基于计算机技术的高压直流输电教学培训系统的设计与实现

山东省电力学校 李洪战 王 妍 丁广乾

许继电气直流输电系统部 黄浩然

山东省电力学校 霍永红 王 婧 宋志明 王晓玲

基于计算机技术的高压直流输电教学培训系统的设计与实现

山东省电力学校 李洪战 王 妍 丁广乾

许继电气直流输电系统部 黄浩然

山东省电力学校 霍永红 王 婧 宋志明 王晓玲

我国的能源资源主要集中在西部，而主要能源负荷却在中东部，资源分布和负荷的这个特点决定了在一个时期内“西电东送”将是我国电网发展的重要战略。直流输电因具有适宜远距离输送、送电容量大以及易于控制和调节等特点，在“西电东送”工程中发挥着重要作用。本文，笔者描述了基于计算机技术的高压直流输电系统的教学培训系统的工作原理、实现方法、技术特点和应用前景。

一、直流输电的技术特点

直流输电与交流输电相比，其优点和明显，主要体现在以下方面。

1.输送容量大，输送功率可以快速调节和控制。

2.直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制。

3.直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊的资源。

4.直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰，也没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘电压相对较低。

5.直流输电工程的一个极发生故障时，另一个极仍能继续运行，可以减少输送功率损失。

6.直流本身带有调制功能，可以根据系统的要求作出反应，如可以对机电振荡产生阻尼，可以阻尼低频振荡等，从而提高电力系统暂态稳定水平。

7.能够通过换流站的无功功率控制调节系统的交流电压。

8.大电网之间通过直流输电互联（如背靠背方式），电网之间不会互相干扰和影响，且可迅速进行功率支援等。

二、高压直流输电对教学系统的需求

近年来我国高压直流输电领域发展迅速，已建设多个端对端高压直流输电工程和背靠背高压直流输电工程，在建和即建的高压直流输电工程还有很多。但是由于该领域属于新兴领域，生产运行人员严重不足。每一新建工程都需要招聘一批新员工，并且从已投产的工程中抽调有关人员充当生产骨干，同时充实一些新员工到已投产工程中。这些新的员工对于高压直流输电的了解有限，并且没有换流站的运行经验，需要花费大量的时间进行培养。另外，由于换流站等生产单位的日常操作比较单一，在这种环境下并不能了解高压直流输电系统的全部内容，因此，即使是已经在换流站工作一段时间的员工，也需要进一步地进行一些非日常操作的教育和培训。基于这种需求，本文，笔者依托于国内单阀组最高电压等级的宁东直流工程，设计开发了高压直流输电教学培训系统，用以对直流输电领域的运行和检修人员进行系统的培训，使他们能够更好地胜任高压直流输电领域的工作。

三、系统硬件组成

高压直流输电教学培训系统的硬件部分主要由教员机、学员机、投影系统以及把硬件部分连接起来的网络设备组成。整个培训系统硬件结构如图1所示。

四、系统软件组成

高压直流输电教学培训系统软件部分主要包括一次设备仿真部分、二次设备仿真部分以及运行人员监控系统，分别针对换流站中的一次设备、二次设备以及监控设备。其中，运行人员监控系统和换流站实际使用的系统相同。这样，对于换流站运行人员而言，面对的学习系统实际操作系统相同，从而达到教学和培训目的。一次设备和二次设备同样借助计算机技术实现，其中：一次设备部分利用三维虚拟显示技术实现整个换流站一次设备的模拟，使学员能够在场景中实地“观看”设备的动作和运行情况，并且“就地”操作这些一次设备；二次设备部分建立了两站的电网模型，可以模拟各种故障工况，能够培训和考核运行人员对于异常工况的处理能力。

五、系统功能及其实现

整个教学培训系统的主要功能包括4个方面，分别是教学功能、练习功能及自动评分功能和考核功能。这4个方面基本涵盖了一个完整的教学培训过程。每个教学培训过程一般先从教员的示范开始，即教学功能，示范后由学员依据所学内容自由练习，经过一段时间的练习后参加统一考核，便于教员了解学员的学习情况以及判断学员是否已经掌握了教学内容。在此过程中，自动评分系统一直运行于联系模式和考核模式下。

