水電站運(yùn)行與維護(hù)仿真實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)與應(yīng)用

嚴(yán)欣婷，周 濤，陳炳森，岑 斌，黃武衛(wèi)

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

我國水力資源豐富，截止2023 年底，全國共建成4 萬多座水電站，為此需要培養(yǎng)大批的水電站運(yùn)行與維護(hù)人才。電力行業(yè)制定有嚴(yán)格的資格準(zhǔn)入制度和安全生產(chǎn)規(guī)程，從事水電站運(yùn)行與維護(hù)崗位的工作人員必須通過考試并獲取相應(yīng)資格后才能上崗操作，而對于培養(yǎng)相應(yīng)技術(shù)技能人才的職業(yè)院校而言，一是受自然條件制約，無法在校內(nèi)建設(shè)生產(chǎn)型實(shí)訓(xùn)基地；二是即使投巨資在校外建設(shè)水電站用于教學(xué)，也受電力行業(yè)制度制約，無法解決人才培養(yǎng)操作實(shí)訓(xùn)難題。

針對上述難題，不少院校積極推進(jìn)了各項(xiàng)教學(xué)改革，一是建設(shè)虛擬仿真水電站[1]，使用軟件全仿真方式開展教學(xué)和實(shí)訓(xùn)[2]，但這種模式多用于解決操作流程和步驟訓(xùn)練問題，訓(xùn)練過程缺乏現(xiàn)場真實(shí)感，難以培養(yǎng)真實(shí)的崗位操作技能；二是建設(shè)不帶電的高壓開關(guān)室和戶外簡單變配電設(shè)備[3]，可滿足一般教學(xué)實(shí)訓(xùn)需要，但受場地及總體規(guī)劃制約，未能形成系統(tǒng)的真實(shí)工作場景，也難以滿足崗位人才培養(yǎng)的要求。為此，廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院自2012 年開始，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并建設(shè)水電站運(yùn)行與維護(hù)仿真實(shí)訓(xùn)基地，經(jīng)過多年建設(shè)與發(fā)展，積極探索了利用仿真技術(shù)開展水電站運(yùn)行與維護(hù)崗位人才培養(yǎng)與職工培訓(xùn)的有效途徑。

1 仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)總體思路

教學(xué)團(tuán)隊(duì)深入水力發(fā)電企業(yè)調(diào)研水電站運(yùn)行與維護(hù)崗位職業(yè)能力要求及對應(yīng)的典型工作任務(wù)，并與水力發(fā)電設(shè)計(jì)、施工、機(jī)電安裝、調(diào)試、運(yùn)行與管理等單位專家進(jìn)行了基地建設(shè)方案研討，形成了綜合利用物理仿真和虛擬仿真技術(shù)建設(shè)基地的總體思路，明確以典型水電站為案例進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時滿足理論教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要，盡可能再現(xiàn)真實(shí)水電站運(yùn)行與維護(hù)的工作崗位、工作內(nèi)容、工作過程和工作要求，在保證安全的前提下，用真實(shí)崗位和真實(shí)任務(wù)開展教學(xué)和實(shí)訓(xùn)。

2 仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)方案

根據(jù)基地建設(shè)總體思路，綜合考慮人才培養(yǎng)課程體系，設(shè)計(jì)了由仿真發(fā)電機(jī)室、仿真高壓開關(guān)室、仿真高壓開關(guān)站、仿真中央控制室、虛擬仿真水電站等5個仿真實(shí)訓(xùn)場所組成的實(shí)訓(xùn)基地。

2.1 仿真發(fā)電機(jī)室

仿真發(fā)電機(jī)室主要配置仿真水輪發(fā)電機(jī)組及其監(jiān)控保護(hù)設(shè)備，每套設(shè)備包括1 臺可調(diào)速的直流電動機(jī)，1 臺小型三相交流同步發(fā)電機(jī)，1 個發(fā)電機(jī)勵磁屏，1 個發(fā)電機(jī)保護(hù)屏及1 個機(jī)組控制屏，見圖1。采用可調(diào)速直流電動機(jī)代替水輪機(jī)，帶動同軸的發(fā)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)電能的生產(chǎn)及調(diào)節(jié)控制。

