虚实结合的仿真变电站实训平台建设

郑晓丹，罗云霞，彭学虎，张美燕

实验教学示范中心建设

虚实结合的仿真变电站实训平台建设

郑晓丹，罗云霞，彭学虎，张美燕

（浙江省水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310016）

我院的仿真变电站实训平台，以有效训练电力专业典型岗位技能、培养学生综合运用专业知识能力为建设目标，以虚拟仿真变电站和实际物理设备相结合为建设思路，建成了虚实结合的仿真变电站实训平台，使学生在虚拟与现实的双重环境中开展实验实训，有效提高了实践效果。该文介绍了仿真变电站实训平台的设计思路、构成及特点，以及籍此开发的实验、实训项目。

虚实结合；仿真变电站；电力；实验实训

电力专业是我校的老牌专业，为浙江省小水电行业培养了大量一线技术人才，被誉为浙江省水电人才培养的“黄埔军校”，这得益于其一贯践行的理论与实践并重的教学理念。“十三五”开年，以电气工程及其自动化专业（即升本前的电力专业）为领头羊，与新能源科学与工程、自动化等专业共同构成的电气学科获得浙江省一流学科建设机会。做强做实电气工程及其自动化专业、引领专业群建设、培养应用型人才、服务经济社会发展，为我专业当前的首要任务。

电气工程及其自动化专业学生就业主要面向电力企业，而电力系统安装调试和运行维护是电力企业典型就业岗位，其知识核心围绕变电站（发电厂）电气部分展开，分为电气一次和电气二次。一次部分要求学生了解电气主接线上所有设备的名称、作用，且能够进行操作，并能在此基础上作出分析，作为运行维护、安装调试的依据，最后还要达到进行电气初步设计的程度，要懂得变电站（发电厂）选择不同类型设备的原因，以及这些设备组成的通路特点（即主接线形式）。二次部分要求学生懂得如何对通路（即主接线及其上设备）进行控制，当通路本身或其中的元器件出现问题时如何发出信号，如何通过调节使产出的电气量符合系统要求等。针对这些专业特点，开展了以CDIO教育理念为引领的教学改革，通过职业核心能力、工程基础能力、专业基本能力、专业综合能力等4大能力平台构建了全程能力培养体系，实现了对学生的能力、素质、知识的一体化培养。

专业综合能力培养主要依托项目进行，实现教、学、做一体，而设计良好的实验实训平台是开展项目教学的有力保障。为此，针对本专业主要典型就业岗位——电力系统安装调试和运行维护所需的技能，紧跟电力发展步伐，建设了虚实结合的仿真变电站实训平台[1-2]。

1 仿真变电站实训平台

仿真变电站实训平台主要由模拟实际变电站的三维仿真部分和真实的高压开关柜（一次部分）、线路保护柜（二次部分）等物理部分组成，学生既可在仿真变电站中操作演练，也可在现场真实感受实际设备、学习设备操作[3]。

1.1 实训平台三维仿真部分

实训平台的三维仿真部分由2台教员机、26台学员机、2台投影仪连成一个局域网，网内运行3个仿真变电站，以真实存在的110 kV、220 kV、500 kV国网所属新型变电站为原型，利用图形建模技术对变电站的一次设备、二次屏柜进行3D仿真，让学生在虚拟三维场景中完成对变电站一次设备的各种实际操作。还可对变电站进行运行监视、控制、调节（即二次部分），以及批量设置各种故障进行反事故演练[4-5]。

仿真变电站的组成包括：具有良好鲁棒性的仿真系统支撑平台；采用机电暂态和实时故障计算仿真算法的虚拟电网仿真；变电站保护及操作巡视仿真系统；变电站三维虚拟场景系统；仿真变电站自动评价考核系统；仿真变电站操作票系统；使用教员系统和学员系统通用软件的教员管理系统[6-7]。

局域网内的教员机和学员机均为一机带二屏配置，可分别显示主接线graph界面和变电站三维VR场景，仿真系统支持同时运行多个教员机和学员机。图1为110 kV变电站主接线graph界面，点击打开导航下拉菜单，出现主接线导航图后，点击主接线上任何一个设备，便可切换到该设备三维VR场景，可在三维VR场景对设备进行巡视操作。如左键点击刀闸、地刀，会切换到开关柜正面操作把手处，右键点击刀闸、地刀，会直接切换到刀闸、地刀的刀口处。

