智能变电站


一、虚拟仿真对象概述

变电站是电力系统的重要组成部分,随着其自动化程度的提高,对运行维护人员也提出了更高的要求。由于电力系统的特殊性,不能直接操作实际运行中的电力设备来进行培训。此外,变电站设备故障发生具有不可预见性,传统的培训方式较难全面的展示整个故障处理过程,因此较快处理突发故障对运行维护人员技具有较大挑战。

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目前传统的变电站技能培训主要以二维画面表现的软件仿真和以专用设备搭建的物理仿真。二维画面的真实性欠缺,物理仿真的代价太高,在新形势下采用传统培训手段很难发挥效果,甚至存在一定的缺陷和危险性。

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而虚拟现实(VR)技术可通过计算机产生三维虚拟世界,得到逼真的视觉、听觉、触觉的感知效果,使人产生身临其境的感觉,如同置身于真实世界一样,目前VR技术在游戏、军事等方面已得到应用,但是在电力行业应用较少,因此在变电站技能培训中研究出一套基于VR技术的培训模式具有重要的现实意义,有助于解决变电站设备维护人员培训不能直接操作真实设备和故障不可预见性导致的培训困难问题。

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以国家电网公司220kV典型智能变电站为基础,结合教学多样性要求进行仿真,主接线方案为:两台三相油浸式风冷三线圈有载调压变压器(SFSZ11-180000/220);220kV侧出线六回,采用双母线接线;110kV侧出线十回,采用双母线接线;10kV侧负荷出线10回,采用单母线分段接线。10kV侧母线配置8组电容器组供无功补偿使用,10kV两段母线上分别配置1台油浸式站用变压器(S11-315/10-0.4)供站内配电使用。

220kV侧高压设备采用户外GIS形式(封闭式),110kV侧高压设备采用户外AIS形式(敞开式),10kV侧高压设备采用户内KYN型配电装置。电容器组、电抗器、主变及站变均户外布置,电气设备平面布置图)。

二、设备安装调试仿真模块

要求对全变电站进行三维深度建模,能从任意角度显示出变电站立体结构,场景与真实变电站一致,外观符合国家规程规范及国网公司典型工艺标准要求。

1、全站所有电气设备(含本体、接地、标示标牌等)、建构筑物(含路面、房建、围墙、构架、设备基础等)三维模型。为配合巡视检查模块需要,断路器操作机构箱、10KV开关柜、各汇控柜(含合并单元、智能终端)均应建模(即:打开柜门或通过观察窗口所见结构可以使用图片表示)。

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  2、全站总体结构及各平断面仿真。根据变电站各种平断面图(含220KV主变、母线、出线及PT,110KV母线、出线及PT,10KV电容器、配电柜及中控室),完成基本设备的电气连接,形成高度仿真的三维场景。此环节需高度重视真实变电站现场的细节(如:设备安装高度、相别标识、巡视路径指示、开关标识标牌、中控室内环境氛围等),尽可能与拟仿对象现场情况完全一致。

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3、以动画方式呈现部分设备的结构展示

主要设备包括:主变压器、厂用变压、主变中性点成套设备、220kV FS6全封闭组合电器(含断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、套管)

4、智能变电站的主要知识学习。PTCT合并单元、断路器操作智能终端、主变汇控柜、直流屏、二次监控保护屏、通讯屏设备建模,通过图文介绍其构成、作用与基本工作原理。

5、主要电气设备的试验操作,主要项目包括:主变压器试验项目(含直流电阻、变比、绝缘电阻、介损角、泄漏电流等测试)、需对试验中可能用到的设备、工器具、仪表等建模。

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三、变电站巡视检查仿真模块资源需求

本模块根据拟定的220kV典型智能变电站总体结构、设备的布置和标准化作业指导书对变电站进行运行期间的巡视检查仿真。本模块需完成的功能包括:变电站巡视检查路线设置3种、各种气象条件模拟3种(晴天,下雨,下雪)、主要异常现象10种设备,每种设备制作一种异常状态、220KV GIS设备巡视检查仿真、110KV户外配电装置巡视检查仿真、10KV户内配电装置巡视检查仿真。具体如下:

