水电站运行与维护仿真实训基地的建设与应用

严欣婷，周 涛，陈炳森，岑 斌，黄武卫

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

我国水力资源丰富，截止2023 年底，全国共建成4 万多座水电站，为此需要培养大批的水电站运行与维护人才。电力行业制定有严格的资格准入制度和安全生产规程，从事水电站运行与维护岗位的工作人员必须通过考试并获取相应资格后才能上岗操作，而对于培养相应技术技能人才的职业院校而言，一是受自然条件制约，无法在校内建设生产型实训基地；二是即使投巨资在校外建设水电站用于教学，也受电力行业制度制约，无法解决人才培养操作实训难题。

针对上述难题，不少院校积极推进了各项教学改革，一是建设虚拟仿真水电站[1]，使用软件全仿真方式开展教学和实训[2]，但这种模式多用于解决操作流程和步骤训练问题，训练过程缺乏现场真实感，难以培养真实的岗位操作技能；二是建设不带电的高压开关室和户外简单变配电设备[3]，可满足一般教学实训需要，但受场地及总体规划制约，未能形成系统的真实工作场景，也难以满足岗位人才培养的要求。为此，广西水利电力职业技术学院自2012 年开始，系统设计并建设水电站运行与维护仿真实训基地，经过多年建设与发展，积极探索了利用仿真技术开展水电站运行与维护岗位人才培养与职工培训的有效途径。

1 仿真实训基地建设总体思路

教学团队深入水力发电企业调研水电站运行与维护岗位职业能力要求及对应的典型工作任务，并与水力发电设计、施工、机电安装、调试、运行与管理等单位专家进行了基地建设方案研讨，形成了综合利用物理仿真和虚拟仿真技术建设基地的总体思路，明确以典型水电站为案例进行设计，同时满足理论教学和实训教学需要，尽可能再现真实水电站运行与维护的工作岗位、工作内容、工作过程和工作要求，在保证安全的前提下，用真实岗位和真实任务开展教学和实训。

2 仿真实训基地建设方案

根据基地建设总体思路，综合考虑人才培养课程体系，设计了由仿真发电机室、仿真高压开关室、仿真高压开关站、仿真中央控制室、虚拟仿真水电站等5个仿真实训场所组成的实训基地。

2.1 仿真发电机室

仿真发电机室主要配置仿真水轮发电机组及其监控保护设备，每套设备包括1 台可调速的直流电动机，1 台小型三相交流同步发电机，1 个发电机励磁屏，1 个发电机保护屏及1 个机组控制屏，见图1。采用可调速直流电动机代替水轮机，带动同轴的发电机工作，实现电能的生产及调节控制。

图1 仿真发电机组及其监控设备

仿真发电机室可用于发电机组开机、调速、起励建压、同期并列、停机灭磁等水电站运行岗位的理论教学和操作训练。因为具备真实的发电机工作物理过程，在操作过程中，还可通过仪表及装置，直观观察到机组的转动状态以及机组频率、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电气参数随着操作过程的变化，可较好地满足教学及实训需要。

2.2 仿真高压开关室

参照典型水电站10.5 kV 高压开关室，建设单母线分段10.5 kV 开关室，配备发电机进线开关柜、发电机电压互感器及避雷器柜、主变出线开关柜、母线联络开关柜、母线联络出线柜、厂用变出线柜。

开关室不仅可用于水电站电气运行理论教学和现场操作示范教学，而且可在开关室内根据模拟生产任务或电力调度要求，按照电气操作规程，开展10.5 kV开关设备电气倒闸操作票、检修工作票的编写、审核和模拟操作，还可以按照操作票开展断路器分合闸操作、隔离开关和接地刀闸操作，正确使用工具将断路器从工作位置移至试验位置或从试验位置移至工作位置，使用手车将断路器退出检修或在检修完毕将其投入运行，按照工作票完成验电、挂接地线和警示牌、设置安全施工围栏等操作训练。此外，还可用于10.5 kV 开关柜典型电气和机械故障的判断与处理教学实训。

