智能变电站继电保护与自动化技能实训的探索

吴义纯 傅 律 田 彦

安徽电气工程职业技术学院 安徽合肥 230061

智能变电站继电保护与自动化技能实训的探索

吴义纯 傅 律 田 彦

安徽电气工程职业技术学院 安徽合肥 230061

智能电网能有效提高电网的能源大规模调配能力和吸纳绿色能源能力，智能变电站是其重要节点，新技术对继电保护与自动化运维岗位技能水平提出新要求。高职教育以职业为导向，电气专业教学应主动适应智能变电站发展。本文从实训内容策划、实训环境建设、实训师资队伍管理等角度探索智能站继电保护与自动化实训教学，以提高学生学习兴趣和教学效果，缩短就业适应期，提高用人单位的满意率。

智能变电站；继电保护与自动化；技能实训；高职

坚强智能电网能有效提高电网的能源资源的大规模配置能力，消纳更多的风电、光伏发电等可再生能源的发电功率［1］，是世界电网发展的方向，我国智能电网的建设已经上升至国家战略层面的高度。在智能电网中，智能变电站是统一坚强智能电网的重要基础，支撑着系统的正常运营。智能变电站的继电保护与自动化系统与常规变电站有很大的不同，对继电保护与自动化运维岗位技能水平提出新要求。高职教育以职业为导向，基于岗位需求构建实践性教学，尽量缩短就业适应期［2］，高职学院的电气专业教学应主动适应智能变电站发展。本文从实训模块构建、仿真实训系统建设、实训师资队伍等角度探索智能变电站继电保护与自动化技能实训教学，强化“教、学、做”合一，构建知行合一理念的建设实训室［3］，应用模块化、项目化、案例教学的方法，提高学生学习兴趣和教学效果，帮助学生适应电力生产现场对技能的要求，提高用人单位的满意率。

1 智能变电站新技术对高职技能实训教改的要求

1.1 智能变电站的技术特点

智能变电站以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测制、保护、计量和监测等基本功能，可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动。［4］

智能变电站系统体系结构分为过程层、间隔层、站控层。过程层包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端，完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置、故障录波等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信。站控层包含自动化系统、站域控制系统、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站或一个以上一次设备的测量和控制功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。一个典型的“三层两网”模式的如图1所示，保护装置和监控装置处于间隔层。［5，6］

与常规变电站相比，智能变电站增加了过程层网络及设备，用于实现信息的共享以及间隔层设备与智能化一次设备之间的链接。从对应的角度看，智能变电站过程层网络相当于常规变电站的二次电缆回路以及间隔层设备的开入开出回路和采样回路。各智能设备之间的信息通过报文来交换，信息回路主要包括采样值回路、GOOSE开关量输入输出回路等。

变电站通过信息网络化实现了信息集成化，使变电站的整体设计、建设、运行成本降低。统一的信息模型，避免了规约转换，信息可以充分共享；用光纤代替电缆，有利于节省设备投资，模拟量输入回路和开关量输入输出回路都被通信网络所取代，以虚回路连接代替传统变电站的二次电回路，虚回路的连接以配置文件的形式体现，二次设备硬件系统大为简化，设计安装调试都变得简单，运行维护工作量也减小了。给运行、安全、设计、施工、检修、维护、管理等诸多方面带来直接或间接的经济效益、社会效益。1.2 继电保护技能实训教改的必要性1.2.1 实训内容方面

图1 典型的智能变电站系统体系结构

智能变电站主要包括智能高压设备和变电站统一信息平台两部分，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次设备及系统，继电保护及自动化作为智能变电站所要实现的基本功能，是向计算机化、网络化、智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展，实现了自动化与保护的有机融合和一体化，对继电保护及自动化运行和维护岗位技能有了新要求。高职教育以培养满足职业岗位需要的高素质高技能型人才为目标，教学过程要与生产过程对接，及时跟踪行业发展对技能的新要求［7］，有针对性地调整岗位实训教学内容，适应电网高新技术的发展和变革，缩短学生就业适应期。

1.2.2 实训设施方面

实训室是进行技能实训的基础，良好的实训环境、合理的结构配置、网络架构对能否取得好的实训效果意义重大。智能变电站设备智能化水平提升，对岗位操作技能有新要求，需要分析智能化设备特点，结合仿真技术，开发新型实训平台，建设先进的实训环境，提高对新技能的实训效果。

1.2.3 实训师资队伍建设方面

师资队伍是保障实训教学水平的关键，智能变电站新增了新知识点，老师原有的知识要及时更新，需要及时开展相关的教学研究工作，把握专业发展方向和动态，了解行业新技术发展，更好地指导学生的实训。