图1 110 kV变电站主接线graph界面

1.1.1 变电站一次仿真

110 kV、220 kV、500 kV变电站现场一次设备部分的仿真，利用了3D技术，根据现场一次设备的真实外形建造模型，形成虚拟现实，形象逼真。学生可使用键盘和鼠标在现场漫游，仿佛置身于真实的变电站中，还可按运行规程要求，依照巡视路线进行设备漫游巡视，既可全方位认识设备，又可训练变电运行值班岗位的巡视工作技能。仿真系统中一次巡视项目主要有主变压器巡检、高压断路器巡检、低压断路器巡检、隔离开关巡检、电流互感器巡检、母线PT巡检、避雷器巡检等。此外，仿真系统对变电站内各主要设备的巡视点还进行了异常仿真，教师设置故障后，相应的一次设备部分会有异常现象出现，学生可以通过巡视予以发现。

该仿真系统还能训练变电运行值班岗位所涵盖的所有设备操作技能，包括断路器分合操作、隔离开关分合操作、接地闸刀分合操作、变压器停送电操作，以及验电、挂地线、设置围栏等。

倒闸操作是变电运行值班岗位必备的综合技能。该系统使用图形化单步生成操作票，在图形界面下用鼠标顺序点取操作对象，系统会根据点取的对象自动生成相应的操作内容，或自动提示操作内容。系统根据内部提供的防误规则随时跟踪操作，如出现错误操作则会以语音形式提示，并锁住当前点取的操作对象，使操作无效。对每张给定的操作票，系统可在图形界面上建立一个演示环境，将操作设备和相关的一、二次网络元件及其在操作前的状态显示在屏幕上，将操作票的任务和内容以文字方式在信息窗口中逐项显示。操作票内容每显示一行，就可在操作厂站的主接线图上将开关、刀闸、地刀和保护操作票的内容进行变位，产生一个直观的操作过程，用以提醒开票人员，实现操作票预演。

1.1.2 变电站二次仿真

变电站二次仿真根据各保护系统的原理图或者二次展开图，利用图形建模软件进行元件搭接，并按提示输入各元件的名称及参数，完成测量、控制、继电保护、信号等二次系统的图形建模，自动形成测量值采集及逻辑回路的运算和信号输出。系统的各种保护及控制界面与现场实际一致，逼真地反映了变电站控制系统、保护系统及自动装置等的运行工况、功能和操作切换，满足变电站运行监视、倒闸操作、故障分析和事故处理要求[8]。

以110 kV仿真变电站为例，按照设计要求，配置了110 kV变电站目前流行的继电保护和自动装置。仿真变电站主变压器保护配置了常用的RCS-9661C非电量保护装置、RCS-9671C变压器差动保护装置、RCS-9681C变压器后备保护测控装置、RCS-9703C测控装置、RCS-9651C型备用电源自投保护测控装置、10 kV备自投装置、RCS-994A型频率电压紧急控制装置、SH2000C型电力故障录波测距装置。其中，RCS-9681C变压器后备保护测控装置包括复合电压闭锁过流保护、接地零序保护、不接地零序保护，可通过控制字选择间隙零序电压过流保护方式、过负荷发信号、启动主变风冷、过载闭锁有载调压等；RCS-9703C测控装置主要用于站内主变本体及低压侧测控，拥有单断路器测控、分接头调节、地刀控制及与用于温度、直流系统测量的常规变送器接口；RCS-9651C型备用电源自投保护测控装置，可对各电压等级、不同主接线方式的备用电源，实现自投逻辑和分段断路器的过流保护和测控功能；10 kV备自投装置的功能是分段保护与备自投，集保护功能和测控功能于一体；RCS-994A型频率电压紧急控制装置用于低频低压减载或低频低压解列；SH2000C型电力故障录波测距装置使用32位浮点DSP进行采样，使用嵌入式104工控机进行数据处理。

此外，还依照真实变电站配置了RCS-9611C线路保护装置、站用变保护装置、RCS-9621C型电容器保护装置、XK-XH型消弧线圈自动控制成套装置、ZZG13-10220系列智能高频断路器电力操作电源系统、UT2001型微机五防系统等。

