智能變電站繼電保護(hù)與自動化技能實訓(xùn)的探索

吳義純 傅 律 田 彥

安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽合肥 230061

智能變電站繼電保護(hù)與自動化技能實訓(xùn)的探索

吳義純 傅 律 田 彥

安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽合肥 230061

智能電網(wǎng)能有效提高電網(wǎng)的能源大規(guī)模調(diào)配能力和吸納綠色能源能力，智能變電站是其重要節(jié)點，新技術(shù)對繼電保護(hù)與自動化運(yùn)維崗位技能水平提出新要求。高職教育以職業(yè)為導(dǎo)向，電氣專業(yè)教學(xué)應(yīng)主動適應(yīng)智能變電站發(fā)展。本文從實訓(xùn)內(nèi)容策劃、實訓(xùn)環(huán)境建設(shè)、實訓(xùn)師資隊伍管理等角度探索智能站繼電保護(hù)與自動化實訓(xùn)教學(xué)，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，縮短就業(yè)適應(yīng)期，提高用人單位的滿意率。

智能變電站；繼電保護(hù)與自動化；技能實訓(xùn)；高職

堅強(qiáng)智能電網(wǎng)能有效提高電網(wǎng)的能源資源的大規(guī)模配置能力，消納更多的風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源的發(fā)電功率［1］，是世界電網(wǎng)發(fā)展的方向，我國智能電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)上升至國家戰(zhàn)略層面的高度。在智能電網(wǎng)中，智能變電站是統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，支撐著系統(tǒng)的正常運(yùn)營。智能變電站的繼電保護(hù)與自動化系統(tǒng)與常規(guī)變電站有很大的不同，對繼電保護(hù)與自動化運(yùn)維崗位技能水平提出新要求。高職教育以職業(yè)為導(dǎo)向，基于崗位需求構(gòu)建實踐性教學(xué)，盡量縮短就業(yè)適應(yīng)期［2］，高職學(xué)院的電氣專業(yè)教學(xué)應(yīng)主動適應(yīng)智能變電站發(fā)展。本文從實訓(xùn)模塊構(gòu)建、仿真實訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)、實訓(xùn)師資隊伍等角度探索智能變電站繼電保護(hù)與自動化技能實訓(xùn)教學(xué)，強(qiáng)化“教、學(xué)、做”合一，構(gòu)建知行合一理念的建設(shè)實訓(xùn)室［3］，應(yīng)用模塊化、項目化、案例教學(xué)的方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，幫助學(xué)生適應(yīng)電力生產(chǎn)現(xiàn)場對技能的要求，提高用人單位的滿意率。

1 智能變電站新技術(shù)對高職技能實訓(xùn)教改的要求

1.1 智能變電站的技術(shù)特點

智能變電站以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動。［4］

智能變電站系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為過程層、間隔層、站控層。過程層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、合并單元和智能終端，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護(hù)、計量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波等二次設(shè)備，實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。站控層包含自動化系統(tǒng)、站域控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現(xiàn)面向全站或一個以上一次設(shè)備的測量和控制功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。一個典型的“三層兩網(wǎng)”模式的如圖1所示，保護(hù)裝置和監(jiān)控裝置處于間隔層。［5，6］

與常規(guī)變電站相比，智能變電站增加了過程層網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備，用于實現(xiàn)信息的共享以及間隔層設(shè)備與智能化一次設(shè)備之間的鏈接。從對應(yīng)的角度看，智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于常規(guī)變電站的二次電纜回路以及間隔層設(shè)備的開入開出回路和采樣回路。各智能設(shè)備之間的信息通過報文來交換，信息回路主要包括采樣值回路、GOOSE開關(guān)量輸入輸出回路等。

變電站通過信息網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)了信息集成化，使變電站的整體設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行成本降低。統(tǒng)一的信息模型，避免了規(guī)約轉(zhuǎn)換，信息可以充分共享；用光纖代替電纜，有利于節(jié)省設(shè)備投資，模擬量輸入回路和開關(guān)量輸入輸出回路都被通信網(wǎng)絡(luò)所取代，以虛回路連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站的二次電回路，虛回路的連接以配置文件的形式體現(xiàn)，二次設(shè)備硬件系統(tǒng)大為簡化，設(shè)計安裝調(diào)試都變得簡單，運(yùn)行維護(hù)工作量也減小了。給運(yùn)行、安全、設(shè)計、施工、檢修、維護(hù)、管理等諸多方面帶來直接或間接的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。1.2 繼電保護(hù)技能實訓(xùn)教改的必要性1.2.1 實訓(xùn)內(nèi)容方面

