高压输电线路防污闪仿真培训系统的设计和实现

2012-08-18张锐胡毅

电气技术 2012年1期

张锐胡毅

（国网电力科学研究院，武汉 430074）

根据国家电网公司特高压输电发展战略规划，未来几年交、直流特高压输电工程将陆续建设[1-4]，电网建设飞速发展,因此将有一大批基建、生产、运行、管理人员投身于高压输变电工程建设。因此，为提升电力系统的安全可靠运行水平，需要及时跟进先进技术发展步伐，不断开展各类生产、技术和管理培训，提高电力系统设计、基建、运行和维护检修人员的技术水平。

目前，新进员工的岗前教育和在岗人员的在职培训均以教材为主，现场操作和技能培训限于时间和场地无法有效开展。因此，仅依靠传统方式开展人员培训已不适应当前电网快速发展的需要。目前，伴随着计算机技术、系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已经渗透到各行各业，并发挥着重要作用，尤其是电力系统领域应用广泛[5-9]。例如，在电力系统中应用较多的是变电站仿真培训[10-16]，则是利用计算机虚构出一个与实际变电站运行状况相同或相似的仿真环境来对学员进行操作训练和技术培训，其最大优点是解决了真实变电站现场设备不可随意操作而带来的人员培训难题。因此，仿真培训是一种现代化的、高效率的培训手段，是提高操作工技能的一种有效途径。

与变电站仿真培训大量应用不同的是，输电线路领域的仿真培训则很少涉及，这主要是两者运行环境不同和传统习惯所致。一方面，输电线路距离长、设备多、专业面广，实际运行环境复杂多变，且日常检修内容和运行维护工作量大，单一的数学建模难以再现一个真实的输电线路；另一方面，与变电站不同的是，输电线路部分专业和领域的技术教育和操作培训可在实验室或特定现场模拟进行，例如防污技术、带电作业等。实际经验表明，这种培训方式的效果有限、效率不高，且有一定的局限性。因此，借鉴变电站仿真培训系统的成功应用，研究开发输电线路专业领域的仿真培训系统，其意义重大。

本文重点对高压输电线路防污闪技术领域的仿真培训系统研制进行了阐述。该系统的开发，基于现有的基础理论、技术认识和国家电网公司交流特高压试验基地平台，汇总已有的科研成果和运行经验，结合现代计算机虚拟技术，辅以多种表现形式（包括视频、Flash动画等），建立技术知识可视化界面和操作技能教学仿真环境，多角度阐述技术要点，实现培训目的。

1 培训系统总体结构设计

根据高电压绝缘理论和防污技术结构体系，结合电力工程应用，设计的高压输电线路防污闪可视化培训系统总体结构设计如图1所示。

图1 高压输电线路防污闪可视化培训系统总体结构

2 培训系统功能设计

2.1 理论培训

本部分建立了一个防污闪技术资料库，包括污闪事故的起因、各类绝缘子的运行特性、设备绝缘水平的选择、外绝缘设计的方法、污闪防治技术及对策、绝缘子在线监测技术和应用等。本部分重点分析了我国以往污闪事故频发的根本原因，详细阐述了各类绝缘子的积污特性和运行水平，并结合1000kV交流输电线路绝缘子长串污秽特性及污秽外绝缘设计的课题研究，系统讲述了如何通过污耐压试验方法正确、合理地确定设备的绝缘配置和选型。本部分还结合运行实际介绍了工程中广为使用的各类防污技术和措施，并详细阐述了其技术特点和注意事项，使受训人员对污秽外绝缘设计和防污技术不仅有一个较为全面的理论上的了解，也从运行角度上给出工程实际应用的指导性意见。具体包括：

