基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高壓直流輸電教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

黃浩然 楊勇

摘要：文章簡(jiǎn)單介紹了直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展歷史和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，描述了基于計(jì)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(shí)現(xiàn)方法、技術(shù)特點(diǎn)，指出在當(dāng)前直流輸電發(fā)展迅速的時(shí)代教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)揮積極的作用。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；計(jì)算機(jī)技術(shù)；教學(xué)培訓(xùn)；仿真

一 引言

人類對(duì)電的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用以及電力科學(xué)的發(fā)展首先是從直流電開始的。1882 年，法國(guó)物理學(xué)家M·得彼列茨進(jìn)行了歷史上第一次直流輸電試驗(yàn)，將1.5kW、1.5～2kV 的直流電通過電報(bào)線路驅(qū)動(dòng)57km外的水泵旋轉(zhuǎn)，這次試驗(yàn)雖然線路功耗高達(dá)78%，幾乎沒有使用價(jià)值，但它標(biāo)志著高電壓、遠(yuǎn)距離大容量輸電的嶄新開始。接下來由于高效率的交流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，以及變壓器可以對(duì)交流電方便的升壓和降壓，交流輸電開始占據(jù)主導(dǎo)地位。1972 年，加拿大伊爾河（Eel River）HVDC輸電工程正式投入使用，這座20MW、2×80kV 背靠背式HVDC輸電工程以首次全部采用晶閘管閥而著稱于世。

二 技術(shù)特點(diǎn)

直流輸電與交流輸電相比，其優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)明顯：

1）輸送容量大，輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)；

2）直流輸電系統(tǒng)的投入不會(huì)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；

三 對(duì)于教學(xué)系統(tǒng)的需求

近年來我國(guó)高壓直流輸電領(lǐng)域發(fā)展迅速，已建設(shè)多個(gè)端對(duì)端高壓直流輸電工程和背靠背高壓直流輸電工程，每個(gè)新的工程建設(shè)中都需要招聘一批新員工，因此，即使是已經(jīng)在換流站工作了一段時(shí)間的員工，也需要再進(jìn)一步進(jìn)行一些非日常操作的教育和培訓(xùn)。

四 系統(tǒng)軟件組成

整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括一次設(shè)備仿真部分、二次設(shè)備仿真部分、運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)，分別針對(duì)換流站中的一次設(shè)備、二次設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備。其中運(yùn)行人員監(jiān)控系統(tǒng)和換流站實(shí)際使用的系統(tǒng)相同，這樣對(duì)于換流站運(yùn)行人員而言，其面對(duì)的系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)相同，從而達(dá)到教學(xué)和培訓(xùn)目的。一次和二次設(shè)備同樣使用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中一次設(shè)備部分使用三維虛擬顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)換流站一次設(shè)備的模型，學(xué)員可以在場(chǎng)景中“巡視”，實(shí)地“觀看”到設(shè)備的動(dòng)作和運(yùn)行情況。

五 系統(tǒng)功能及其實(shí)現(xiàn)

整個(gè)教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的主要功能包括四個(gè)方面，分別是教學(xué)功能、練習(xí)功能、自動(dòng)評(píng)分功能、考核功能，這四個(gè)方面基本包括了一個(gè)完成的教學(xué)培訓(xùn)過程的全部，每個(gè)教學(xué)培訓(xùn)過程一般從教員的示范開始，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(shí)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(dòng)評(píng)分系統(tǒng)一直作用于聯(lián)系模式和考核模式下。

1）練習(xí)功能的實(shí)現(xiàn)方法

練習(xí)功能是在系統(tǒng)的練習(xí)模式下實(shí)現(xiàn)的，在此模式下運(yùn)行時(shí)，每?jī)蓚€(gè)學(xué)員為1組，即1個(gè)整流站學(xué)員，1個(gè)逆變站學(xué)員，下面以學(xué)員A和學(xué)員B代替，在其中1個(gè)學(xué)員站上啟動(dòng)數(shù)據(jù)模型，在此模式下，學(xué)員A和學(xué)員B的操作，會(huì)經(jīng)過本機(jī)的數(shù)據(jù)服務(wù)傳遞到數(shù)據(jù)模型中，經(jīng)過數(shù)據(jù)模型處理后其結(jié)果傳遞到學(xué)員A和學(xué)員B的數(shù)據(jù)服務(wù)，再反應(yīng)到學(xué)員A和學(xué)員B的操作界面上。