(一)220KVGIS设备巡视检查仿真

1、检查开关、刀闸、接地刀闸的现场位置指示正确。

2、检查开关、保护各种信号灯的指示正确,综自设备显示正常。

3、检查各气室SF6气体压力正常,气体密度、机构弹簧储能正常。

4、设备外观无异常,本体无变形,各阀门管路良好无变形,设备无异常声响,无异常气味,设备外壳无锈蚀。

5、接地端子是否有过热现象。

6、外壳接地完好(接地铜排良好)。

7、对GIS设备接头、壳体及二次盘柜接线进行红外测温。

8、查看GIS三相电流平衡。

9、检查操作机构传动机构良好、断路器电机良好、机构和本体无有无渗漏。

10、GIS设备操作后的检查

(二)110KV户外配电装置巡视检查仿真

1、各断路器开关位置指示正确、机构正常、气体压力正常。

2、各隔离开关动、静触头接触良好;触头、触片无损伤、变色;弹簧无锈蚀、断裂、变形。

3、各电压互感器、电流互感器的气压正常、瓷套及接头正常。

4、各避雷器放电计数器及动作次数,泄漏电流值等。

5、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器等设备外绝缘表面无脏污、受潮、裂纹、放电、粉蚀现象。

(三)变压器巡视检查仿真

1、检查变压器声音应正常。

2、检查油枕和充油套管的油位、油色应正常,各部位无渗漏油现象。

3、检查油温应正常。

4、检查变压器套管应清洁、无破损、无裂纹和放电痕迹。

5、检查引线接头接触应良好。

6、检查呼吸器应完好、畅通,硅胶无变色。油封呼吸器的油位应正常。

7、防爆管隔膜应完好无裂纹。

8、检查冷却器运行正常。。

9、检查气体继电器。

10、检查变压器铁芯接地线和外壳接地线。

11、检查调压分接头位置指示应正确,各调压分接头的位置应一致。

12、检查电控箱和机构箱。箱内各种电器装置应完好,位置和状态正确,箱壳密封良好。

13、变压器特殊巡视检查项目

(四)巡视前准备工作(图文说明)

1、人员精神状态正常,着装符合要求

2、工器具与仪器仪表准备

3、巡视记录的准备及填写

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四、变电站设备倒闸操作仿真模块资源需求

倒闸操作应按照《电业安全工作规程》的要求进行,倒闸操作必须根据值班调度员或值班负责人命令,受令人复诵无误后执行。

任务的发布可通过点击内置任务模拟调度发布命令也可由教师现场发布任务,内置任务的发布要求具备语音功能和窗口显示功能,发令和受令均应录音。受令人接受任务后点击操作票的填写,系统应自动导出倒闸操作票(格式)供学员填写。

系统能够对操作票进行编辑(审票),审票后进行电子签名。操作票应在图形系统上模拟预演,模拟预演合格后方可进行实际操作。操作票系统能够根据变电站的实际运行情况内置标准操作票,系统将标准票和学员填写的操作票进行比较进行评分,生成分数。

倒闸操进入“培训”模式时:系统应设置“自动演示模块”并在操作中设置“自动纠错功能”,若不按正确的操作步骤,仿真界面上应显示“操作错误”提示和报警。倒闸操进入“实操”模式时:系统不进行自动纠错,一旦发生误操作系统应采取惩罚性措施,同时系统设置相应的评分体系。

安全用具应按规定分类存放在指定位置,倒闸操作中未按规定使用安全用具或安全用具使用错误,应进行处罚和扣分。

模块资源需求主要如下:

(一)发布和接受命令

(二)开关设备的现地与远方操作

1、断路器现地与远方操作:220kV断路器远方操作;