圖1 仿真發(fā)電機(jī)組及其監(jiān)控設(shè)備

仿真發(fā)電機(jī)室可用于發(fā)電機(jī)組開機(jī)、調(diào)速、起勵建壓、同期并列、停機(jī)滅磁等水電站運(yùn)行崗位的理論教學(xué)和操作訓(xùn)練。因?yàn)榫邆湔鎸?shí)的發(fā)電機(jī)工作物理過程，在操作過程中，還可通過儀表及裝置，直觀觀察到機(jī)組的轉(zhuǎn)動狀態(tài)以及機(jī)組頻率、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)隨著操作過程的變化，可較好地滿足教學(xué)及實(shí)訓(xùn)需要。

2.2 仿真高壓開關(guān)室

參照典型水電站10.5 kV 高壓開關(guān)室，建設(shè)單母線分段10.5 kV 開關(guān)室，配備發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)柜、發(fā)電機(jī)電壓互感器及避雷器柜、主變出線開關(guān)柜、母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)柜、母線聯(lián)絡(luò)出線柜、廠用變出線柜。

開關(guān)室不僅可用于水電站電氣運(yùn)行理論教學(xué)和現(xiàn)場操作示范教學(xué)，而且可在開關(guān)室內(nèi)根據(jù)模擬生產(chǎn)任務(wù)或電力調(diào)度要求，按照電氣操作規(guī)程，開展10.5 kV開關(guān)設(shè)備電氣倒閘操作票、檢修工作票的編寫、審核和模擬操作，還可以按照操作票開展斷路器分合閘操作、隔離開關(guān)和接地刀閘操作，正確使用工具將斷路器從工作位置移至試驗(yàn)位置或從試驗(yàn)位置移至工作位置，使用手車將斷路器退出檢修或在檢修完畢將其投入運(yùn)行，按照工作票完成驗(yàn)電、掛接地線和警示牌、設(shè)置安全施工圍欄等操作訓(xùn)練。此外，還可用于10.5 kV 開關(guān)柜典型電氣和機(jī)械故障的判斷與處理教學(xué)實(shí)訓(xùn)。

2.3 仿真高壓開關(guān)站

參照典型水電站開關(guān)站，建設(shè)具有220 kV/110 kV/10.5 kV 三個電壓等級，2 臺主變，4 回出線的開關(guān)站。220 kV 采用管型雙母線接線，110 kV 采用管型單母線分段接線，10.5 kV 設(shè)備則布置在高壓開關(guān)室內(nèi)。仿真開關(guān)站220 kV/110 kV 全部采用戶外設(shè)備，除主變?yōu)橥艘圩儔浩魍?，均為生產(chǎn)型設(shè)備并融入監(jiān)控系統(tǒng)中，各斷路器和隔離開關(guān)均可實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)方”或“現(xiàn)地”操作。

仿真開關(guān)站的功能與仿真高壓開關(guān)室相似，但其主要用于戶外設(shè)備的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)，包括“兩票”訓(xùn)練，220 kV/110 kV 線路、母線、主變的電氣倒閘操作，各電氣設(shè)備工作狀態(tài)、熱備用狀態(tài)、冷備用狀態(tài)、檢修狀態(tài)的切換操作，按照運(yùn)行巡視要求定期開展開關(guān)站電氣設(shè)備巡視檢查和記錄工作。此外，可通過故障設(shè)置，開展開關(guān)站設(shè)備機(jī)械、電氣故障的分析、判斷與排查訓(xùn)練。

2.4 仿真中央控制室

參照典型水電站建設(shè)中央控制室，配備水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)，對全部電氣設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視與控制。可在中央控制室開展水電站運(yùn)行值班員崗位的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)工作，包括利用計(jì)算機(jī)對全站機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視與操作控制，在操作員工作站上完成機(jī)組開停機(jī)及負(fù)荷調(diào)整以及電氣設(shè)備倒閘操作，切換設(shè)備工作模式或改變設(shè)備工作狀態(tài)等。

2.5 虛擬仿真水電站

參照典型水電站開發(fā)虛擬仿真水電站軟件，采用三維建模技術(shù)按電站尺寸建設(shè)了開關(guān)站、主廠房、發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、滲漏排水泵室、檢修排水泵室、消防水泵室、高壓空壓機(jī)室、高壓氣罐室、低壓空壓機(jī)室、低壓氣罐室的三維模型[4]，見圖2。各房（室）內(nèi)布置設(shè)備和屏柜也按實(shí)際進(jìn)行建模并與運(yùn)行數(shù)據(jù)綁接，從而使用虛擬仿真技術(shù)開展水電站運(yùn)行值班崗位的現(xiàn)場巡視、檢查及維護(hù)工作訓(xùn)練。