2）教學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)方法

教學(xué)功能是在系統(tǒng)的教學(xué)功能下實(shí)現(xiàn)的，在此模式下運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)教員站之間按照學(xué)員練習(xí)模式組成一個(gè)完整的端對(duì)端直流輸電系統(tǒng)，其中一個(gè)作為整流站，另外一個(gè)作為逆變站，在其中1個(gè)教員站上啟動(dòng)數(shù)據(jù)模型，該模型模擬整個(gè)端對(duì)端直流輸電系統(tǒng)，教員站1和教員站2上都啟動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)和操作界面，所有整流站的學(xué)員站啟動(dòng)操作界面，并連接到教員站1的數(shù)據(jù)服務(wù)上，所有逆變站的學(xué)員站啟動(dòng)操作界面，并連接到教員站2的數(shù)據(jù)服務(wù)上。

3）自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面，和一般的考試基本相同，即出題、答案和評(píng)卷，在其中使用計(jì)算機(jī)輔助操作，使該過程更加自動(dòng)化，簡(jiǎn)化教員的勞動(dòng)量，降低工作強(qiáng)度。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(dòng)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(dòng)評(píng)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(píng)判學(xué)員對(duì)于該題目的完成情況，并給出評(píng)價(jià)。

出題部分：所有的試題都以一個(gè)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(gè)試題的表現(xiàn)形式都是一個(gè)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(duì)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，答案自動(dòng)生成：在教員站上，選取一個(gè)題目后，可以為此題目生成答案，生成答案時(shí)不需要手動(dòng)添加內(nèi)容，只需要按照試題要求完成試題要求的操作任務(wù)即可，操作過程會(huì)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(gè)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被寫入到數(shù)據(jù)庫中作為標(biāo)準(zhǔn)答案。在這個(gè)系統(tǒng)中，所有的試題和答案都是自描述的，不需要手動(dòng)填寫，系統(tǒng)本身并不需要了解試題或者答案所代表的內(nèi)容和含義，只是以字符串的方式把試題和答案保存到數(shù)據(jù)庫中。

自動(dòng)評(píng)分過程：在學(xué)員站上，選取一個(gè)題目后，學(xué)員開始答題，所有操作過程被記錄下來，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上傳至服務(wù)器，供自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)使用。在本方法中，由于所有的操作記錄為計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，所以相同的操作在教員生成答案時(shí)和學(xué)員答題時(shí)生成的描述操作的字符串完全相同，在自動(dòng)評(píng)分時(shí)，通過字符串比較，會(huì)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(duì)比。

操作正確的判斷依據(jù)：兩者操作項(xiàng)目和操作順序完全一致，則判定此次操作為正確操作；操作項(xiàng)目缺失的判斷依據(jù)：在教員操作時(shí)生成的答案中存在的操作序列，在學(xué)員的操作序列中沒有，則認(rèn)為缺少了對(duì)應(yīng)的操作項(xiàng)目，則在評(píng)分記錄中含有操作項(xiàng)目缺失；操作順序錯(cuò)誤的判斷依據(jù)：兩者的操作項(xiàng)目一致，但是學(xué)員的操作順序和教員的操作順序不一致，則認(rèn)為器操作順序有誤；進(jìn)行了額外操作的判斷依據(jù)：在學(xué)員操作時(shí)生成的操作序列中存在，在教員操作時(shí)生成的答案中未存在，則認(rèn)為進(jìn)行了額外的操作，則在評(píng)分記錄中含有操作了未允許操作設(shè)備。

3）考核功能的實(shí)現(xiàn)方法

教學(xué)功能是在系統(tǒng)的考核功能下實(shí)現(xiàn)的，在此模式下運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行方式和練習(xí)模式時(shí)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。

六結(jié)束語

在當(dāng)前電網(wǎng)不斷擴(kuò)展、直流輸電工程逐漸增多、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)勢(shì)在必行、智能電網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，對(duì)于直流輸電領(lǐng)域的專業(yè)運(yùn)行和檢修人才的需要會(huì)越來越多，而在實(shí)際運(yùn)行過程中并不能掌握直流輸電領(lǐng)域的全部知識(shí)，很多對(duì)于異常情況、突發(fā)情況的演練也無法進(jìn)行，因此直流輸電教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，并且會(huì)發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張欣，饒國(guó)輝，黃浩然.特高壓直流輸電培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（24）：76-78