系统管理平台（后台机）型号为RCS-9700，监控系统采用Windows 2000系统，能够提供的功能包括：数据采集和处理、报警处理、事故追忆、数据库建立和管理维护、历史记录处理、操作控制、防误闭锁、系统自诊断与自恢复、时钟同步功能、画面显示和打印、运行管理、报表功能、网络拓扑分析功能及功能强大的图形生成功能等，能够支持电力行业标准规约。同时，仿真变电站综合自动化界面的所有操作和显示，具有遥测、遥信、遥控、遥调功能。

1.2 实训平台物理部分

平台物理部分建设了110 kV变电站一次系统组屏、系统故障设置柜、10 kV高压柜、1#主变压器保护柜、1#主变压器测控柜、电气二次控制保护信号综合实验屏、上位机监控系统和学生监控系统开发设计平台等。

1.2.1 一次系统组屏

变电站一次系统组屏使用马赛克材料，屏上各元件均以小带大，采用一定微缩比制成。一次系统包括110/35/10 kV共3个电压等级，2台有载调压主变并列运行，主变连接组别为YN、yn0、d11，分别对应变压器的高、中、低压侧，110 kV侧两路进线，直接采用市电模拟，每路设有智能电量监测仪表，可实时显示各种运行电量参数。110 kV和10 kV母线均采用单母分段形式，35 kV母线采用双母线接线。

35 kV侧I段母线和II段母线分别设置1组三相五绕组电压互感器，提供保护、测量及绝缘监测信号，同时设有4路馈线。

10 kV侧I段母线和II段母线分别设置1组三相五绕组电压互感器，提供保护、测量及绝缘监测信号，I段母线与II段母线之间设有联络断路器。每段母线除各设有2路馈线外，还分别设置一组无功滤波补偿电容器。

1.2.2 10 kV高压柜

对应一次组屏上10 kV的I段母线处的进线回路、馈线回路、压互避雷器回路、母线联络回路设置了4台XGN66A-12型的真实高压柜。其中，进线柜、馈线柜、母联柜的主要元器件包括真空断路器、隔离刀闸、电磁锁、电流互感器、300/5A模拟电流表、带电显示器等，压互避雷器柜主要元器件包括熔断器、隔离刀闸（带接地刀）、10 kV/0.4 kV模拟电压表、电压互感器等，学生可在模拟组屏上、上位机监控画面中或高压柜现地对其进行操作。

1.2.3 主变压器保护柜、测控柜、系统故障设置柜、系统监控软件

二次部分基本采用现场实际屏柜，系统故障设置柜可模拟主变各种典型故障、发出故障信号、启动主变保护柜中相应保护动作及命令开关跳闸切除故障。

系统故障设置柜包括6个电流表、4个电压表的共10个模拟表头，分别监视1#主变的中、低压侧电流与电压，以及母线绝缘监测电压。通过两个双位旋钮模拟油浸式变压器轻、重瓦斯信号的复归与投入。针对变压器差动保护与后备保护，分别设置了针对变压器中、低压侧内外部故障的位置选择旋钮，可灵活模拟故障位置，还可通过自锁按钮灵活设置电力系统各种典型故障类型。此外还设置了6组滤波无功补偿单元、1组谐波调节单元供谐波制动实验用。

测控柜采用南京南瑞继保电气有限公司的RCS-9705C型微机测控装置，通过功能切换开关，可就地、遥控分合主变的高、中、低三侧断路器。

主变压器保护柜包括RCS-9671C变压器差动保护测控装置1台、RCS-9661C变压器非电量保护测控装置1台、RCS-9681C变压器后备保护测控装置3台、通信管理机1台、华三16口快速以太网交换机1台。

上位机安装的监控软件是基于Microsoft Windows操作系统开发的，模拟现场运行管理系统，具备基本的监控和数据采集（SCADA）功能，可对变电站进行实时监控和调度。

1.2.4 电气二次控制保护信号综合实验屏

电气二次控制保护信号综合实验屏有12块，其设计为我校首创，是在电力现场实际使用的保护屏的基础上，由我校教师会同许昌继电器厂技术人员共同设计而成的。屏内配置了110 kV线路微机保护盒1个，以及若干个DL型电流继电器、DY型电压继电器、DS型时间继电器、DZY型中间继电器、DZB型双线圈继电器、JC型冲击继电器和JX型闪光继电器等。光字牌设置有过电流、过电压、低周减载、过负荷、重合闸等，操作按钮包括预合、预分、直流电源、交流电源、紧急停止按钮等，还设置了远方就地操作多功能转换开关、报警指示灯、直流电流调节旋钮、交流电流和交流电压调节旋钮等。屏的侧面则将屏内所配置的设备分成7个区块，分别为三相智能仪表区、微机线路保护实验区、PLC可编程控制实验区、交流接触器插线区、实验指示灯和按钮插线区、常规继电保护测试仪输出端子、常规继电器保护实验插线区，并在各区块引出相应设备端子。学生可自行设计保护接线，并能方便地进行插接接线，然后通电进行实验。