圖1 典型的智能變電站系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

智能變電站主要包括智能高壓設(shè)備和變電站統(tǒng)一信息平臺兩部分，通過數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)信息共享的一套微機(jī)化的二次設(shè)備及系統(tǒng)，繼電保護(hù)及自動化作為智能變電站所要實現(xiàn)的基本功能，是向計算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，保護(hù)、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展，實現(xiàn)了自動化與保護(hù)的有機(jī)融合和一體化，對繼電保護(hù)及自動化運(yùn)行和維護(hù)崗位技能有了新要求。高職教育以培養(yǎng)滿足職業(yè)崗位需要的高素質(zhì)高技能型人才為目標(biāo)，教學(xué)過程要與生產(chǎn)過程對接，及時跟蹤行業(yè)發(fā)展對技能的新要求［7］，有針對性地調(diào)整崗位實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，適應(yīng)電網(wǎng)高新技術(shù)的發(fā)展和變革，縮短學(xué)生就業(yè)適應(yīng)期。

1.2.2 實訓(xùn)設(shè)施方面

實訓(xùn)室是進(jìn)行技能實訓(xùn)的基礎(chǔ)，良好的實訓(xùn)環(huán)境、合理的結(jié)構(gòu)配置、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對能否取得好的實訓(xùn)效果意義重大。智能變電站設(shè)備智能化水平提升，對崗位操作技能有新要求，需要分析智能化設(shè)備特點，結(jié)合仿真技術(shù)，開發(fā)新型實訓(xùn)平臺，建設(shè)先進(jìn)的實訓(xùn)環(huán)境，提高對新技能的實訓(xùn)效果。

1.2.3 實訓(xùn)師資隊伍建設(shè)方面

師資隊伍是保障實訓(xùn)教學(xué)水平的關(guān)鍵，智能變電站新增了新知識點，老師原有的知識要及時更新，需要及時開展相關(guān)的教學(xué)研究工作，把握專業(yè)發(fā)展方向和動態(tài)，了解行業(yè)新技術(shù)發(fā)展，更好地指導(dǎo)學(xué)生的實訓(xùn)。

2 實訓(xùn)內(nèi)容增加智能化模塊

高職學(xué)院人才培養(yǎng)從實際崗位需要出發(fā)，以市場需求為導(dǎo)向，從職業(yè)分析入手，在工作崗位、工作任務(wù)、工作過程、崗位技能分析的基礎(chǔ)上，確定知識、能力培養(yǎng)目標(biāo)和要求，教學(xué)過程與生產(chǎn)過程對接，及時跟蹤行業(yè)發(fā)展對技能的要求，突出技能實訓(xùn)，編排項目化、模塊化的實踐課程結(jié)構(gòu)。［8-9］

先分析智能站在新技能的特點，找出與常規(guī)站的區(qū)別，有針對性地制定實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行教學(xué)分析，形成一套整體的教學(xué)模塊，以便根據(jù)實際教學(xué)需要進(jìn)行選擇。為了適應(yīng)繼電保護(hù)專業(yè)和自動化專業(yè)的融合，在智能變電站保護(hù)實訓(xùn)中整合資源和開發(fā)實訓(xùn)子模塊，實訓(xùn)內(nèi)容上要考慮以下幾點［10］：

（1）要增加智能變電站模塊，旨在使繼電保護(hù)與自動化專業(yè)崗位人員對智能變電站的構(gòu)成、特點及工作原理有一定認(rèn)識，了解智能變電站二次識圖和二次安裝調(diào)試流程，了解全站系統(tǒng)配置文件SCD（Substation Configuration Description）文件的配置、智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device）的配置、面向通用對象的變電站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）報文的解析及智能變電站各種繼電保護(hù)裝置的調(diào)試。

（2）要對比智能站與常規(guī)站在變壓器、線路、母線、變壓器等保護(hù)的差異，在此基礎(chǔ)上熟悉其技術(shù)特點和技能操作。

（3）要熟悉PCS9700等綜自系統(tǒng)的安裝調(diào)試，測控裝置的檢修與調(diào)試。

實訓(xùn)模塊組成如表1所示。

表1 智能變電站繼電保護(hù)技能實訓(xùn)模塊

在實際變電站中既有智能站，還有不少常規(guī)站，都需要技能操作人員。高職學(xué)院在電氣專業(yè)繼電保護(hù)實訓(xùn)課程中，應(yīng)根據(jù)行業(yè)發(fā)展情況加入上述智能站模塊，及時為企業(yè)提供亟須的技能人才。學(xué)生在實訓(xùn)中可自己去選擇，不少學(xué)生往往對智能化有好奇心，根據(jù)興趣參加智能站實訓(xùn)，再將學(xué)生分組。將整個實訓(xùn)當(dāng)作一個模擬項目，根據(jù)實訓(xùn)的模塊，將項目分解幾個小項目，讓學(xué)生參與角色扮演，承擔(dān)小項目或子模塊的操作和維護(hù)任務(wù)，最后共同合作完成整個實訓(xùn)任務(wù)。

