基于計算機(jī)技術(shù)的高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

山東省電力學(xué)校 李洪戰(zhàn) 王 妍 丁廣乾

許繼電氣直流輸電系統(tǒng)部 黃浩然

山東省電力學(xué)校 霍永紅 王 婧 宋志明 王曉玲

基于計算機(jī)技術(shù)的高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

山東省電力學(xué)校 李洪戰(zhàn) 王 妍 丁廣乾

許繼電氣直流輸電系統(tǒng)部 黃浩然

山東省電力學(xué)校 霍永紅 王 婧 宋志明 王曉玲

我國的能源資源主要集中在西部，而主要能源負(fù)荷卻在中東部，資源分布和負(fù)荷的這個特點決定了在一個時期內(nèi)“西電東送”將是我國電網(wǎng)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。直流輸電因具有適宜遠(yuǎn)距離輸送、送電容量大以及易于控制和調(diào)節(jié)等特點，在“西電東送”工程中發(fā)揮著重要作用。本文，筆者描述了基于計算機(jī)技術(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)的教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的工作原理、實現(xiàn)方法、技術(shù)特點和應(yīng)用前景。

一、直流輸電的技術(shù)特點

直流輸電與交流輸電相比，其優(yōu)點和明顯，主要體現(xiàn)在以下方面。

1.輸送容量大，輸送功率可以快速調(diào)節(jié)和控制。

2.直流輸電系統(tǒng)的投入不會增加原有電力系統(tǒng)的短路電流容量，也不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制。

3.直流架空線路的走廊寬度約為交流線路的一半，可以充分利用線路走廊的資源。

4.直流電纜線路沒有交流電纜線路中電容電流的困擾，也沒有磁感應(yīng)損耗和介質(zhì)損耗，基本上只有芯線電阻損耗，絕緣電壓相對較低。

5.直流輸電工程的一個極發(fā)生故障時，另一個極仍能繼續(xù)運(yùn)行，可以減少輸送功率損失。

6.直流本身帶有調(diào)制功能，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求作出反應(yīng)，如可以對機(jī)電振蕩產(chǎn)生阻尼，可以阻尼低頻振蕩等，從而提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。

7.能夠通過換流站的無功功率控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)的交流電壓。

8.大電網(wǎng)之間通過直流輸電互聯(lián)（如背靠背方式），電網(wǎng)之間不會互相干擾和影響，且可迅速進(jìn)行功率支援等。

二、高壓直流輸電對教學(xué)系統(tǒng)的需求

近年來我國高壓直流輸電領(lǐng)域發(fā)展迅速，已建設(shè)多個端對端高壓直流輸電工程和背靠背高壓直流輸電工程，在建和即建的高壓直流輸電工程還有很多。但是由于該領(lǐng)域?qū)儆谛屡d領(lǐng)域，生產(chǎn)運(yùn)行人員嚴(yán)重不足。每一新建工程都需要招聘一批新員工，并且從已投產(chǎn)的工程中抽調(diào)有關(guān)人員充當(dāng)生產(chǎn)骨干，同時充實一些新員工到已投產(chǎn)工程中。這些新的員工對于高壓直流輸電的了解有限，并且沒有換流站的運(yùn)行經(jīng)驗，需要花費大量的時間進(jìn)行培養(yǎng)。另外，由于換流站等生產(chǎn)單位的日常操作比較單一，在這種環(huán)境下并不能了解高壓直流輸電系統(tǒng)的全部內(nèi)容，因此，即使是已經(jīng)在換流站工作一段時間的員工，也需要進(jìn)一步地進(jìn)行一些非日常操作的教育和培訓(xùn)?；谶@種需求，本文，筆者依托于國內(nèi)單閥組最高電壓等級的寧東直流工程，設(shè)計開發(fā)了高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，用以對直流輸電領(lǐng)域的運(yùn)行和檢修人員進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，使他們能夠更好地勝任高壓直流輸電領(lǐng)域的工作。