2 实训内容增加智能化模块

高职学院人才培养从实际岗位需要出发，以市场需求为导向，从职业分析入手，在工作岗位、工作任务、工作过程、岗位技能分析的基础上，确定知识、能力培养目标和要求，教学过程与生产过程对接，及时跟踪行业发展对技能的要求，突出技能实训，编排项目化、模块化的实践课程结构。［8-9］

先分析智能站在新技能的特点，找出与常规站的区别，有针对性地制定实训教学内容，进行教学分析，形成一套整体的教学模块，以便根据实际教学需要进行选择。为了适应继电保护专业和自动化专业的融合，在智能变电站保护实训中整合资源和开发实训子模块，实训内容上要考虑以下几点［10］：

（1）要增加智能变电站模块，旨在使继电保护与自动化专业岗位人员对智能变电站的构成、特点及工作原理有一定认识，了解智能变电站二次识图和二次安装调试流程，了解全站系统配置文件SCD（Substation Configuration Description）文件的配置、智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）的配置、面向通用对象的变电站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）报文的解析及智能变电站各种继电保护装置的调试。

（2）要对比智能站与常规站在变压器、线路、母线、变压器等保护的差异，在此基础上熟悉其技术特点和技能操作。

（3）要熟悉PCS9700等综自系统的安装调试，测控装置的检修与调试。

实训模块组成如表1所示。

表1 智能变电站继电保护技能实训模块

在实际变电站中既有智能站，还有不少常规站，都需要技能操作人员。高职学院在电气专业继电保护实训课程中，应根据行业发展情况加入上述智能站模块，及时为企业提供亟须的技能人才。学生在实训中可自己去选择，不少学生往往对智能化有好奇心，根据兴趣参加智能站实训，再将学生分组。将整个实训当作一个模拟项目，根据实训的模块，将项目分解几个小项目，让学生参与角色扮演，承担小项目或子模块的操作和维护任务，最后共同合作完成整个实训任务。

3 建设逼真的仿真实训系统

实训室是进行技能的基础，常规变电站实训中，变电运行专业依靠数字仿真培训系统，继电保护专业依靠真实保护装置。现有面向传统变电站的实训系统远远不能满足智能电网发展的要求，数字仿真培训系统由于存在不足是受训人员只了解监控界面的操作，对真实的测控、保护等二次设备无法全面认识，有必要建立针对智能变电站保护和自动化专业的实训环境，在全数字仿真基础上配备了与现场一致、真实的继电保护等装置［11-12］，提出了一种基于实时仿真技术的变电站数字物理混合仿真与培训方案，即将智能电网实时仿真平台、面向智能变电站培训的电磁暂态仿真软件、符合IEC61850标准的IO接口、真实的智能变电站二次设备、真实的直流系统、真实的监控系统、真实的二次回路、断路器与刀闸及操作机构模拟装置、二次回路故障模拟装置、教员系统有机结合于一体的智能变电站继电保护及自动化实训系统，营造了更为逼真的运行环境。

在混合仿真环境开发中，数字电网仿真要具有高度的真实性、实时性、一致性和可靠性，其中电磁暂态实时仿真是关键，在传统电网仿真的基础上，针对智能电网新技术，增加了新型电力系统智能设备的模型，建立了交流电压源、多相分布参数输电线路、变压器、负荷、断路器、整流器、逆变器、交直流滤波器、平波电抗器各类刀闸以及集中电阻、电感和电容等一次设备的电磁暂态模型，实现了可以支撑电力电子设备、新能源等智能电网新技术仿真的智能电网实时电磁暂态仿真。同时，建立了母线、线路、变压器等设备的短路和断线等故障模型，也可以进行任意的组合以构建更为复杂的复合故障模型。

智能变电站数字物理混合仿真实训系统不但能够模拟电网一次设备发生的各类故障，还能够模拟二次回路和通信网络故障，能够可以实现对变电站二次系统调试检验、缺陷分析、故障排查与处理等技术技能培训［13］，一定程度上提高了继电保护内容的实训效果，能满足电气专业的继电保护及自动化、变电运行、调度运行等岗位技能实训的需求。

4 加强优质师资队伍建设

随着智能电网技术的发展，电子式互感器、智能高压电气、光纤以太网络和IEC61850标准通信等新设备新技术在智能变电站中不断地得到了应用，对实训师的新技术、新技能提出更高的要求，师资队伍建设至关重要。

