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【国家级】超高压变电站运行及故障分析虚拟仿真实验

学院:电子信息与电气工程学院 专业:电气类  试用账号:demo 试用密码:demo

变电站作为连接发电厂与终端用户的重要环节,承担着输送电能、调节电压、分配电能、控制流向等功能,是电网安全稳定运行的可靠保障。实际教学过程中,学生只能在安全区域内对超高压变电站设备进行浅显的感性认识,无法近距离观察电气设备,更不能进行设备的操作实践。

变电站仿真采用三维建模、逻辑建模、潮流建模技术对一次设备、二次设备、监控系统、故障、异常等进行仿真,具有较好的操作性、真实性和互动性,可以弥补学生实习不能操作、不能看到故障的不足,对于电力人才专业性培养具有十分独特的优势。

本实验系统以变电站仿真为基础,开展设备认知实验、运行操作实验、故障分析实验。学生通过在线实验,巩固基础知识,训练运行操作技能,提高故障分析处置能力。具体包括:

(1)设备认知实验:

学生可以在三维场景中对变电站的设备进行充分的学习认识,主要包括主变压器、母线、断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等一次设备,保护装置、测控装置、故障录波屏、交流屏、直流屏、GPS屏、RTU屏、故障信息系统、状态监测系统屏、故障信息子站屏等二次设备,以及监控系统的主接线图及分图、系统潮流、光字牌、通讯方式、通讯规约、实时数据库、历史数据库等知识。认知实验主要以学习为主,是对本科专业课程和实习认知的有力补充,知识点更贴切工作现场的实际情况,通过对系统资料的完善,可以做到知识点面广,知识深浅皆可,满足各类学生的学习需求。

(2)运行操作实验:

变电站运行操作应按照相关规则进行,通过实验,培养学生正确理解操作顺序,倒闸操作的原理,理解变电站运行操作规范,充分理解设备间互连互锁关系,训练运行操作的基本技能。运行操作实验内容由浅到深,范围可以从线路到保护功能的投退等多种情况,适合不同学生的需求。

(3)故障分析实验:

发生故障时,要求准确及时排除故障,以满足系统安全运行的需要,通过实验,培养学生理论联系实际,从故障现象排除缩小故障范围,鉴别故障性质,迅速定位故障点,提高故障分析处置的能力。故障实验项目内容由浅到深,故障可以是简单的设备异常、也可以是组合故障,适合不同学生的需求。
实验所属课程所占课时:48学时

该实验项目所占课时:共6学时,其中设备认知实验为课外2学时,运行操作实验与故障分析实验为课内4学时

该虚拟仿真实验平台是以超高压变电站设备为对象进行仿真,仿真对象包括一次设备、二次设备、监控系统、故障模拟。建立对变电站主接线和电气设备的感性认识,认识站内设备的外观、结构、型号、功能和基本原理;通过实际的仿真操作和演练,了解变电站的工作制度和运行规程;通过模拟故障,学习各类保护的配置原则、保护范围和能够反映的故障类型,了解故障后如何进行检查、巡视、分析和恢复处理操作。

该平台仿真精度高、形象逼真、界面友好、使用维护方便。能够实时仿真500kV,变电站一、二次设备全范围的运行工况;模拟该站的各种正常操作、异常、故障和事故情况;仿真系统的各种稳态、暂态效果逼真,能正确反映各设备的本物理规律和现象。

知识点:共8个

(1) 3/2接线方式、双母线接线方式、双母线单分段接线方式、双母线双分段接线方式、双母线带旁路接线方式、单母线接线方式、单母线单分段接线方式等典型的接线方式及其优缺点等知识。 通过接线方式认知实验项目:系统弹出各种主接线图,学生根据所学知识判断各种接线方式,并理解各种接线方式的优缺点。以选择题、判断题的方式进行实验。

(2) 一次设备外形认知、主要技术参数认知等知识。 通过一次设备认知实验项目:系统弹出500kV一次设备的图片,以选择题、判断题的方式进行实验。

(3) 潮流平衡、潮流方向等知识。 通过潮流计算认知实验项目:系统弹出带潮流的主接线图,由学生通过计算补齐系统的电气量。

(4) 3/2接线的线路停役操作、避雷器漏电仪表检查等知识。 通过500kV 5221线由运行改为热备用实验项目:学生接到实验任务,首先,要进行操作票的编制,然后按照操作票进行操作,系统对操作步骤进行比对,误操作将终止实验,重新进行实验。

(5) 倒闸操作等知识。 通过500kV 5221线路由运行到冷备用实验项目:学生接到实验任务,首先,要进行操作票的编制,然后按照操作票进行操作,系统对操作步骤进行比对,误操作将终止实验,重新进行实验。

