水電站運行與維護仿真實訓基地的建設與應用

嚴欣婷，周 濤，陳炳森，岑 斌，黃武衛

（廣西水利電力職業技術學院，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，為此需要培養大批的水電站運行與維護人才。電力行業制定有嚴格的資格準入制度和安全生產規程，從事水電站運行與維護崗位的工作人員必須通過考試并獲取相應資格后才能上崗操作，而對于培養相應技術技能人才的職業院校而言，一是受自然條件制約，無法在校內建設生產型實訓基地；二是即使投巨資在校外建設水電站用于教學，也受電力行業制度制約，無法解決人才培養操作實訓難題。

針對上述難題，不少院校積極推進了各項教學改革，一是建設虛擬仿真水電站[1]，使用軟件全仿真方式開展教學和實訓[2]，但這種模式多用于解決操作流程和步驟訓練問題，訓練過程缺乏現場真實感，難以培養真實的崗位操作技能；二是建設不帶電的高壓開關室和戶外簡單變配電設備[3]，可滿足一般教學實訓需要，但受場地及總體規劃制約，未能形成系統的真實工作場景，也難以滿足崗位人才培養的要求。為此，廣西水利電力職業技術學院自2012 年開始，系統設計并建設水電站運行與維護仿真實訓基地，經過多年建設與發展，積極探索了利用仿真技術開展水電站運行與維護崗位人才培養與職工培訓的有效途徑。

1 仿真實訓基地建設總體思路

教學團隊深入水力發電企業調研水電站運行與維護崗位職業能力要求及對應的典型工作任務，并與水力發電設計、施工、機電安裝、調試、運行與管理等單位專家進行了基地建設方案研討，形成了綜合利用物理仿真和虛擬仿真技術建設基地的總體思路，明確以典型水電站為案例進行設計，同時滿足理論教學和實訓教學需要，盡可能再現真實水電站運行與維護的工作崗位、工作內容、工作過程和工作要求，在保證安全的前提下，用真實崗位和真實任務開展教學和實訓。

2 仿真實訓基地建設方案

根據基地建設總體思路，綜合考慮人才培養課程體系，設計了由仿真發電機室、仿真高壓開關室、仿真高壓開關站、仿真中央控制室、虛擬仿真水電站等5個仿真實訓場所組成的實訓基地。

2.1 仿真發電機室

仿真發電機室主要配置仿真水輪發電機組及其監控保護設備，每套設備包括1 臺可調速的直流電動機，1 臺小型三相交流同步發電機，1 個發電機勵磁屏，1 個發電機保護屏及1 個機組控制屏，見圖1。采用可調速直流電動機代替水輪機，帶動同軸的發電機工作，實現電能的生產及調節控制。

圖1 仿真發電機組及其監控設備

仿真發電機室可用于發電機組開機、調速、起勵建壓、同期并列、停機滅磁等水電站運行崗位的理論教學和操作訓練。因為具備真實的發電機工作物理過程，在操作過程中，還可通過儀表及裝置，直觀觀察到機組的轉動狀態以及機組頻率、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等電氣參數隨著操作過程的變化，可較好地滿足教學及實訓需要。

2.2 仿真高壓開關室

參照典型水電站10.5 kV 高壓開關室，建設單母線分段10.5 kV 開關室，配備發電機進線開關柜、發電機電壓互感器及避雷器柜、主變出線開關柜、母線聯絡開關柜、母線聯絡出線柜、廠用變出線柜。

開關室不僅可用于水電站電氣運行理論教學和現場操作示范教學，而且可在開關室內根據模擬生產任務或電力調度要求，按照電氣操作規程，開展10.5 kV開關設備電氣倒閘操作票、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位置或從試驗位置移至工作位置，使用手車將斷路器退出檢修或在檢修完畢將其投入運行，按照工作票完成驗電、掛接地線和警示牌、設置安全施工圍欄等操作訓練。此外，還可用于10.5 kV 開關柜典型電氣和機械故障的判斷與處理教學實訓。

