基于虚拟仿真交互技术的变电站实训教学研究

于永进，吴 娜，李长云

（山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）

“发电厂变电站电气部分”是电气工程及其自动化专业的核心课程，是从事发电厂和变电站设计、运行、管理工作的工程技术人员需要重点掌握的知识，在电气专业的整个课程体系中占有重要的地位。“发电厂变电站电气部分”的主要课程内容包括发电厂、变电站概述，载流导体的发热和电动力，灭弧原理及主要开关电器，电气主接线及设计，厂用电接线及设计，导体和电气设备的原理与选择，配电装置，发电厂和变电站的控制与信号等。

从培养满足智能电网技术要求的专业技术人才的角度来看，传统的教学方法与设施存在教学内容滞后、学生感性认知度低、实践机会较少、实验操作具有危险性等不足，而基于虚拟仿真技术的变电站相关课程教学能够克服上述不足，成为变电站相关课程教学的重要辅助工具。虚拟仿真实验教学项目是拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平而采取的重要举措。开展电气专业的虚拟仿真实验教学，顺应教育信息化发展需求，解决了传统实验教学中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题，将高电压、高危险等实验“搬”进本科实验课堂，对于提高实验教学质量，培养学生的实践、创新能力具有重要意义。

在电力系统中，变电站是用来变换电压、集中和分配电能、控制电能流向和调整电压的重要场所。变电站作为电力系统的重要组成部分，其安全可靠运行对维持电力系统的稳定运行和保证供电的可靠性具有十分重要的意义。变电站虚拟仿真技术采用先进的仿真支撑技术和仿真建模技术，建立变电站及主接线的全物理、全过程的精确数学模型，逼真地模拟变电站的各种运行工况和各种故障现象。虚拟仿真技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的模拟环境，使用户沉浸到该环境中，比传统的讲课、字卡图卡或教科书等方法更加有效。把传统的教学课堂转移到变电站室外配电系统虚拟现场，进行现场教学，对断路器、隔离开关、电力互感器、电压互感器的高压电器进行现场讲解演示，利用虚拟设备进行设备的倒闸操作，创造真实的现场氛围。通过电力现场变电站设备巡视、倒闸操作、事故处理等各种实训操作项目，加强对一次设备、交直流系统、继电保护、自动装置、综合自动化系统等完整电网运行过程的分析与理解。

学生可以在虚拟仿真系统中近距离观察变电站每种设备的外观、接线方式及其内部结构，还可以模拟变电站的运行规范、操作过程与操作结果。例如，进行拉合隔离开关操作，既可以看到虚拟的隔离开关开合过程，又可以看到与之相关的其他电气设备的运行状态。变电站仿真系统主要由仿真支持系统、计算机系统、防误操作闭锁系统、变电站现场监控仿真系统、教员/学员系统构成［1］，通过虚拟仿真系统，可以直观了解变电站的整体结构，对变电站进行正常及模拟事故发生时的倒闸操作，提高学生对变电站设备设施的熟悉度等，很好地弥补了传统教学模式的不足，使学生对变电站的设备及各种操作有更为直观的印象和更为系统深刻的理解。

一、利用虚拟仿真系统展示变电站的结构

本科课堂教学注重理论分析，但大多忽视了课程之间的联系。变电站中的运行设备涉及“电机学”“电力系统分析”“继电保护”“高电压”等多门专业课，在仿真系统中将变电站整体结构展示出来，可以使学生更直观、系统地了解变电站的结构和实际运行情况，配合模拟倒闸操作和模拟事故处理环节，有利于学生将学过的知识串联起来，形成全方位、立体化的理解。

除了展示变电站整体外观，在仿真系统中还可以观察变电站中的各种电气设备结构以及变电站的实际接线方式，使学生对变压器、电抗器、电容补偿器、避雷器、高压柜等设备和实际线路的认知不再拘泥于书本。对变压器来说，在仿真系统中可以看到变压器的整体外观，观察到实际变压器的各个组成部分，如油枕、调压装置、呼吸器、散热器、防爆管等，在认识变压器结构的同时学生可以对组成部分的功能进行系统性学习，对变压器结构构成有一个全面的认识。对于电抗器和电容补偿器等，在仿真系统中进行学习，可以使学生形成感性认识。

在变电站设计及建设中，由进线、主变高压、主变、主变低压、低压出线等部分分别组合而成，每部分称为一个间隔。比如进线间隔，就是从线路尽头的电缆头开始，以线路侧地刀、线路侧刀闸、开关侧地刀、开关、母线侧刀闸、母线地刀组合而成，所有电气设备组成进线间隔。在仿真系统中也对各间隔进行了展示，帮助学生理解间隔的构成及意义。现在由于GIS组合式开关的大规模使用，已经可以将开关和刀闸用一体化的封闭SF6灭弧，各间隔的电气连接全部在封闭GIS内部完成。

继电保护室中放着保护各个主接线间隔的测控柜及实现变电站保护通信的保护柜，以及为防止进线段意外断电而保证保护室设备可靠供电的不间断电源等。当设备进行检修时需要到继电保护室手动切换保护方式；当进线需要暂时切断/投入时，需要手动合上/拉开二次空气开关，同时检查相关测控柜上压板的投入情况。在仿真系统中，可以对停送电进行模拟操作，或者进行突发事故模拟处理，此时除了在后台进行倒闸操作，也需要在继电保护室中进行相关压板的投退和相关空气开关的拉合等。同时，在仿真系统中建立了学习园区。学生可以在学习园区进行电力安全工作规程、仿真变电站运行规程、典型操作票和仿真变电站电气设备履历等学习，使学生认识到变电站中高压设备存在的危险性及按照规范操作票进行倒闸操作的重要性。