1）污闪事故及其危害

对近30年电网主要污闪事故进行了回顾，指出加强防污闪技术管理培训、提高各类人员理论水平的重要意义。

2）各类绝缘子简述

介绍国内主要使用的瓷、玻璃、复合三大类绝缘子的结构、型式、制造、设计、运行、市场等情况。

3）绝缘子运行要求

结合实际运行条件，介绍了绝缘子在运行中可能承受的各类电气和机械负荷。

4）绝缘水平的选择和确定

防止污闪事故的发生的根本措施是正确、合理地确定各类设备的绝缘水平。本部分对绝缘配合的确定原则、各级电压等级设备绝缘水平的选择进行了介绍。

5）污闪机理

本部分对绝缘子表面的积污、湿润、局部电弧的出现和发展等过程进行了初步分析，使读者对污闪过程有一个微观认识。

6）污秽绝缘子的放电特性

本部分介绍在不同电压下的绝缘子污秽特性，以及结构形状对绝缘子串污闪特性的影响。

7）绝缘子的积污特性

本部分详细阐述了影响绝缘子积污程度的各类因素，包括运行电压、气象条件、运行环境、绝缘子结构等，分析了交直流电压、不同污秽成份和污秽性质对绝缘子污秽特性的影响以及各类绝缘子的积污规律。

8）影响绝缘子污闪的主要因素

本部分对运行电压、污秽成份、海拔高度、硅橡胶复合绝缘材料对绝缘子闪络特性的影响进行了深入分析。

9）外绝缘设计方法

本部分分析国内以往在外绝缘设计方法上所存在的问题，介绍了外绝缘设计的基本理论和设计原则。结合 1000kV输电工程研究，本部分详细给出了采用污耐压法进行污秽外绝缘设计的步骤。

10）污秽度的测量和检测

污秽外绝缘设计的前提是正确掌握设备运行地点的污秽水平，因此正确测量现场污秽度尤为重要。本部分详细介绍了现场污秽度的标准化测量用设备、步骤、方法、计算等问题。

结合运行实际，重点介绍了绝缘子表面污秽测量方法：包括绝缘子污层电导率法、泄漏电流法和绝缘子表面等值附盐密度法等。

11）污秽试验和外绝缘设计

本部分讲解污秽试验的要求和条件，并结合1000kV输电线路污秽研究课题，介绍了污秽试验方法、1000kV长串绝缘子的污秽特性、1000kV输电线路污秽外绝缘配置等科研成果。

12）污闪防治技术及绝缘子劣化检测

重点介绍了几大防治技术和对策，包括复合绝缘子的选用、清扫和水冲洗、防污闪涂料、污区图的制定及修订等。本部分还对目前常用的污秽在线监测、红外在线检测、紫外在线检测、超声检测等技术和应用进行了介绍。

2.2 操作培训

本部分针对输电线路专业中涉及防污工作的常规操作进行多媒体专题培训，包括等值附盐密度（Equivalent Salt Deposit Density，ESDD）和不溶物密度（Non Soluble Deposit Density，NSDD）的标准化测量、绝缘电阻测量、绝缘子劣化检测、现场检测等内容。

等值附盐密度（ESDD）和不溶物密度（NSDD）的标准化测量是按照 Q/GDW 152-2006《电力系统污区分级与外绝缘选择标准》[17]进行设计，并结合各地传统做法和运行经验总结而成。对于绝缘子劣化检测，则根据DL/T 741-2004《架空送电线路运行规程》[18]、DL/T 626-2005《劣化盘形悬式绝缘子检测规程》[19]和DL/T 864-2004《标称电压高于1000V交流架空线路用复合绝缘子使用导则》[20]，详细设计了瓷绝缘子、玻璃绝缘子、复合绝缘子的劣化检测内容、判断标准、记录形式等。

对于每一个操作项目，培训系统均按图2所示的构架进行细化，将操作流程、常用仪器和工具标准化、统一化，并通过各种形式详细讲解操作过程中的关键细节和注意事项。例如，对于 ESDD和NSDD标准化测量，通过实景录像和flash动画，可使学员迅速、高效地掌握ESDD和NSDD测量方法和细节等相关操作技能。