2.3 仿真高壓開關站

參照典型水電站開關站，建設具有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 設備則布置在高壓開關室內。仿真開關站220 kV/110 kV 全部采用戶外設備，除主變為退役變壓器外，均為生產型設備并融入監控系統中，各斷路器和隔離開關均可實現“遠方”或“現地”操作。

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

2.4 仿真中央控制室

參照典型水電站建設中央控制室，配備水電站計算機監控系統和繼電保護系統，對全部電氣設備進行集中監視與控制。可在中央控制室開展水電站運行值班員崗位的教學及實訓工作，包括利用計算機對全站機電設備運行狀態在線監視與操作控制，在操作員工作站上完成機組開停機及負荷調整以及電氣設備倒閘操作，切換設備工作模式或改變設備工作狀態等。

2.5 虛擬仿真水電站

參照典型水電站開發虛擬仿真水電站軟件，采用三維建模技術按電站尺寸建設了開關站、主廠房、發電機層、水輪機層、滲漏排水泵室、檢修排水泵室、消防水泵室、高壓空壓機室、高壓氣罐室、低壓空壓機室、低壓氣罐室的三維模型[4]，見圖2。各房（室）內布置設備和屏柜也按實際進行建模并與運行數據綁接，從而使用虛擬仿真技術開展水電站運行值班崗位的現場巡視、檢查及維護工作訓練。

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建了水輪發電機組及其調節控制系統模型，可虛擬響應水電站的生產調節過程。在仿真水電站監控界面中，可按真實水電站控制流程，開展大型混流式水輪發電機組開機、停機、開關機組閘門及技術供水等操作訓練，操作時機組狀態及數據會根據模型隨時間發生相應變化。在機組開停機過程中，可進入相應控制流程界面監視機組控制過程并進行必要的調節和控制操作；機組并網成功后，可實現增/減有功功率、增/減無功功率調節操作并可看到機組相關動作及運行數據的變化過程。在緊急狀態下，操作員還可以執行緊急停機操作。

虛擬仿真水電站還具有故障分析與處理訓練功能。可從教員臺設置水電站典型故障，監控系統會出現相應事故或故障動作信息，學員可據此信息查找報警系統并獲取詳細報警信息，結合專業知識進行相應分析和處理，從而完成水電站運行典型故障的分析與處理訓練。

3 仿真實訓基地教學應用

根據教學要求設計了一個為期3 周的水電站運行與維護仿真實訓計劃，與理論課配合，通過基地的操作實訓，培養學生根據工作任務，編制相應的操作票和工作票，經過模擬操作審核后再進行現場實操，并安排學生在不同的真實工作任務中輪換擔任值長、值班員、監護人、操作人等職業崗位角色，從而更好地學習、理解各崗位的職責要求和工作分工，了解各崗位的工作流程和操作技能，具體見表1。

表1 仿真實訓基地教學安排方案

基地建成后，不僅滿足了校內水力發電類專業理論教學及生產性實訓需求，同時成為水電企業新員工崗前培訓和企業職工技能競賽的基地，每年均接納企業新員工培訓和職工技能競賽活動。

4 結語

結合水電站運行與維護崗位人才職業能力要求，綜合采用物理仿真和虛擬仿真技術，設計并建設了水電站運行與維護仿真實訓基地，為人才培養提供“真實”環境、“真實”任務和“真實”工具，有效地解決了水電站運行與維護崗位人才培養的難點。通過建設仿真發電機室、仿真高壓開關室、高壓開關站、中央控制室，用真實設備解決水電站運行與維護崗位機組開停機、負荷調整、電氣倒閘操作、運行巡視維護、故障分析處理等生產任務訓練難題；通過建設虛擬仿真水電站，用虛擬技術解決真實水電站的操作、巡視、檢查與維護訓練，虛擬故障分析與排查訓練難題。基地經過多年建設和不斷完善，有效地提升人才培養的質量。