(6) 验电操作等知识。 通过500kV 5221线路由运行到检修操作实验项目:学生接到实验任务,首先,要进行操作票的编制,然后按照操作票进行操作,系统对操作步骤进行比对,误操作将终止实验,重新进行实验。

(7) 重合闸、永久故障和瞬时故障的判别、故障范围的判定、故障点的准确定位等知识。 通过500kV 5221线路B相瞬时接地故障分析实验项目:学生接到实验任务,首先,要检查故障前的系统情况,然后开始实验,系统将自动加载故障,学生通过监控系统故障现象、一次设备仪器仪表现象、保护装置指示灯、压板、液晶现象进行故障分析,系统将以选择题、判断题、计算题的方式引导学生进行故障分析。

(8) SF6压力低闭故障范围扩大,超高压线路单相接地故障特征等知识。 通过500kV 5042开关A相SF6泄漏异常+5221线路A相单相接地复合故障分析实验项目:学生接到实验任务,首先,要检查故障前的系统情况,然后开始实验,系统将自动加载故障,学生通过监控系统故障现象、一次设备仪器仪表现象、保护装置指示灯、压板、液晶现象进行故障分析,系统将以选择题、判断题、计算题的方式引导学生进行故障分析。

(1)电脑1台

推荐配置:CPU:Intel i5; 内存:8GB;显存:1GB;硬盘:500G

(2)浏览器

为体验到最佳实验效果建议使用Mozilla Firefox 42以上;Google Chrome 46以上
(1)设备认知实验材料:500kV断路器、500kV隔离开关、500kV电压互感器、500kV电流互感器、500kV避雷器等设备的简介资料、主要技术参数简介等资料和试题;教师可根据教学情况和设备情况增加认知材料。

(2)运行操作实验材料:各种运行操作的训练和考核题目,教师可根据教学情况增加实验项目。

1. 把500kV 5221线由运行改为热备用;

2. 把500kV 5221线由热备用改为冷备用;

3.把500kV 5221线由冷备用改为检修。

(3)故障分析实验材料:各种异常、故障、事故的模拟训练和考核题目,教师根据教学情况增加故障分析实验项目。

1. 500kV 5221线路B相瞬时接地故障分析实验;

2.500kV 5221线路A相永久接地故障分析实验。
(举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果)

2008年起,上海交通大学电气工程系通过校园网开设了变电站仿真在线实验,之后采用虚拟现实技术对变电站仿真系统进行升级,以典型500kV变电站为原型,开发了基于云的超高压变电站运行及故障分析虚拟仿真实验系统。

实验系统涵盖了完整的超高压变电站一、二次设备三维模型和仿真模型,可以为学生提供真实、丰富的实际操作体验。实验课程采用由浅入深的递进式教学方法,包含设备认知、运行操作、故障分析三个模块。每个实验分为学习模式和考试模式。学生可以反复训练,自主拓展,增强工程实践能力和创新能力。

设备认知实验:在学习模式下,学生通过三维学习认识设备的构造、原理、技术参数等知识;在考试模式下,完成一定数量的题目后过关,完成相当数量关卡后即可通过设备认知实验项目的考核。例如:500kV断路器认知实验,学生学习断路器的灭弧室、端子箱、动触头、静触头、支撑绝缘子等断路器构造及外观,学习额定电流、额定电压、短时耐受电流、雷击耐受电压、工频耐压水平等主要技术参数,了解灭弧原理、分闸时间、合闸时间、行程、弹跳时间、弹跳次数等性能指标。系统设计了不同级别的考试题目,教师可根据教学情况规定学生必须通过的认知实验级别,学生也可以自主深入学习,达到更高的级别。

运行操作实验:在学习模式下,系统自动提示操作注意事项和步骤,学生可以进行相关操作目标的训练;在考试模式下,完成规定数量的操作题目后过关,完成规定数量的关卡后通过运行操作实验的考核。例如:5221线路由运行到检修操作实验,学生需要自行编制操作票,然后按照操作票进行操作,操作前要养成检查的习惯,本实验操作前就是要检查避雷器的泄漏电流是否正常,然后拉开线路开关,拉开后还要检查线路开关是否到位,然后进行隔离开关的操作,操作前要把远方就地开关切换到就地位置进行操作,然后仔细检查三相是否都到位。隔离开关操作完成后,还要进行接地开关的合闸操作,之前还需进行验电。

