水电厂实时跟踪/故障仿真培训系统的设计与研究

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  摘要:为充分发挥水电厂跟班实习与仿真机实习的优势,提高实训效果,本文提出了一种在青峰岭教学电厂计算机监控系统基础上,建立实时跟踪/故障仿真培训系统的设想。该系统能充分利用水电厂计算机监控系统资源,开发时间短,资金投入少,可满足批量培训的要求,具有较好的推广应用价值。
  关键词:实时跟踪;故障仿真培训;计算机监控系统;水电厂;学生实习
  
  随着高职教育改革的深入及用人单位对高职毕业生“零距离”上岗的要求,追切需要一个比较好的实践过程来强化学生对所学知识的理解和运用,并进一步转变为工作岗位所需的专业技能。目前,学生在水电厂的实习方式主要有两种,即到水电厂跟班实习及在仿真机组上实习。
  水电厂跟班实习具有一定的优势,如通过日常的监盘、巡视工作及现场教学等,学生容易熟悉现场设备及电厂的实际运行环境,容易在实际工作环境中获得岗位工作所需要的知识、技能和态度。然而,由于电力生产“安全第一”的特点,不可能更不允许对发电机组任意开停机。特别是徒弟和学生,为避免误操作,在获得上岗证和操作许可证之前,只能看,没有动手的权利。因此学生到现场,只能看师傅如何操作,自己无动手操作的机会,特别是大型水电厂或变电站,学生只有敬而远之。个别小型水电站(如青峰岭电站),虽然提供了一定的学习和实习条件,但现阶段也只能是几十个学员观看一台监控计算机,不能满足人人动手,实时跟踪和操作的需求,反事故训练更不可能。
  学生在仿真机上实训,现已被各培训中心和大专院校所普遍采用。虽然可解决部分水电厂跟班实习不能解决的问题,如学生不仅可进行正常操作培训还可进行事故/故障培训,不存在安全问题,允许多次重复操作等,但由于单纯的仿真机培训不能完全反映现场的实际环境,在仿真机上操作存在随意性,不利于学生责任心及操作规范的形成。除此之外,开发全过程、全范围的仿真水电厂需投入大量的人力、物力且开发周期长,特别是在已有实训电厂的情况下,开发全过程、全范围仿真水电厂更是得不偿失。
  另外,无论是到电厂跟班实习,还是在仿真机上实习,在量的教学上,都没有解决人人动手,批量教学的问题。由于学生人数多,每遇机组开停机等重要操作,常常是几十个学生围住一台监控主机,虽然师傅百般努力,但也不可能让所有学生都彻底了解和人人动手。只看不练,久而久之,学生的学习热情就降低了。从多年的实践教学和学生反馈来看,现行水电厂跟班实习和仿真培训都存在不足,效果不佳,更达不到批量培训的质量要求。
  综上所述,为将水电厂资源和仿真机培训资源整合起来,充分发挥电厂跟班实习及仿真培训实习的优势,实现人人动手,批量教学,达到更好的实习效果,本文提出7--种在水电厂计算机监控系统基础上,建立水电厂实时跟踪/故障仿真培训系统的设想,且该系统正在付诸实施。
  
  一、设计思路
  
  青峰岭教学电厂实时跟踪/故障仿真培训系统是一个建立在青峰岭教学电厂计算机监控系统基础上的、多操作站的网络系统。它由实时跟踪系统和事故/故障仿真培训系统两部分组成,集教学、培训和科研于一体。其设计思路如下。
  首先,学生可在任意一台学员站上,通过跟踪服务器实时跟踪水电厂的运行情况,与值班员一道同步监盘、巡查,有充分的时间和机会掌握被监控水电厂的全部情况;同时又可在教员站授权的情况下,进行针对真实设备的实际操作。其次,学生可通过仿真服务器进行事故/故障处理培训,学会事故/故障分析处理的方法和步骤,积累事故/故障处理的经验,提高应急能力和对机组运行的综合分析能力。再次,学员可通过仿真服务器上的学习资源库所提供的电子资料进行自学,扩充知识面,达到更好的实习效果。
  此外,还应通过一系列的硬件或软件措施,保证在任何情况下,实时跟踪/故障仿真培训系统的运行都不影响水电厂计算机监控系统的正常运行。
  