圖2 仿真水電站三維場景

虛擬仿真水電站參照典型水電站構(gòu)建了水輪發(fā)電機(jī)組及其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模型，可虛擬響應(yīng)水電站的生產(chǎn)調(diào)節(jié)過程。在仿真水電站監(jiān)控界面中，可按真實(shí)水電站控制流程，開展大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)、停機(jī)、開關(guān)機(jī)組閘門及技術(shù)供水等操作訓(xùn)練，操作時機(jī)組狀態(tài)及數(shù)據(jù)會根據(jù)模型隨時間發(fā)生相應(yīng)變化。在機(jī)組開停機(jī)過程中，可進(jìn)入相應(yīng)控制流程界面監(jiān)視機(jī)組控制過程并進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)和控制操作；機(jī)組并網(wǎng)成功后，可實(shí)現(xiàn)增/減有功功率、增/減無功功率調(diào)節(jié)操作并可看到機(jī)組相關(guān)動作及運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化過程。在緊急狀態(tài)下，操作員還可以執(zhí)行緊急停機(jī)操作。

虛擬仿真水電站還具有故障分析與處理訓(xùn)練功能?？蓮慕虇T臺設(shè)置水電站典型故障，監(jiān)控系統(tǒng)會出現(xiàn)相應(yīng)事故或故障動作信息，學(xué)員可據(jù)此信息查找報(bào)警系統(tǒng)并獲取詳細(xì)報(bào)警信息，結(jié)合專業(yè)知識進(jìn)行相應(yīng)分析和處理，從而完成水電站運(yùn)行典型故障的分析與處理訓(xùn)練。

3 仿真實(shí)訓(xùn)基地教學(xué)應(yīng)用

根據(jù)教學(xué)要求設(shè)計(jì)了一個為期3 周的水電站運(yùn)行與維護(hù)仿真實(shí)訓(xùn)計(jì)劃，與理論課配合，通過基地的操作實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)工作任務(wù)，編制相應(yīng)的操作票和工作票，經(jīng)過模擬操作審核后再進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)操，并安排學(xué)生在不同的真實(shí)工作任務(wù)中輪換擔(dān)任值長、值班員、監(jiān)護(hù)人、操作人等職業(yè)崗位角色，從而更好地學(xué)習(xí)、理解各崗位的職責(zé)要求和工作分工，了解各崗位的工作流程和操作技能，具體見表1。

表1 仿真實(shí)訓(xùn)基地教學(xué)安排方案

基地建成后，不僅滿足了校內(nèi)水力發(fā)電類專業(yè)理論教學(xué)及生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)需求，同時成為水電企業(yè)新員工崗前培訓(xùn)和企業(yè)職工技能競賽的基地，每年均接納企業(yè)新員工培訓(xùn)和職工技能競賽活動。

4 結(jié)語

結(jié)合水電站運(yùn)行與維護(hù)崗位人才職業(yè)能力要求，綜合采用物理仿真和虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)并建設(shè)了水電站運(yùn)行與維護(hù)仿真實(shí)訓(xùn)基地，為人才培養(yǎng)提供“真實(shí)”環(huán)境、“真實(shí)”任務(wù)和“真實(shí)”工具，有效地解決了水電站運(yùn)行與維護(hù)崗位人才培養(yǎng)的難點(diǎn)。通過建設(shè)仿真發(fā)電機(jī)室、仿真高壓開關(guān)室、高壓開關(guān)站、中央控制室，用真實(shí)設(shè)備解決水電站運(yùn)行與維護(hù)崗位機(jī)組開停機(jī)、負(fù)荷調(diào)整、電氣倒閘操作、運(yùn)行巡視維護(hù)、故障分析處理等生產(chǎn)任務(wù)訓(xùn)練難題；通過建設(shè)虛擬仿真水電站，用虛擬技術(shù)解決真實(shí)水電站的操作、巡視、檢查與維護(hù)訓(xùn)練，虛擬故障分析與排查訓(xùn)練難題。基地經(jīng)過多年建設(shè)和不斷完善，有效地提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量。