1.2.5 学生监控系统开发设计平台

为满足设计性实验要求，还建设了学生监控系统开发设计平台。平台主要包括三相智能电量监测仪1台、1.5 kVA可调阻性负载1套、西门子PLC S7224 1台、智能温湿度传感器1个，以及一套35 kV一次系统。以上均利用强电护套柱将设备接线端子全部开放，便于学生及培训人员自行设置、开发线路。校内学生已利用此平台组态软件设计开发了船闸控制系统等项目。

2 系统开放的实验实训项目

仿真变电站实训平台可开放数十个实验实训项目，包括简单操作实验、验证性实验、创新设计性实验以及专业典型岗位技能实训，既可满足高等院校电力（电气）工程教学要求，也可满足变电站运行人员的正常操作培训、反事故演习、事故预想及分析处理训练的要求[9-10]。针对电力系统运行实际及常见故障，目前已经开发出的典型实验如下。

简单操作实验：断路器操作实验；隔离开关操作实验；验电、挂地线、设围栏、挂标示牌实验；电气五防闭锁实验等。

验证性实验：过电流保护实验；过电压保护实验；复合电压启动过电流保护实验；变压器差动速断、比率差动、二次谐波制动差动保护实验；限时速断、两段复合电压起动过电流、接地保护、零序过电压保护实验；线路距离保护、三段式过流保护、零序过流保护实验等。

创新设计性实验：主变压器投、退倒闸操作实验；线路停送电倒闸操作实验；各电流互感器和电压互感器断线故障、熔断器熔断设置实验；各通信接口、插件简易故障设置实验等。

实训项目：变电站设备巡视实训；电气运行操作实训；电气二次实训；反故障演练实训等。

3 结语

仿真变电站实训平台以变电站为研究对象，实现了对变电站所有一次设备、二次屏柜的全仿真和对主要实际设备的物理配置，能实现变电站各种实际操作，且能频繁进行实际变电站所不能进行的事故演练与处理分析。建成至今，本专业学生在学习“发电厂电气部分”“电力系统继电保护”“变电站综合自动化”课程后，均安排了简单操作、验证性实验以及电气运行操作实训。同时，借助此平台我校已申报成为进网作业继电保护工技能培训点和鉴定考证点，面向社会承接了培训鉴定考证任务，取得了良好的效果。

实践能力是评价应用型人才培养质量的核心指标，实践教学是实现学生实践能力和创新能力培养的主要途径，其重要作用是其他教学形式无法替代的。三维仿真变电站避免了班级学生人数多、设备台套数少的问题，而与之相配合的物理系统又弥补了仿真造成的真实性缺失。虚实结合的仿真变电站实训平台，实现了虚实的互补，保障了电力应用型人才的培养效果。

今后在实践中，将不断完善实验内容和仿真考核平台试题库建设，还将借鉴同类型院校仿真教学资源建设经验，不断提高仿真变电站实训平台的使用效果和使用效率，更好地服务于电力应用型人才培养[11-12]。

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Construction of training platform for simulation substation based on combination of virtuality and reality

ZHENG Xiaodan, LUO Yunxia, PENG Xuehu, ZHANG Meiyan

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310016, China)

The training platform for simulation substation in the university aims at effectively training the typical post skills of the students in Electric Power specialty and training their ability to use professional knowledge comprehensively. With the construction idea of combining virtual simulation substation with actual physical equipment, the training platform for simulation substation based on the combination of virtuality and reality has been built, which enables students to carry out experimental training in the dual environment of virtuality and reality, and effectively improves the practical effect.

combination ofvirtuality and reality; simulation substation; electric power; experiment and practical training

G642.44；G434

A

1002-4956(2019)12-0201-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.047

2019-04-08

浙江省一流学科建设项目、浙江省示范专业建设项目（浙教高科[2005]318号）

郑晓丹（1966—），女，浙江杭州，学士，教授，主要研究方向为电力系统电气运行、电气工程及其自动化专业教学与改革。E-mail: 760163012@qq.com