故障分析实验:在学习模式下,系统自动提示判断故障的性质、缩小疑似故障的范围,准确定位故障点等技能。在考试模式下,完成一定数量分析实验项目后过关,完成规定的关卡后即可通过故障分析实验项目的考核。例如:500kV 5221线路开关5042开关SF6泄漏后,5221线路发生A相永久接地故障分析实验项目,学生应仔细观察故障前的系统运行情况,系统自动触发SF6泄流故障,系统会报5042开关闭锁分合闸信号,然后接地故障后,保护动作,5042处于闭锁状态,跳不开,故障范围扩大了,就把范围最小的开关跳掉。监控系统信息量很多,因故障时电网电压降低,很多保护都启动。系统会以选择题、判断题的方式引导学生排除没有故障的,缩小有故障的范围,所有分析项目都正确完成后,自动形成故障分析报告。
(学生交互性操作步骤应不少于10步)

实验方法描述:学生通过浏览器,进入实验主页面,点击按钮分别进入设备认知实验、运行操作实验、故障分析实验三个实验项目进行实验,三个实验模块均有学习模式和考试模式。

在学习模式下,学生可以根据系统提供的提示和资料开展相关知识学习和反复训练,在考试模式下,系统自动弹出知识考核题目,完成一定数量的题目后过关,完成相当数量关卡后即可通过运行操作的实验项目的考核。教师可以根据情况设置每关操作项目的数量和关卡数量,以达到实验大纲所规定的课时和有效操作步骤的要求,每个级别的实验交互性操作步骤都不少于10步。每关必须全对的情况下才能进入下一关,如果有不正确,重新进行本关的考核。

学生交互性操作步骤数:62步

学生交互性操作步骤说明:

学生在三维场景中遨游,对变电站设备进行学习、操作、训练(W键往前,S键往后,A往左,D往右,鼠标右键转弯,左键进行操作)。

设备认知实验模块:系统自动弹出知识题,学生通过选择进行应答,完成规定数量的设备认知考题考核后,完成设备认知实验;如:断路器认知实验题目,针对断路器开断电流能力、额定电流、灭弧介质、防跳、绝缘性能、机械特性、操作次数、开断次数、操作过电压等知识进行出题。题目数量至少不小于10个,其它实验依此类推。

运行操作实验模块:系统自动弹出操作题目,学生可在监控仿真、一次场景、保护场景中进行交互操作。如:5221线路从运行到冷备用的操作,检查三相避雷器泄漏电流,遥控分闸5041,5042断路器,检查断路器操作结果,在三维场景中找到隔离开关,把控制权限切到就地位置,对隔离开关进行就地分闸操作,检查三相隔离开关的操作情况,把控制权切回远方,完成运行到冷备用的操作。

故障分析实验模块:系统加载故障前的工况,完成故障前检查后系统加载故障,学生通过监控系统、一次设备、二次设备的仪表仪器发生的现象进行分析,排除正常的,缩小故障范围,准确定位故障点的技能训练,系统自动提示引导学生进行故障分析,正确完成规定数量的故障分析任务后,完成故障分析实验。例如:单相永久接地故障分析实验,因500kV为中性点接地系统,单相接地时,会出现短路电流,差动保护会动作,距离保护也会动作。
实验结果与结论要求:
是否记录每步实验结果:是
实验结果与结论要求:实验报告
其他描述:
实验报告:实验人---登录对应的真实名字,单位---登陆人的实际单位,实验内容---完成题目的明细,实验日期---通过实验的时间。系统按照上述信息及实际的学习操作结果自动生成实验报告。

(1)设备认知实验

实验学习模式:完成学习后得25分;

实验考试模式:从题库中随机抽取25题(单选、多选、判断),每题3分,涵盖变电站主要设备的外观、功能、原理、主要技术参数等方面。

实验成绩=学习成绩+考试成绩。其中考试成绩在实验截止日期前可重复提交,取最高分。

(2)运行操作实验

实验学习模式:完成学习后得25分;

实验考试模式:从题库中随机抽取1题,每题75分,涵盖单母线、双母线的主接线方式;运行、备用和检修的设备状态。

实验成绩=学习成绩+考试成绩。其中考试成绩在实验截止日期前可重复提交,取最高分。

(3)故障分析实验

实验学习模式:完成学习后得25分;

实验考试模式:从题库中随机抽取1题,每题75分,涵盖各类型故障。

实验成绩=学习成绩+考试成绩。其中考试成绩在实验截止日期前可重复提交,取最高分。
专业与年级要求:电气工程及其自动化相关专业,大三

基本知识和能力要求:先修课程:电气工程基础(1)

对变电站主要设备常识、电气倒闸操作基本操作、不同故障对变电站内各种保护装置参数的影响有一定认知。
本校上线时间:2015-09-01

已服务过的本校学生人数:601

是否纳入到教学计划:是

所属课程教学大纲:下载

近两年已完成的教学计划或授课提纲:下载

是否面向社会提供服务:是

开放时间:2019-03-01

已服务人数:161

上海交通大学

实验负责人
刘东

教授

团队成员
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