2、接地开关的分、合操作和拆、装接地线

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(三)线路的停电、送电操作

1、220kV线路

(1)220kV羊江Ⅰ线261断路器由运行转断路器及线路检修

2、110kV线路

110kV工业区1Y线163断路器由运行转热备用

3、10kV线路

10kV站用变压器41B回路961断路器及线路由检修转运行

(四)倒母线操作

1、220kVⅠ组母线及母线TV由运行转检修

2、220kVⅠ组母线及母线TV由检修转运行

3、110kVⅠ组母线及母线TV由运行转检修

4、110kVⅠ组母线及母线TV由检修转运行

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(五)变压器的停电、送电操作

1、220kV1#主变压器由运行转检修

2、220kV1#主变压器由运行转热备用

(六)安全用具仿真

验电器、接地线、绝缘棒、绝缘手套、绝缘靴、绝缘垫、安全帽、绝缘夹钳、护目镜、遮拦、警示牌等。

五、变电站设备事故处理仿真模块资源需求

要求在主界面上设置“故障和异常模拟”按钮,在“故障”或“异常”(以故障为例说明,异常情况同,不赘述)界面下设置“故障设备或线路”、“故障性质”、“故障范围”选项,当以上三项选项确定后,按“开始模拟”按钮,事故音响响起,可以分别查看以下信息:首先查看“中央信号”,需要再按性质将信号分类,分为“事故信号”和“预告信号”;然后查看保护动作情况:调出故障设备的保护,查看主保护或后备保护动作的信息;第三查看断路器的位置信号,调出电气主接线运行潮流图,查看相应的断路器绿灯闪烁,并该回路的电流、功率均为零;最后打开设备安装现场(户外GIS或AIS或户内开关柜),查看断路器的位置指示,是否在跳闸位置。当以上查看进行完毕,即已确认故障的真实性后,开始进行故障处理。

以上步骤也可以按相反的步骤进行,即先查看信息,然后由学员来定义“故障设备或线路”、“故障性质”、“故障范围”三个选项,定义正确过关,不正确惩罚。

设置“解除故障”按钮,系统内预置“正确”的处理方案,步骤,每步设置多个选项,学员进行选择,选择正确进入下游环节,不正确进行惩罚性反馈。

故障和异常模拟:

l  变压器短路故障处理

l  变压器接地故障处理

l  电缆接头、母线接头发热故障处理

l  其它故障模拟使用图文介绍形式表现

六、岗位考核与技能鉴定模块资源需求

技能考核分为实操型和考试型两种。

由后台机设置知识、技能题量比例(或单独组卷),各客户端随机抽取题目形成考核内容,学员在客户端作答,后台机自动评判并统计成绩,实时反馈考核结果(该功能可在后台机关闭)。所有数据全部存储五年以上,应有自动统计分析功能,方便各类数据的统计上报和打印。

题库由前述四大模块的知识、技能内容组成,知识考点全部为客观题,技能考点要求交互与评判功能。开发时注意保留资料,需方不再单独提供题库。

后期有其他国家标准题库时,要求本系统能兼容运行。其他类型的标准化考试系统也应能在本实训中心上机考核。

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本模块的架构首先由开发方提供,需求方组织人员研讨后确定。

安全运行规程学习与考核

l  电气一次、二次系统知识考核

l  变电站运行工、检修工岗位技能考核

l  技能考核成绩自动统计汇总分析

虚拟现实技术在电力行业的应用不止于此。目前已有实践的包括上面提到的电力工程规划及建设,还有电力运行及检修和电力营销方面也有一定的应用。

  • 应用到电力安全生产警示教育

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2017年2月,玉溪供电局创新性地把虚拟现实技术应用到电力安全生产警示教育中,将安全生产警示教育虚拟和具体化,主要针对新员工、转岗员工、违章人员进行培训,达到警示、教育的目的。这在国内电力系统中属于首创。

在安全警示室里,员工们头戴虚拟现实头盔,手握手柄控制器,身穿体感背心,在特定的空间中模拟,进行变电站刀闸操作,高压配电室挂设接地线,虚幻的环境和逼真的感官刺激,让前来体验的员工大呼过瘾。目前开发出高空坠物情景模拟、变电站事故情景2个模块。下一步,玉溪供电局将不断完善模块细节,增加输配网线路高空作业和变电检修模块,并在玉溪电网范围内同步推广应用。