三、系統(tǒng)硬件組成

高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件部分主要由教員機(jī)、學(xué)員機(jī)、投影系統(tǒng)以及把硬件部分連接起來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。整個培訓(xùn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

四、系統(tǒng)軟件組成

高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)軟件部分主要包括一次設(shè)備仿真部分、二次設(shè)備仿真部分以及運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)，分別針對換流站中的一次設(shè)備、二次設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備。其中，運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)和換流站實際使用的系統(tǒng)相同。這樣，對于換流站運(yùn)行人員而言，面對的學(xué)習(xí)系統(tǒng)實際操作系統(tǒng)相同，從而達(dá)到教學(xué)和培訓(xùn)目的。一次設(shè)備和二次設(shè)備同樣借助計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)，其中：一次設(shè)備部分利用三維虛擬顯示技術(shù)實現(xiàn)整個換流站一次設(shè)備的模擬，使學(xué)員能夠在場景中實地“觀看”設(shè)備的動作和運(yùn)行情況，并且“就地”操作這些一次設(shè)備；二次設(shè)備部分建立了兩站的電網(wǎng)模型，可以模擬各種故障工況，能夠培訓(xùn)和考核運(yùn)行人員對于異常工況的處理能力。

五、系統(tǒng)功能及其實現(xiàn)

整個教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的主要功能包括4個方面，分別是教學(xué)功能、練習(xí)功能及自動評分功能和考核功能。這4個方面基本涵蓋了一個完整的教學(xué)培訓(xùn)過程。每個教學(xué)培訓(xùn)過程一般先從教員的示范開始，即教學(xué)功能，示范后由學(xué)員依據(jù)所學(xué)內(nèi)容自由練習(xí)，經(jīng)過一段時間的練習(xí)后參加統(tǒng)一考核，便于教員了解學(xué)員的學(xué)習(xí)情況以及判斷學(xué)員是否已經(jīng)掌握了教學(xué)內(nèi)容。在此過程中，自動評分系統(tǒng)一直運(yùn)行于聯(lián)系模式和考核模式下。

1.練習(xí)功能的實現(xiàn)方法。練習(xí)功能是在系統(tǒng)的練習(xí)模式下實現(xiàn)的。在此模式下運(yùn)行時，2名學(xué)員為1組，即1名整流站學(xué)員、1名逆變站學(xué)員，本文，筆者以學(xué)員A和學(xué)員B代替。在其中1個學(xué)員站上啟動數(shù)據(jù)模型，模擬整個端對端直流輸電系統(tǒng)，學(xué)員AB的學(xué)員站上都啟動數(shù)據(jù)服務(wù)和操作界面，此2名學(xué)員即可模擬操作一個完整的端對端直流輸電系統(tǒng)。

在此模式下，學(xué)員A和學(xué)員B的操作首先經(jīng)過本機(jī)的數(shù)據(jù)服務(wù)傳遞到數(shù)據(jù)模型中，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)模型處理后將其結(jié)果傳遞到學(xué)員A和學(xué)員B的數(shù)據(jù)服務(wù)中，最后反映到學(xué)員A和學(xué)員B的操作界面上。練習(xí)功能的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

2.教學(xué)功能的實現(xiàn)方法。在教學(xué)功能下運(yùn)行時，兩個教員站之間按照學(xué)員練習(xí)模式組成一個完整的端對端直流輸電系統(tǒng)，其中一個作為整流站，另外一個作為逆變站。在其中一個教員站上啟動數(shù)據(jù)模型，該模型模擬整個端對端直流輸電系統(tǒng)，教員站A和教員站B上都啟動數(shù)據(jù)服務(wù)和操作界面。所有整流站的學(xué)員站啟動操作界面，并連接到教員站A的數(shù)據(jù)服務(wù)上；所有逆變站的學(xué)員站啟動操作界面，并連接到教員站B的數(shù)據(jù)服務(wù)上。