二、利用虚拟仿真系统展示变电站倒闸操作

在庞大繁杂的电力系统中，由于设备检修、设备投入或退出、增大电网建设规模或者出现紧急事故时，通过倒闸操作实现部分线路的停送电，来达到维护电网安全和为企业或居民区建设而扩大电网规模的目的。

在我国企业建立110 kV以上变电站中，主控设备上都安装有综合自动化系统和五防系统。综合自动化系统的作用是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术和通信设备及信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护以及与调度通信等综合性的自动化功能。五防系统是变电站主控系统中防止工作人员误操作的主要设备，任何正常的倒闸操作都必须经过五防系统的模拟预演和逻辑判断，以减少电网事故的发生。

发电厂机组倒闸操作按照工作流程可分为操作票填写、工器具准备、模拟操作、执行操作、操作检查及操作汇报6个过程［2］。在虚拟仿真系统中也建立了综合自动化系统和五防系统，系统界面和互动操作与实际变电站主控室中的系统如出一辙。学生可以学习电气“五防”的相关内容、操作票的填写、倒闸操作的步骤以及倒闸操作过程中的相关注意事项。在操作过程中可以提高学生对电站主控室操作台的熟悉度，使学生更加深刻地理解开关和刀闸的区别以及在“五防”条件下开关和刀闸的操作顺序，感受五防系统的存在对于电力系统安全运行的重要性。学生也可以在综合自动化系统中对电气主接线的结构、运行方式、接线方式的优缺点等进行学习。

当接到一项操作任务时，首先在五防系统中进行操作票开票，经确认无误后传至综合自动化系统，然后进行工器具的准备，例如若需要对开关设备进行检修，我们需要准备接地线、警示牌、绝缘鞋、绝缘手套等工器具。而后在五防系统中进行模拟操作的同时，在综合自动化系统中进行倒闸操作。倒闸操作时应有操作人和监护人，由经验更丰富的工作人员作为监护人，监护人唱票，操作人复述操作内容并执行操作。同时，应安排现场人员监视设备动作情况，确保现场对应开关或者刀闸机械的指示位置与综合自动化系统中的设备状态一致，在需要对二次设备进行操作时拉开/合上对应空开，或者投入/退出相应压板。在进行模拟倒闸操作时参考实际倒闸操作的过程，适当简化，得到如图1所示的模拟倒闸操作流程图。

图1 模拟倒闸操作

三、利用虚拟仿真系统模拟变电站事故处理

变电设备是电力系统的重要设备，是保障电力系统可靠运行的基础。如果设备的异常及缺陷没有得到及时处理，将直接威胁整个电网的稳定运行；若因设备异常原因造成大面积停电，会对整个经济生产以及人们的正常生活带来巨大影响。为了更好地保障电力系统的安全稳定性，需要提高设备的安全可靠系数，加强对设备的巡视和监控，及时查出事故原因，对事故进行处理，消除故障隐患［3］。变电站事故的发生常伴随变电设备异常的物理现象，如设备形变、色变、爆炸、油液外溢等，事故发生的原因大概率为工作人员风险意识淡薄、设备故障处理片面、专业技术人员短缺等，除了这些人为因素，事故的发生也受自然因素的影响［4-5］。

当变电站运行技术人员遇到事故和问题时，要根据自己的工作经验对事故原因迅速做出判断，并进行相应的预处理，这样可以使事故的危险性降到最低［6］。建立变电站仿真系统的事故处理模块，对于学生来说可以直接体会电网风险意识对于变电站运行技术人员的重要性［7］，对相关专业知识进行深刻的复盘，对变电站事故处理形成系统认识，为培养专业技术人员打下坚实的基础。

当运行中的设备发生故障时，首先根据综合自动化系统的报警信号、各装置的动作信号、继电保护室各测控柜和保护柜以及故障录波器信号等，确定保护动作的时间、类型、开关动作情况，综合各设备反馈的信息初步分析故障发生的原因；其次将保护、重合闸动作情况、故障类型及现场一次设备检查情况汇报给调度；最后接调度命令隔离故障设备，拉开故障设备侧刀闸。图2是运行中的变电站发生异常时进行事故类型判断的一般过程。

图2 事故异常原因判断

依据变电站运行技术人员进行事故处理的步骤，在仿真系统中可以完成模拟事故处理，具体过程如图3所示。通过在仿真系统中设置不同的事故异常信息，给学生下发模拟事故处理任务，根据各种异常报警信息，联系多门课程内容，直接锻炼学生判断事故类型的能力，也使学生对相关课程内容有了更深刻的理解。

图3 模拟事故处理

四、虚拟仿真应用于变电站教学的意义

将虚拟仿真应用于变电站教学，将变电站的实际环境通过虚拟仿真呈现出来，深度模拟变电站的故障情况，可以提升电气设备的可视化效果，强化学生的切身体验，将理论与实践更好地结合起来，深化对相关专业知识的理解，加强了对电气专业本科生工程实践、创新意识与综合能力的培养，帮助学生实现多种工程素质能力的提升，满足工程教育高素质应用型人才培养的目标和要求。

建立的仿真变电站平台能够紧跟行业发展的趋势，将现代信息技术与传统实验深度结合，产教融合，推进专业建设。采用变电站虚拟仿真系统进行模拟操作，既能防止教学设备损坏，降低设备维修和更换成本，又能保障操作安全，有助于降低教学成本，规避实验操作风险。