图2 操作培训总体结构

2.3 仿真培训

该部分主要功能是对绘制污区分布图、外绝缘设计和配置选择、绝缘子清扫和带电水冲洗等进行动态仿真分析，并掌握常规故障的分析和处理。该系统软件为交互式二维和三维虚拟软件，可模拟参数改变后的平面或立体效果，是集教学、自学为一体的多媒体网络版实训软件。

污区分布图的绘制是根据国家电网公司生产部组织制定的《电力系统污区分布图绘制规则》进行设计的。该软件系统根据国网电力科学研究院多年各地区污区分布图的绘制成果和经验总结，在电网地理接线图上设计多种类型的污源分布信息、气象资料、环境信息、现场污秽度测量数据、运行经验等，受训学员需根据不同的现场环境和运行工况模拟，通过仿真培训，正确掌握污区分级标准和污区分布图的绘制要求、步骤、技术特点等。外绝缘设计和配置选择是根据国家电网公司科技项目《1000kV交流输电线路绝缘子长串污秽特性及污秽外绝缘设计》研究成果而编制的一个软件，它通过自动改变环境参数和设计要求，使受训学员掌握不同条件下的外绝缘设计流程、选择方法和配置原则。

绝缘子清扫和带电水冲洗则是针对特高压线路特点，在总结现有绝缘子清扫和带电水冲洗工作的基础上，结合虚拟现实等信息技术，开发了适用于1000kV交流特高压线路绝缘子清扫和带电水冲洗的仿真培训系统。主要内容包括：建立特高压绝缘子清扫和带电水冲洗作业中所用的工器具模型与资料数据库、建立三维特高压交流线路典型场景、设计基于虚拟现实技术的三维数字模拟操作平台等。重点阐述了人工停电清扫、机械带电清扫和落地清扫三种常规清扫方法及移动式与固定式两大带电水冲洗作业方式、步骤、安全防护和注意事项，并可监测培训过程，及时指出各类操作错误。该系统还可进行误操作的模拟和故障设置，使学员能够对绝缘子清扫和带电水冲洗作业程序、要求和技术特点等有较深刻的认识。

2.4 技能考核

该部分主要功能是完成对受训人员的信息管理、运行设置和对受训人员的技能鉴定、培训考核。它主要由在线测试题库、培训考核管理和系统管理三部分组成。仿真培训的目的是提高受训人员的基础理论水平、操作熟练程度以及应对故障的处理能力，所以该培训系统需要一个客观准确的技能培训和考核系统。该系统功能主要是对受训人员的操作特征数据进行统计，然后建立评估模型，根据一定的评价标准给出评价结果，其目的在于找出受训人员与训练标准的差距，尽快提高水平。通过该系统，教员可以从题库中任意抽取题目，对学员进行考核。系统自动对学员所做的解答与标准答案对比，从而给出评分。系统管理主要由学员信息管理模块和运行设置模块组成。学员信息管理模块的主要功能是有效管理学员的个人信息、培训信息和考核信息。运行设置模块包括初始参数设置和模型访问权限设置两个方面。

3 培训系统的实现

3.1 系统架构

本系统基于Quest3d平台和VC++6.0软件开发而成。系统总体框架设计按照C/S架构模式设计网络管理系统、数据存储与网络数据库。采用面向对象的实现方法，系统内各个部分实行模块化管理，提供直观、友好且功能强大的图形界面，其总体物理结构图设计如图3所示。采用Quest3D核心引擎中的渲染系统（如图4所示）完成几何图形、文本在屏幕上的显示。

图3 C/S模式设计

3.2 系统界面和表现设计

图4 核心引擎

系统界面应用MFC开发系统主界面，然后调用Quest3d，完成各子程序制作，并在Quest3d中完成界面的调用和功能实现。表现部分主要利用有限状态机控制程序运行流程，对各知识点的文字、图片、视频、声频的出场次序、时间长短进行控制。图 5所示是MFC开发主界面。