在此模式下，學(xué)員站可以查看到2個教員站之間的協(xié)調(diào)操作，從而達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。在此模式下，教員站A和教員站B的操作首先經(jīng)過本機(jī)的數(shù)據(jù)服務(wù)傳遞到數(shù)據(jù)模型中，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)模型處理后將其結(jié)果傳遞到教員站A和教員站B的數(shù)據(jù)服務(wù)中，最后反映到教員站和學(xué)員站的操作界面上。教學(xué)功能的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

另外，對于具有一定基礎(chǔ)的學(xué)員或者已經(jīng)學(xué)習(xí)了一段時間的學(xué)員，可以在教員操作時跟隨教員的操作，以達(dá)到演練的目的。同時，教員的操作都會顯示在大屏幕投影系統(tǒng)上，學(xué)員可以隨時觀看到教員的操作流程和操作方法。

3.自動評分系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。自動評分系統(tǒng)主要包括3個方面，即出題、答案和評卷。首先是題庫的維護(hù)，包括題目的獲取、添加、修改和刪除。然后是答案的自動生成系統(tǒng)，用來給圖庫中的題目生成標(biāo)準(zhǔn)答案。最后是自動評分部分，該部分依據(jù)上一步驟中的標(biāo)準(zhǔn)答案和該學(xué)員的操作記錄來評判學(xué)員對于該題目的完成情況，并給出評價。

（1）出題部分。所有的試題都以一個操作任務(wù)的形式保存在數(shù)據(jù)庫中，所有教員站和學(xué)員站可以訪問此數(shù)據(jù)庫得到試題的列表，每個試題的表現(xiàn)形式都是一個以字符串表示的試題題目。在學(xué)員站獲得試題列表后，只能選擇題目來獲得操作任務(wù)，不能對試題進(jìn)行其他操作；在教員站上，可以操作數(shù)據(jù)庫進(jìn)行試題的獲取、修改、添加和刪除，操作方式就是基本的數(shù)據(jù)庫操作。

（2）答案自動生成。在教員站上，選取一個題目后，系統(tǒng)可以為此題目生成答案，操作過程會記錄下來生成操作列表，作為答案寫入數(shù)據(jù)庫中。所有的試題都使用字符串來表示和描述，所有操作也都以字符串來描述。在生成答案的過程中，教員的所有操作都生成一個用來描述的字符串，待操作完成后，所有操作記錄即這些字符串列表均被寫入到數(shù)據(jù)庫中作為標(biāo)準(zhǔn)答案。

（3）自動評分過程。在學(xué)員站上，選取一個題目后，學(xué)員開始答題，所有操作過程會被記錄下來，此部分和教員生成答案的過程一致。當(dāng)操作完成后，所有記錄的操作過程被上傳至服務(wù)器中，以供自動評分系統(tǒng)使用。在本方法中，由于所有的操作記錄為計算機(jī)自動生成，所以相同的操作在教員生成答案時和學(xué)員答題時生成的描述操作的字符串完全相同。在自動評分時，通過字符串比較，會把學(xué)員的操作記錄和教員操作記錄生成的答案進(jìn)行對比。所有自動評分系統(tǒng)判定不正確的操作，會被記錄下來，供教員復(fù)查，以便于針對此學(xué)員的錯誤進(jìn)行糾正和特殊輔導(dǎo)。自動評分流程如圖4所示。

4.考核功能的實現(xiàn)方法。教學(xué)功能是在系統(tǒng)的考核功能下實現(xiàn)的。在此模式下運(yùn)行時，運(yùn)行方式和練習(xí)模式時相同，其結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程都沒有變化，差異在于在此模式下所有學(xué)員機(jī)的初始狀態(tài)都是教員機(jī)確定的，并且所有學(xué)員在本機(jī)上的操作都會被記錄自動評分，供教員給該學(xué)員評價時參考。

六、其他輔助功能

除了上述的主要功能，整個教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)還實現(xiàn)了一些輔助功能，如操作票開票系統(tǒng)、故障設(shè)置、五防系統(tǒng)、學(xué)員管理及歷史數(shù)據(jù)記錄等。