3 建設(shè)逼真的仿真實訓(xùn)系統(tǒng)

實訓(xùn)室是進(jìn)行技能的基礎(chǔ)，常規(guī)變電站實訓(xùn)中，變電運(yùn)行專業(yè)依靠數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，繼電保護(hù)專業(yè)依靠真實保護(hù)裝置?，F(xiàn)有面向傳統(tǒng)變電站的實訓(xùn)系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的要求，數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由于存在不足是受訓(xùn)人員只了解監(jiān)控界面的操作，對真實的測控、保護(hù)等二次設(shè)備無法全面認(rèn)識，有必要建立針對智能變電站保護(hù)和自動化專業(yè)的實訓(xùn)環(huán)境，在全數(shù)字仿真基礎(chǔ)上配備了與現(xiàn)場一致、真實的繼電保護(hù)等裝置［11-12］，提出了一種基于實時仿真技術(shù)的變電站數(shù)字物理混合仿真與培訓(xùn)方案，即將智能電網(wǎng)實時仿真平臺、面向智能變電站培訓(xùn)的電磁暫態(tài)仿真軟件、符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IO接口、真實的智能變電站二次設(shè)備、真實的直流系統(tǒng)、真實的監(jiān)控系統(tǒng)、真實的二次回路、斷路器與刀閘及操作機(jī)構(gòu)模擬裝置、二次回路故障模擬裝置、教員系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合于一體的智能變電站繼電保護(hù)及自動化實訓(xùn)系統(tǒng)，營造了更為逼真的運(yùn)行環(huán)境。

在混合仿真環(huán)境開發(fā)中，數(shù)字電網(wǎng)仿真要具有高度的真實性、實時性、一致性和可靠性，其中電磁暫態(tài)實時仿真是關(guān)鍵，在傳統(tǒng)電網(wǎng)仿真的基礎(chǔ)上，針對智能電網(wǎng)新技術(shù)，增加了新型電力系統(tǒng)智能設(shè)備的模型，建立了交流電壓源、多相分布參數(shù)輸電線路、變壓器、負(fù)荷、斷路器、整流器、逆變器、交直流濾波器、平波電抗器各類刀閘以及集中電阻、電感和電容等一次設(shè)備的電磁暫態(tài)模型，實現(xiàn)了可以支撐電力電子設(shè)備、新能源等智能電網(wǎng)新技術(shù)仿真的智能電網(wǎng)實時電磁暫態(tài)仿真。同時，建立了母線、線路、變壓器等設(shè)備的短路和斷線等故障模型，也可以進(jìn)行任意的組合以構(gòu)建更為復(fù)雜的復(fù)合故障模型。

智能變電站數(shù)字物理混合仿真實訓(xùn)系統(tǒng)不但能夠模擬電網(wǎng)一次設(shè)備發(fā)生的各類故障，還能夠模擬二次回路和通信網(wǎng)絡(luò)故障，能夠可以實現(xiàn)對變電站二次系統(tǒng)調(diào)試檢驗、缺陷分析、故障排查與處理等技術(shù)技能培訓(xùn)［13］，一定程度上提高了繼電保護(hù)內(nèi)容的實訓(xùn)效果，能滿足電氣專業(yè)的繼電保護(hù)及自動化、變電運(yùn)行、調(diào)度運(yùn)行等崗位技能實訓(xùn)的需求。

4 加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)師資隊伍建設(shè)

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電子式互感器、智能高壓電氣、光纖以太網(wǎng)絡(luò)和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信等新設(shè)備新技術(shù)在智能變電站中不斷地得到了應(yīng)用，對實訓(xùn)師的新技術(shù)、新技能提出更高的要求，師資隊伍建設(shè)至關(guān)重要。

智能變電站快速發(fā)展，不少新技術(shù)如數(shù)字互感器等還在應(yīng)用中不斷完善，首先，需要聘請來自生產(chǎn)和研發(fā)單位的工程技術(shù)人員和培訓(xùn)師承擔(dān)關(guān)鍵部分內(nèi)容的理論和實踐教學(xué)。

其次，在實訓(xùn)室建設(shè)過程中，以校內(nèi)骨干教師為核心，通過項目建設(shè)和系統(tǒng)調(diào)試，能夠很好地鍛煉師資，整理和收集項目完成后專業(yè)技術(shù)資料，消化和吸收新理論、新技術(shù)等，也是提高技術(shù)技能水平捷徑。