智能变电站快速发展，不少新技术如数字互感器等还在应用中不断完善，首先，需要聘请来自生产和研发单位的工程技术人员和培训师承担关键部分内容的理论和实践教学。

其次，在实训室建设过程中，以校内骨干教师为核心，通过项目建设和系统调试，能够很好地锻炼师资，整理和收集项目完成后专业技术资料，消化和吸收新理论、新技术等，也是提高技术技能水平捷径。

最后，职业院校师资队伍建设离不开行业企业的支持，学校挑选理论基础扎实和有常规变电站技能培训经验的骨干教师，送到电网企业生产现场和智能电力设备生产厂家去学习和参加实践，听现场专家讲解，让骨干老师及时熟悉智能变电站新技术、新技能，尽快适应培训教学要求；逐步由以外聘兼职师资为主过渡到以校内专职为主、外聘为辅的师资队伍。［14］同时，职业院校为电网企业提供职业培训是电气高职院校服务社会的主要形式之一，整合教育培训资源，充分利用先进的仿真实训环境［15］，探索智能变电站专业培训，特别是高技能人才培养，师资队伍在企业培训教学中不断成长，实现校企双赢。

5 结束语

智能变电站的快速发展迫切需要高素质的继电保护技能人才，有针对性地开展智能站实训是提高高职学生技能水平、适应智能站运行维护要求、缩短就业适应期的有效途径。针对智能站新技术特点开发相应的实训模块，建设数字物理混合仿真实训系统，整合资源解决优秀师资配置问题，提升实训效果，为智能电网发展所需人才资源做出贡献。

［1］刘振亚.智能电网技术［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］兰虎，杨丽丽，陶祖伟.校企合作创新课程实训新模式［J］.实验室研究与探索，2013，32（8）：192-196.

［3］程蓓，朱飙.以知行合一的理念建设专业教学场所［J］.实验室研究与探索，2009，28（9）：169-172.

［4］Q/GDW 383-2009-智能变电站技术导则［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［5］高东学，智全中，朱丽均.智能变电站保护配置方案研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（1）：68-71.

［6］李孟超，王允平，李献伟.智能变电站及技术特点分析［J］.电力系统保护与控制，2010，38（18）：59-62.

［7］ 俞卫阳，姚超英.高职实训中心“工学结合”教学模式的研究与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（3）；198-200.

［8］涂群岚，吕亨龙.职业导向的高职建筑施工课程项目式仿真教学实证研究［J］.教育与职业，2014，（21）；118-119.

［9］刘辉.基于职业活动导向的高职营销与策划专业模块化课程体系构建［J］.教育与职业，2014，（26）：130-131.

［10］冯军.智能变电站原理及测试技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［11］程思宁，耿强.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践［J］.实验技术与管理，2013，30（7）：94-97.

［12］梁旭，张萍，胡明亮.基于实时仿真技术的变电站数字物理混合仿真与培训系统［J］.电力系统自动化，2005，29（10）：79-81.

［13］陈岚，徐磊.华东电网培训中心继电保护实训系统的设计与实现［J］.华东电力，2011，39（10）：1679-1681.

［14］王志秀，张吉月，蓝波.电类专业电学基础技术课程改革与实践［J］.实验室研究与探索，2014，33（5）；179-183.

［15］吴义纯.电气类高职院校开展智能电网培训的探索［J］.安徽电气工程职业技术学院学报，2012，17（1）：115-118.

Exploration for Intelligent Substation Relay Protection and Automation Skills Training

Wu Yichun， Fu Lv， Tian Yan
Anhui Electrical Engineering Professional Technique College， Hefei， 230022， China

Smart grid can effectively improve the grid energy large-scale deployment and the absorbance of green energy. Intelligent substation is an important node of smart grid. New technology makes new demands on relay protection and automation operation and maintenance personnel skill level， which electrical professional teaching should take the initiative to adapt to the development of smart substation according to higher vocational education oriented by occupation. This paper explores the practice teaching of relay protection and automation in intelligent substation in term of the practice training program scheme， the construction of practice training environment， the management of skills training teachers， which improves students' learning interest and teaching effect， and shortens the adjustment period of employment， and raises the satisfaction of the employer.

intelligent substation； relay protection and automation； skills training； higher vocational colleges.

2015-03-09

吴义纯，博士，教授，安徽省级名师。

2013年安徽省级质量工程项目“发电厂及电力系统专业综合改革试点”（编号：2013zy155）；2013年安徽电气工程职业技术学院院级重点课题（编号：2013zdxm003）。