1.练习功能的实现方法。练习功能是在系统的练习模式下实现的。在此模式下运行时，2名学员为1组，即1名整流站学员、1名逆变站学员，本文，笔者以学员A和学员B代替。在其中1个学员站上启动数据模型，模拟整个端对端直流输电系统，学员AB的学员站上都启动数据服务和操作界面，此2名学员即可模拟操作一个完整的端对端直流输电系统。

在此模式下，学员A和学员B的操作首先经过本机的数据服务传递到数据模型中，然后经过数据模型处理后将其结果传递到学员A和学员B的数据服务中，最后反映到学员A和学员B的操作界面上。练习功能的数据流程如图2所示。

2.教学功能的实现方法。在教学功能下运行时，两个教员站之间按照学员练习模式组成一个完整的端对端直流输电系统，其中一个作为整流站，另外一个作为逆变站。在其中一个教员站上启动数据模型，该模型模拟整个端对端直流输电系统，教员站A和教员站B上都启动数据服务和操作界面。所有整流站的学员站启动操作界面，并连接到教员站A的数据服务上；所有逆变站的学员站启动操作界面，并连接到教员站B的数据服务上。

在此模式下，学员站可以查看到2个教员站之间的协调操作，从而达到学习的目的。在此模式下，教员站A和教员站B的操作首先经过本机的数据服务传递到数据模型中，然后经过数据模型处理后将其结果传递到教员站A和教员站B的数据服务中，最后反映到教员站和学员站的操作界面上。教学功能的数据流程如图3所示。

另外，对于具有一定基础的学员或者已经学习了一段时间的学员，可以在教员操作时跟随教员的操作，以达到演练的目的。同时，教员的操作都会显示在大屏幕投影系统上，学员可以随时观看到教员的操作流程和操作方法。

3.自动评分系统的实现方法。自动评分系统主要包括3个方面，即出题、答案和评卷。首先是题库的维护，包括题目的获取、添加、修改和删除。然后是答案的自动生成系统，用来给图库中的题目生成标准答案。最后是自动评分部分，该部分依据上一步骤中的标准答案和该学员的操作记录来评判学员对于该题目的完成情况，并给出评价。

（1）出题部分。所有的试题都以一个操作任务的形式保存在数据库中，所有教员站和学员站可以访问此数据库得到试题的列表，每个试题的表现形式都是一个以字符串表示的试题题目。在学员站获得试题列表后，只能选择题目来获得操作任务，不能对试题进行其他操作；在教员站上，可以操作数据库进行试题的获取、修改、添加和删除，操作方式就是基本的数据库操作。

（2）答案自动生成。在教员站上，选取一个题目后，系统可以为此题目生成答案，操作过程会记录下来生成操作列表，作为答案写入数据库中。所有的试题都使用字符串来表示和描述，所有操作也都以字符串来描述。在生成答案的过程中，教员的所有操作都生成一个用来描述的字符串，待操作完成后，所有操作记录即这些字符串列表均被写入到数据库中作为标准答案。

（3）自动评分过程。在学员站上，选取一个题目后，学员开始答题，所有操作过程会被记录下来，此部分和教员生成答案的过程一致。当操作完成后，所有记录的操作过程被上传至服务器中，以供自动评分系统使用。在本方法中，由于所有的操作记录为计算机自动生成，所以相同的操作在教员生成答案时和学员答题时生成的描述操作的字符串完全相同。在自动评分时，通过字符串比较，会把学员的操作记录和教员操作记录生成的答案进行对比。所有自动评分系统判定不正确的操作，会被记录下来，供教员复查，以便于针对此学员的错误进行纠正和特殊辅导。自动评分流程如图4所示。

4.考核功能的实现方法。教学功能是在系统的考核功能下实现的。在此模式下运行时，运行方式和练习模式时相同，其结构和数据流程都没有变化，差异在于在此模式下所有学员机的初始状态都是教员机确定的，并且所有学员在本机上的操作都会被记录自动评分，供教员给该学员评价时参考。

六、其他辅助功能

除了上述的主要功能，整个教学培训系统还实现了一些辅助功能，如操作票开票系统、故障设置、五防系统、学员管理及历史数据记录等。