  二、系统构成及特点
  
  水电厂实时跟踪/故障仿真培训系统建立在青峰岭教学电厂计算机监控系统基础上,由实时跟踪系统和事故/故障仿真培训系统两部分构成。
  
  1.系统硬件构成及特点
  (1)青峰岭教学电厂计算机监控系统及其与实时跟踪/故障仿真培训系统的连接。青峰岭教学电厂为四川电力职业技术学院(以下简称“我院”)的校内实训基地,它集生产、教学、培训为一体,是我院自行设计的有着30多年发电历史的老二该电厂为引水式电设计水头34.0米,设计引用流量14.4立方米/秒,总装机容量为3x1.25MW,采用三臺HL263-LJ-100及TS215/36-16水轮发电机组,额定转速为375转/分,该电厂经自动化改造后已全面实现微机综合自动化和视频监视。
  该电厂计算机监控系统采用分层分布式结构,主要分为电厂控制层和现地控制层。电厂控制层由两台一机双屏操作员站、一套系统数据库服务器、一套工程师工作站、一套便携式维护设备、1台A3黑白网络激光打印机及1台A3彩色打印机构成;现地控制层由3台机组现地控制单元和发电机/主变/母线/线路的微机保护装置构成的局域网共同组成。电厂控制层与现地控制层之间采用100M快速光纤单以太环网连接。
  该电I-ST算机监控系统与实时跟踪/故障qsN培训系统的连接如图1所示,即在该电厂计算机监控系统以太环网上再接入一台带硬件防火墙的路由器(图中点划线框起部分)。该路由器经光纤与实时跟踪服务器相连,再通过相应的通信协议即可实现计算机监控系统与实时跟踪/故障麒培训系统间的信息交换。
  (2)实时跟踪/故障仿真培训系统硬件构成及特点。图2为实时跟踪/故障仿培训系统结构图。它由一套跟踪服务器(兼做教员站)、一套事故/故降仿真服务器(兼做教员站)、20套教学终端(学员站)、1台24端口千兆级工业交换机,一台带硬件防火墙及光纤接口的路由器及网络连接部件构成。其中:实时跟踪服务器兼做教员站,该服务器配置千兆级双网卡其中,一块网卡经工业交换机与各学员站相连,另一块网卡通过光纤经带防火墙的路由器与教学电厂计算机监控系统相连。仿真服务器也兼做教员站,配置千兆级网卡,该网卡也通过工业交换机与各学员站相连。
  
  2.系统软件构成及特点
  实时跟踪/故障仿真培训系统的软件由计算机系统软件、实时跟踪软件、事故/故障仿真培训软件、学员站软件、教员站软件、学习资源库、安全管理软件、实时数据库管理软件及通讯软件等构成。
  (1)计算机系统软件。计算机系统软件包括每台计算机的操作系统软件、网络软件及为系统服务的实用工具软件等。
  (2)实时跟踪软件。实时跟踪软件安装在跟踪服务器上,学员站通过它可实现对真实机组的监视和控制。其特点如下。
  1)实时监视:当系统切换至实时跟踪功能时,每台学员站都可从跟踪服务器上直接获取计算机监控系统的实际运行数据,学员在学员站上就可通过动态画面对水电厂的实际运行情 况进行监视。学员站的人机界面及相关数据随着计算机监控系统实时数据的更新而不断更新。
  2)实时控制:在系统切换至实时跟踪模式且教员站授权操作的情况下,学员可在学员站上对电厂的实际设备进行控制和调节。此时,学员站所实现的功能与实际操作员站没有区别。常见的控制和调节有:开/停机操作、断路器/隔离开关等设备的投切、有功/无功调节、倒闸操作、辅助系统、二次系统的操作等。
  3)跟踪服务器还具有审核学员站控制权限的功能,在任何时候只允许一台学员站通过审核,具有控制权限,其他未通过审核的学员站发出的控制命令一概作废。
  4)实时跟踪服务器由电厂值班师傅统一管理,接受值班师傅的人工授权,且值班师傅可随时退出该机的运行。
  5)跟踪服务器还具有监视和纠正学员站误操作的功能。
  6)跟踪服务器与计算机监控系统之间设有硬件防火墙和软件防火墙。跟踪服务器与仿真服务器采用两个完全不同的IP服务,以避免不同系统间的串扰和黑客的侵入,保证计算机监控系统的安全。
  (3)事故/故障仿真培训软件。事故/故障仿真培训软件安装在仿真服务器上,它应结合声光报警、画面推出、图片显示、动画、视频等多种方式尽量真实地再现事故/故障发生时的现场,给学生以身临其境的感觉,并能结合画面给予动态提示或相关知识链接,指导学生分析、判断及处理事故或故障。
  仿真的事故/故障类型有:水轮机、调速器的事故/故障;发电机、励磁系统事故/故障;主变压器异常/事故;辅机子系统事故/故障;输电线路事故/故障;母线常见事故/故障;开关的拒合/拒分故障;厂用交直流电源故障。
  (4)学习资源库。该学习资源库既可安装在故障仿真服务器上,又可安装在每台学员站上。该资源库主要包括大中型水电厂的运行规程、图纸、实验标准、设备使用说明书、论文、实例、教学课件等电子资料及AutoCAD、3DSMAX、VC、VB、組态王、触摸屏、PLC等学习软件。该资源库为学生自学提供方便,便于学生知识面的拓宽。
  (5)教员站软件。教员站软件分别安装在实时跟踪服务器和仿真服务器上,它是实时跟踪/故障仿真培训服务器有效实现其培训功能的重要软件,它能实现事故/故障设置、监视和控制学员站的操作过程、控制权的切换、选择学员的培训项目等功能。在实时跟踪模式下,必须在教员站授予该学员站实际操作权限的情况下,该学员站才能进行实际的控制操作,否则只能进行监视。并且在同一时刻,仅允许一个学员站拥有实际操作权限。
  (6)学员站软件。学员站软件安装在学员站上,学员可在学员站上通过实时跟踪服务器或故障仿真服务器实现实时跟踪水电厂实际运行情况或进行各种事故或故障仿真培训的功能。
  