最后，職業(yè)院校師資隊伍建設(shè)離不開行業(yè)企業(yè)的支持，學(xué)校挑選理論基礎(chǔ)扎實和有常規(guī)變電站技能培訓(xùn)經(jīng)驗的骨干教師，送到電網(wǎng)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場和智能電力設(shè)備生產(chǎn)廠家去學(xué)習(xí)和參加實踐，聽現(xiàn)場專家講解，讓骨干老師及時熟悉智能變電站新技術(shù)、新技能，盡快適應(yīng)培訓(xùn)教學(xué)要求；逐步由以外聘兼職師資為主過渡到以校內(nèi)專職為主、外聘為輔的師資隊伍。［14］同時，職業(yè)院校為電網(wǎng)企業(yè)提供職業(yè)培訓(xùn)是電氣高職院校服務(wù)社會的主要形式之一，整合教育培訓(xùn)資源，充分利用先進(jìn)的仿真實訓(xùn)環(huán)境［15］，探索智能變電站專業(yè)培訓(xùn)，特別是高技能人才培養(yǎng)，師資隊伍在企業(yè)培訓(xùn)教學(xué)中不斷成長，實現(xiàn)校企雙贏。

5 結(jié)束語

智能變電站的快速發(fā)展迫切需要高素質(zhì)的繼電保護(hù)技能人才，有針對性地開展智能站實訓(xùn)是提高高職學(xué)生技能水平、適應(yīng)智能站運(yùn)行維護(hù)要求、縮短就業(yè)適應(yīng)期的有效途徑。針對智能站新技術(shù)特點開發(fā)相應(yīng)的實訓(xùn)模塊，建設(shè)數(shù)字物理混合仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，整合資源解決優(yōu)秀師資配置問題，提升實訓(xùn)效果，為智能電網(wǎng)發(fā)展所需人才資源做出貢獻(xiàn)。

［1］劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］蘭虎，楊麗麗，陶祖?zhèn)?校企合作創(chuàng)新課程實訓(xùn)新模式［J］.實驗室研究與探索，2013，32（8）：192-196.

［3］程蓓，朱飆.以知行合一的理念建設(shè)專業(yè)教學(xué)場所［J］.實驗室研究與探索，2009，28（9）：169-172.

［4］Q/GDW 383-2009-智能變電站技術(shù)導(dǎo)則［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［5］高東學(xué)，智全中，朱麗均.智能變電站保護(hù)配置方案研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（1）：68-71.

［6］李孟超，王允平，李獻(xiàn)偉.智能變電站及技術(shù)特點分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（18）：59-62.

［7］ 俞衛(wèi)陽，姚超英.高職實訓(xùn)中心“工學(xué)結(jié)合”教學(xué)模式的研究與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（3）；198-200.

［8］涂群嵐，呂亨龍.職業(yè)導(dǎo)向的高職建筑施工課程項目式仿真教學(xué)實證研究［J］.教育與職業(yè)，2014，（21）；118-119.

［9］劉輝.基于職業(yè)活動導(dǎo)向的高職營銷與策劃專業(yè)模塊化課程體系構(gòu)建［J］.教育與職業(yè)，2014，（26）：130-131.

［10］馮軍.智能變電站原理及測試技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［11］程思寧，耿強(qiáng).虛擬仿真技術(shù)在電類實驗教學(xué)中的應(yīng)用與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30（7）：94-97.

［12］梁旭，張萍，胡明亮.基于實時仿真技術(shù)的變電站數(shù)字物理混合仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（10）：79-81.

［13］陳嵐，徐磊.華東電網(wǎng)培訓(xùn)中心繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.華東電力，2011，39（10）：1679-1681.

［14］王志秀，張吉月，藍(lán)波.電類專業(yè)電學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)課程改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2014，33（5）；179-183.

［15］吳義純.電氣類高職院校開展智能電網(wǎng)培訓(xùn)的探索［J］.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，17（1）：115-118.

Exploration for Intelligent Substation Relay Protection and Automation Skills Training

Wu Yichun， Fu Lv， Tian Yan
Anhui Electrical Engineering Professional Technique College， Hefei， 230022， China

Smart grid can effectively improve the grid energy large-scale deployment and the absorbance of green energy. Intelligent substation is an important node of smart grid. New technology makes new demands on relay protection and automation operation and maintenance personnel skill level， which electrical professional teaching should take the initiative to adapt to the development of smart substation according to higher vocational education oriented by occupation. This paper explores the practice teaching of relay protection and automation in intelligent substation in term of the practice training program scheme， the construction of practice training environment， the management of skills training teachers， which improves students' learning interest and teaching effect， and shortens the adjustment period of employment， and raises the satisfaction of the employer.

intelligent substation； relay protection and automation； skills training； higher vocational colleges.

2015-03-09

吳義純，博士，教授，安徽省級名師。

2013年安徽省級質(zhì)量工程項目“發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)綜合改革試點”（編號：2013zy155）；2013年安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級重點課題（編號：2013zdxm003）。