  • 辅助电表箱装配教学

电表箱装配应该是计量人员经常接触的,需要知道在电表箱里怎么安装设备、怎么布线等,利用虚拟现实技术可以模拟出电表箱的场景,如下图所示,第一个是电表箱,第二个是货架,从货架可以拿到需要组装的零件,然后按照组装顺序,一步一步按要求完成组装。通过交互设备还可以实现信息查询和知识培训。

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  • 应用到变电站检修培训

  在输变电维护、巡视中,运用虚拟现实技术,一比一比例模拟变电站的工作环境,可实现运检作业引导,自动识别目标操作设备,将生产运行指令以可视化方式提示,并智能监督操作人按规程、按步骤完成工作。

  目前操作培训是基于实物进行的,由于高压导致一定的危险性存在,且无法记录操作者的每一步操作是否都符合规范,而利用虚拟现实技术一比一的还原变电站的实际场景,通过手持设备和视觉感知设备,可以让工作人员看到哪个环节比较容易出问题,并伴有随时的解说,告知该如何操作。在这个区域里,也会针对不同的区域进行警示,围栏的设计、高危区的设计等,能够很好的帮助变电站检修人员,增加检修的学习体验,增加对设备的亲近感。

  • 应用到特高压技术培训

   2016年6月12日,国网江苏电力将虚拟现实数字化技术率先应用到特高压技术培训之中,推出了特高压变电站虚拟现实(VirtualReality)场景学习。学员带上VR眼镜后,可通过空中俯视或地面环视等多种视角,了解特高压变电站的构造原理,不仅可以近距离“接触”特高压设备,还可以通过肢体环视,全方位地看到变电站场景,获得真实的现场体验。

  • 虚拟现实技术辅助输变电工程设计

  利用互联网+VR交互技术,帮助设计人员提高设计经验,不一定亲临现场,可能通过数据的对比,通过虚拟化的视觉构建去体验真实的情况,帮助更好的设计。

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  通过互联网+VR交互技术可与三维辅助选线设计进行融合应用,实现沉浸式体验。可将现场的三维现场勘测结果、设计影响因子、输电典型 设备组件三维模型库呈现在设计人员眼前,并为设计人员提供一种身临其境的场景环境,协同开展输电线路设计。

  • 虚拟现实技术应用到电力巡检

   应用于电表箱检修,电表箱检修中,检修人员可以通过电表箱上贴的标签,来去更好的进行检修。这里需要给检修人员配备增强设备,设备上伴有摄像头,会识别电表和电力设备上面特殊的标识符,然后通过计算或者通过后台系统,查询出相匹配的信息化的手段。

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  比如图2,显示出电表箱里的线路图,或者设备相关的一些属性信息,提供给检修人员,帮助检修人员更好的检修。

    应用于日常巡检,2016年12月,由国网重庆电力公司联合国家电网全球能源互联研究院信息通信研究所负责开发建设的可穿戴智能设备项目——“电力智能巡检眼镜”正式通过国家电网信通部专家组评审,标志着可穿戴电力智能巡检眼镜在重庆研制成功。

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 电力智能眼镜以安卓和windows系统的智能眼镜为平台,采用大数据及智能感知交互等前沿技术,具有地图导航、语音识别、自动拍照、远程交互等功能。借助电力智能巡检眼镜,电力工人可以自动采集、记录、分析处理实际观测到的电力设备数据,并支持专家远程会商,指导电力工人处理作业现场问题。

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  另外应用虚拟现实技术,研发互动营业厅虚拟现实场景应用,可实现业务办理、故障报修、咨询服务、电费缴纳等立体演示功能。通过互联网+VR交互技术与地下电力管线应用管理结合,开发应用场景,对于实现地下电力管线查询、管线走向及管孔占用情况查看等也具有非常重要的辅助作用。

经典案例