2.3 仿真高压开关站

参照典型水电站开关站，建设具有220 kV/110 kV/10.5 kV 三个电压等级，2 台主变，4 回出线的开关站。220 kV 采用管型双母线接线，110 kV 采用管型单母线分段接线，10.5 kV 设备则布置在高压开关室内。仿真开关站220 kV/110 kV 全部采用户外设备，除主变为退役变压器外，均为生产型设备并融入监控系统中，各断路器和隔离开关均可实现“远方”或“现地”操作。

仿真开关站的功能与仿真高压开关室相似，但其主要用于户外设备的教学及实训，包括“两票”训练，220 kV/110 kV 线路、母线、主变的电气倒闸操作，各电气设备工作状态、热备用状态、冷备用状态、检修状态的切换操作，按照运行巡视要求定期开展开关站电气设备巡视检查和记录工作。此外，可通过故障设置，开展开关站设备机械、电气故障的分析、判断与排查训练。

2.4 仿真中央控制室

参照典型水电站建设中央控制室，配备水电站计算机监控系统和继电保护系统，对全部电气设备进行集中监视与控制。可在中央控制室开展水电站运行值班员岗位的教学及实训工作，包括利用计算机对全站机电设备运行状态在线监视与操作控制，在操作员工作站上完成机组开停机及负荷调整以及电气设备倒闸操作，切换设备工作模式或改变设备工作状态等。

2.5 虚拟仿真水电站

参照典型水电站开发虚拟仿真水电站软件，采用三维建模技术按电站尺寸建设了开关站、主厂房、发电机层、水轮机层、渗漏排水泵室、检修排水泵室、消防水泵室、高压空压机室、高压气罐室、低压空压机室、低压气罐室的三维模型[4]，见图2。各房（室）内布置设备和屏柜也按实际进行建模并与运行数据绑接，从而使用虚拟仿真技术开展水电站运行值班岗位的现场巡视、检查及维护工作训练。

图2 仿真水电站三维场景

虚拟仿真水电站参照典型水电站构建了水轮发电机组及其调节控制系统模型，可虚拟响应水电站的生产调节过程。在仿真水电站监控界面中，可按真实水电站控制流程，开展大型混流式水轮发电机组开机、停机、开关机组闸门及技术供水等操作训练，操作时机组状态及数据会根据模型随时间发生相应变化。在机组开停机过程中，可进入相应控制流程界面监视机组控制过程并进行必要的调节和控制操作；机组并网成功后，可实现增/减有功功率、增/减无功功率调节操作并可看到机组相关动作及运行数据的变化过程。在紧急状态下，操作员还可以执行紧急停机操作。

虚拟仿真水电站还具有故障分析与处理训练功能。可从教员台设置水电站典型故障，监控系统会出现相应事故或故障动作信息，学员可据此信息查找报警系统并获取详细报警信息，结合专业知识进行相应分析和处理，从而完成水电站运行典型故障的分析与处理训练。

3 仿真实训基地教学应用

根据教学要求设计了一个为期3 周的水电站运行与维护仿真实训计划，与理论课配合，通过基地的操作实训，培养学生根据工作任务，编制相应的操作票和工作票，经过模拟操作审核后再进行现场实操，并安排学生在不同的真实工作任务中轮换担任值长、值班员、监护人、操作人等职业岗位角色，从而更好地学习、理解各岗位的职责要求和工作分工，了解各岗位的工作流程和操作技能，具体见表1。

表1 仿真实训基地教学安排方案

基地建成后，不仅满足了校内水力发电类专业理论教学及生产性实训需求，同时成为水电企业新员工岗前培训和企业职工技能竞赛的基地，每年均接纳企业新员工培训和职工技能竞赛活动。

4 结语

结合水电站运行与维护岗位人才职业能力要求，综合采用物理仿真和虚拟仿真技术，设计并建设了水电站运行与维护仿真实训基地，为人才培养提供“真实”环境、“真实”任务和“真实”工具，有效地解决了水电站运行与维护岗位人才培养的难点。通过建设仿真发电机室、仿真高压开关室、高压开关站、中央控制室，用真实设备解决水电站运行与维护岗位机组开停机、负荷调整、电气倒闸操作、运行巡视维护、故障分析处理等生产任务训练难题；通过建设虚拟仿真水电站，用虚拟技术解决真实水电站的操作、巡视、检查与维护训练，虚拟故障分析与排查训练难题。基地经过多年建设和不断完善，有效地提升人才培养的质量。