘操作，也需要在繼電保護室中進行相關壓板的投退和相關空氣開關的拉合等。同時，在仿真系統中建立了學習園區。學生可以在學習園區進行電力安全工作規程、仿真變電站運行規程、典型操作票和仿真變電站電氣設備履歷等學習，使學生認識到變電站中高壓設備存在的危險性及按照規范操作票進行倒閘操作的重要性。

二、利用虛擬仿真系統展示變電站倒閘操作

在龐大繁雜的電力系統中，由于設備檢修、設備投入或退出、增大電網建設規模或者出現緊急事故時，通過倒閘操作實現部分線路的停送電，來達到維護電網安全和為企業或居民區建設而擴大電網規模的目的。

在我國企業建立110 kV以上變電站中，主控設備上都安裝有綜合自動化系統和五防系統。綜合自動化系統的作用是將變電站的二次設備經過功能的組合和優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術和通信設備及信號處理技術，實現對全變電站的主要設備和輸配電線路的自動監視、測量、自動控制和微機保護以及與調度通信等綜合性的自動化功能。五防系統是變電站主控系統中防止工作人員誤操作的主要設備，任何正常的倒閘操作都必須經過五防系統的模擬預演和邏輯判斷，以減少電網事故的發生。

發電廠機組倒閘操作按照工作流程可分為操作票填寫、工器具準備、模擬操作、執行操作、操作檢查及操作匯報6個過程［2］。在虛擬仿真系統中也建立了綜合自動化系統和五防系統，系統界面和互動操作與實際變電站主控室中的系統如出一轍。學生可以學習電氣“五防”的相關內容、操作票的填寫、倒閘操作的步驟以及倒閘操作過程中的相關注意事項。在操作過程中可以提高學生對電站主控室操作臺的熟悉度，使學生更加深刻地理解開關和刀閘的區別以及在“五防”條件下開關和刀閘的操作順序，感受五防系統的存在對于電力系統安全運行的重要性。學生也可以在綜合自動化系統中對電氣主接線的結構、運行方式、接線方式的優缺點等進行學習。

當接到一項操作任務時，首先在五防系統中進行操作票開票，經確認無誤后傳至綜合自動化系統，然后進行工器具的準備，例如若需要對開關設備進行檢修，我們需要準備接地線、警示牌、絕緣鞋、絕緣手套等工器具。而后在五防系統中進行模擬操作的同時，在綜合自動化系統中進行倒閘操作。倒閘操作時應有操作人和監護人，由經驗更豐富的工作人員作為監護人，監護人唱票，操作人復述操作內容并執行操作。同時，應安排現場人員監視設備動作情況，確保現場對應開關或者刀閘機械的指示位置與綜合自動化系統中的設備狀態一致，在需要對二次設備進行操作時拉開/合上對應空開，或者投入/退出相應壓板。在進行模擬倒閘操作時參考實際倒閘操作的過程，適當簡化，得到如圖1所示的模擬倒閘操作流程圖。

圖1 模擬倒閘操作

三、利用虛擬仿真系統模擬變電站事故處理

變電設備是電力系統的重要設備，是保障電力系統可靠運行的基礎。如果設備的異常及缺陷沒有得到及時處理，將直接威脅整個電網的穩定運行；若因設備異常原因造成大面積停電，會對整個經濟生產以及人們的正常生活帶來巨大影響。為了更好地保障電力系統的安全穩定性，需要提高設備的安全可靠系數，加強對設備的巡視和監控，及時查出事故原因，對事故進行處理，消除故障隱患［3］。變電站事故的發生常伴隨變電設備異常的物理現象，如設備形變、色變、爆炸、油液外溢等，事故發生的原因大概率為工作人員風險意識淡薄、設備故障處理片面、專業技術人員短缺等，除了這些人為因素，事故的發生也受自然因素的影響［4-5］。

當變電站運行技術人員遇到事故和問題時，要根據自己的工作經驗對事故原因迅速做出判斷，并進行相應的預處理，這樣可以使事故的危險性降到最低［6］。建立變電站仿真系統的事故處理模塊，對于學生來說可以直接體會電網風險意識對于變電站運行技術人員的重要性［7］，對相關專業知識進行深刻的復盤，對變電站事故處理形成系統認識，為培養專業技術人員打下堅實的基礎。

當運行中的設備發生故障時，首先根據綜合自動化系統的報警信號、各裝置的動作信號、繼電保護室各測控柜和保護柜以及故障錄波器信號等，確定保護動作的時間、類型、開關動作情況，綜合各設備反饋的信息初步分析故障發生的原因；其次將保護、重合閘動作情況、故障類型及現場一次設備檢查情況匯報給調度；最后接調度命令隔離故障設備，拉開故障設備側刀閘。圖2是運行中的變電站發生異常時進行事故類型判斷的一般過程。

圖2 事故異常原因判斷

依據變電站運行技術人員進行事故處理的步驟，在仿真系統中可以完成模擬事故處理，具體過程如圖3所示。通過在仿真系統中設置不同的事故異常信息，給學生下發模擬事故處理任務，根據各種異常報警信息，聯系多門課程內容，直接鍛煉學生判斷事故類型的能力，也使學生對相關課程內容有了更深刻的理解。

圖3 模擬事故處理

四、虛擬仿真應用于變電站教學的意義

將虛擬仿真應用于變電站教學，將變電站的實際環境通過虛擬仿真呈現出來，深度模擬變電站的故障情況，可以提升電氣設備的可視化效果，強化學生的切身體驗，將理論與實踐更好地結合起來，深化對相關專業知識的理解，加強了對電氣專業本科生工程實踐、創新意識與綜合能力的培養，幫助學生實現多種工程素質能力的提升，滿足工程教育高素質應用型人才培養的目標和要求。

建立的仿真變電站平臺能夠緊跟行業發展的趨勢，將現代信息技術與傳統實驗深度結合，產教融合，推進專業建設。采用變電站虛擬仿真系統進行模擬操作，既能防止教學設備損壞，降低設備維修和更換成本，又能保障操作安全，有助于降低教學成本，規避實驗操作風險。