图5 MFC开发主界面

操作者只需在界面上用鼠标按动按钮或对话框等图符，就能对所控制的变量进行修改、设定等操作。这些交互式动画控件主要采用 Flash 作为主要的交互式动画设计工具，是将音乐、声效、动画以及富有新意的界面融合在一起。每个动画控件均具备多个属性，属性值通过该控件的数据交互接口获取实时数据库的相关参数信息，既能模拟实际运行状态也能根据用户操作实时更新表现形式。

3.3 数据库管理系统

采用MySql 4.1进行数据库管理系统设计，对用户信息、引用文件和数据进行管理。数据和信息的传递主要采用动态数据交换技术实现，由主控程序组织、管理和控制。采用 Client/Server模式，以主控程序作为服务器，将应用软件和内存数据库作为客户程序，在模块间建立热链接关系，实现数据和信息的动态交换与连接。

4 后续研究方向

4.1 系统升级

随着污秽外绝缘和防污闪技术领域的不断发展以及用户需求的增加，该培训系统所涵盖的专业知识需要持续完善和补充，包括专业术语、标准规范、仪器设备、新兴技术等。随着新型绝缘设计和材料的出现，相应的控制和治理措施也在不断改进和完善，相应的培训知识也需要进一步更新，培训内容与工程变化保持一致，动态完善。技能考核的试题库也需要不断更新，并根据用户的具体情况以及技术发展，设计更加科学有效的考核办法和方式来测试培训效果，推动专业技术人员自身能力的持续改进。

4.2 提高仿真度

进一步改进数学模型，建立更为自然、高效、逼真、灵活的人机和谐的仿真环境，使培训人员能更好地从虚拟环境中获得对深刻的感性认识和理性认识，从而较快速、高效提高培训人员的理论水平和操作技能，最终取得良好的培训效果。

5 结论

设计与实现的高压输电线路防污闪仿真培训系统可用于输电线路专业技术人员的培训，满足电网快速建设与运行维护对线路工技能培训的需要。该系统基本上囊括了污秽外绝缘所涉及的各个领域，反映了污秽外绝缘和防污领域的先进技术，是我国多年防污工作的总结和积累。本系统在实现中充分利用多媒体技术，融合了图形、图像、声音和Flash动画为一体，交互性强，教学质量和效率高，培训效果显著。

[1]徐永禧.特高压输电研究的过去及今后工程的预测[J].国际电力,2004,8(6): 33-36.

[2]舒印彪.1000 kV交流特高压输电技术的研究与应用[J].电网技术,2005,29(19): 1-6.

[3]吴敬儒,徐永禧.我国特高压交流输电发展前景[J].电网技术,2005,29(3): 1-4.

[4]袁清云.特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景[J].电网技术,2005,29(14): 1-3.

[5]陈礼义,顾强.电力系统数字仿真及其发展[J].电力系统自动化,1999,23(23):l-6.

[6]张欣,饶国辉,黄浩然.特高压直流输电培训仿真系统的实现[J].电力系统保护与控制,2008,36(24):76-78.

[7]张晋华,刘云,印永华,汤涌.特高压交/直流电网仿真技术研究[J].电网技术,2007,31(23):1-5.

[8]汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展[J].电力系统自动化,2002,26(l7):66-70.

[9]张慎明.新一代电力系统教学培训仿真系统的设计和实现[C].北京:全国电网调度自动化、仿真技术学术年会论集,2000.

[10]姜芳芳,来文青,龚庆武,姜季萍.虚拟现实在变电站仿真培训系统中的应用[J].高电压技术,2005,31(7):68-70.

[11]王邦志,林昌年,蒲天骄,杨选怀,周健真.变电站集中监控仿真培训系统的设计与实现[J].电网技术,2004,8(15):21-24.

[12]陈璟华,陈少华,夏锐,唐明.变电站培训仿真系统及其教学应用[J].广东工业大学学报,2003,12(4):48-52.