  (7)实时数据库管理软件。该软件能满足所有应用软件对实时数据的响应,实现实时跟踪系统对动作实时性的要求。该软件可采用完全模块化设计,与应用软件完全分离,应用软件只需简单的命令便可与此数据库连接。
  (8)通讯软件。该软件主要实现实时跟踪服务器与青峰岭教学电长计算机监控系统之间以及实时跟踪/故障仿真培训系统内部的通信功能。
  (9)安全管理软件。该软件主要是为避免因实时跟踪/故障仿真培训系统的运行影响计算机监控系统的正常工作而开发的。此外,它还包括一些防病毒软件、防干扰及防黑客攻击的软件等。
  
  三、买训项目
  
  根据青峰岭水电厂运行的实际,采取分值分组跟班实习的方式。将学生分成四个值进行四班三倒的跟班实习。每值的学生又可分成2~3个小组,设值长、组长、普通运行人员三种角色,学生的角色定期轮换。实习时间为7~8周。学生除进行日常的监盘、抄表外,为提高实训效果,还应按下列项目进行培训和考核。
  
  1.设备巡视捡查项目
  主要包括水轮机、发电机、变压器、调速器、励磁装置、水电站常见配电装置、水电站直流系统、水电厂的监控装置屏、水电站油、水、气系统的巡视检查。这些巡视检查在水电厂内进行。
  
  2.实际操作项目
  主要包括机组开/停机操作、有功/无功的调整、倒闸操作、装设及拆除接地线操作。除装设和拆除接地线操作可根据实际情况在现场进行实际操作外,其余操作学员都可在实时跟踪教员站授权的情况下,在学员站上进行操作。届时,只有一名学生有操作权限进行实际操作,其他学生可在自己的学员站上监视操作过程。
  
  3.事故/故障分析处理项目
  主要包括水轮机、发电机、调速器、励磁系统、主变压器、辅机子系统、输电线路、母线的事故/故障分析处理,开关的拒合/拒分、厂用交直流电源故障分析处理等。事故/故障分析处理培训主要在实时跟踪/故障仿真培训系统上实现,一些较易实现的事故/故障处理模块,如剪断销剪断、油泵或水泵启动异常等故障可在现场进行。
  
  四、结论
  
  综上所述,采用该实时跟踪/故障仿真培训系统进行实训能充分发挥电厂跟班实习与仿真机实习的优势,使人人有机会进行实际操作,激发学生的学习热情,有效利用学生的实习时间,达到较好的实训效果。另外,在原有水电厂计算机监控系统基础上开发实时跟踪/故障仿真培训系统能充分利用水电厂原有资源,建设时间短,投入资金少,实训效果好。其他中小型水电厂也可根据自身特点,开发适合自己的实时跟踪/故障仿真培训系统,用于水电厂生产人员的培训和考核。
  
  参考文献:
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其他文献
本研究通过对"十五"期知识生产能力和人才培养能力方面差异明显,均呈现出东部院校强于西部、更强于中部院校;其科技经费投入与其知识生产能力相关性最高,高水平科研可以促进教学质量的提高。