新型电力系统虚拟仿真实训基地
关键词：新型电力系统 虚拟仿真 职业教育 教学改革 游戏化 严肃游戏 平台云部署
一、实训基地功能：
1：认知主要设备，掌握设备结构、型号、主要技术参数的选择。 电气设备模型 3D场景搭建
主要设备3D建模，结构爆炸讲解，型号参数等职技能点可以调用动画、PPT图片等线上教学资源讲解。
主要设备包括：发电机、变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、电容器、避雷器、保护屏柜、通信屏柜、监控计算机、高压开关柜、低压开关柜、电动机控制箱、电动机、水泵及其阀门、光伏、储能、充电站、架空线路、电缆线路。
2：管理员可以修改任务书，玩家按照任务书要求，通过交互界面菜单等方式，选择实训基地场地，调用场景资源，搭建电力系统生产场景，调用电气设备模型，搭建新型电力系统，布置安装、连接电气设备，选择、调用管理员设置的电气设备参数和缺陷，玩家也可填写电气设备运行参数和缺陷等，设备具有与其他设备连接点的对接功能，具有缺陷人为设置和自动生成、显示和隐藏功能。任务书有不同规模的新型电力系统的搭建，可以分批开发完成。
3：新型电力系统搭建完成后，在运行状态，可以进行设备运行调试。确认电气设备操作正常、调节正常和运行参数显示正常，连接的设备具有数据传递功能。
断路器和隔离开关，能实现就地手动、就地电动和远方监控功能，并能显示操作结果；发电机能调节励磁增减无功，调节原动机出力增减有功；电动机通过调节水泵阀门进行调节负荷。设备固有参数和运行参数可以在智能终端液晶屏上和监控计算机显示。
4：新型电力系统性能试验。
（1）电压与无功功率调节试验（先做）；（2）频率与有功功率调节试验（先做）； （3）功角与用工无功调节试验（后期做）；（4）短路电流测试试验（后期做）；（5）其他自动装置动作验证试验（后期做）
5：设备巡回检查功能
管理者和玩家可以配置设备缺陷，玩家可以设置和随机生成缺陷，巡回检查时发现缺陷并记录成绩。缺陷可以是模型设备缺陷、安全距离缺陷、参数缺陷和运行数据缺陷。
6：软件具有技能等级理论和实操考核功能，软件具有就地服务器部署和远程云部署功能，具有用户注册登录功能，具有自测和综合测试自动保存功能（成绩智能分析功能），管理者试题导入组卷功能和对玩家管理功能，玩家技能等级显示功能。
7：软件具有多任务设置和运行功能，支持多个玩家同时玩。
二、设备认知
开发：赋予各种电气设备固有参数、运行参数和缺陷的设定功能，赋予各种电气设备运行时，数据传递自动获取相邻设备运行参数功能
学习者：根据任务书要求，调取选择所需搭建场景的资源、电气设备模型，学习设备结构，选定设备参数，搭建电力系统，并调试、操作、调节和事故处理，获得相应积分和等级并显示。
三、搭建新型电力系统
开发：电气设备就位安装接线后，具有运行参数传递功能，具有短路电流计算功能，电线电缆具有布线时位置变换功能，带电体相间和对地具有距离测量和记录功能，不符合距离要求，具有安装错误记录功能。
学习者：搭建新型电力系统，调试传动设备。
四、新型电力系统性能试验
（一）电压与无功功率调节试验
（二）频率与有功功率调节试验
（三）功角与用工无功调节试验
汽轮发电机冲转从0至3000转/分钟（频率50赫兹）后，通过增加发电机转子励磁电流，发电机额定电压从0至6kV。
合上DL1断路器，升压变压器有电压，合上DL2断路器，110kV线路有电压，合上DL3断路器，降压变压器有电压，合上DL4断路器，10kV高压开关柜母线有电压，此时，所有回路没有负荷电流。
机械负荷调至最小，合上DL5断路器，DL5所带电动机转动，此时有少量有功负荷P5和无功负荷Q5，降压变压器带有功负荷P5和无功负荷Q5，降压变压器有功损耗∆P降和无功损耗∆Q降，线路有功损耗∆P线，无功损耗∆Q线，升压变压器有功损耗∆P升，无功损耗∆Q升。所以，合上DL5断路器后，发电机带有功负荷P发=P5+∆P降+∆P线+∆P升,发电机带无功负荷Q发=Q5+∆Q降+∆Q线+∆Q升。
由于发电机突然带有功负荷，发电机转速下降，由于发电机突然带无功负荷，发电机电压下降。增加进气量，使转速升至3000转/分钟，增加发电机转子电流，使发电机电压升至额定电压6kV，发电机带小负荷正常运行。发电机在发电容量许可的范围内，电力系统内的发电机发出的有功功率等于电力系统的所有有功负荷和电力系统变压器线路的损耗之和，电力系统维持频率50Hz运行。
通过改变发电机转子励磁电流，可以改变发电机发出的无功功率，通过调节汽轮机主汽门，调节进气量，可以改变发电机发出的有功功率，以满足有功和无功负荷的变化。如果调整不及时，当发电机发出的有功功率大于负荷的有功功率与线路变压器的有功损耗时，发电机转速大于3000转/分钟，电力系统频率大于50赫兹，反之则反，当发电机发出的无功功率大于负荷的无功功率与线路变压器的无功损耗时，发电机电压升高，反之则反。
（四）短路电流测试试验
指定故障点，设定故障时间，系统自动故障，保护装置和监控计算机自动显示记录故障信息。
（五）其他自动装置动作验证试验
五、任务书
利用新型电力系统虚拟仿真实训基地软件，多人同时工作，设计、搭建场景、安装设备、操作调试新型电力系统，并做电力系统性能试验，设备巡回检查、也可以一人完成。训练过程中，可以自行选择小题量的答题自测，检查知识技能掌握情况，训练结束后，选择理论和实操综合测试，获取测试结果分析，获得相应等级勋章，成绩优秀的，获取虚拟实训技能等级证书。
六、涉及专业技术：电力系统技术、游戏制作技术、职业培训教学技术
学员
老师
模型 场景
交互
游戏
引擎
连接线
（架空线路和电缆忽略有功无功损耗时，视为连接线）
A1
B1
C1
N1
PE1
A2
B2
C2
N2
PE2
f2、P2、Q2、φ2
UA2B2、UB2C2、UC2A2
UA2、UB2、UC2
IA2、IB2、IC2
φA2、φB2、φC2
PA2、PB2、PC2
QA2、QB2、QC2
f1、P1、Q1、φ1
UA1B1、UB1C1、UC1A1
UA1、UB1、UC1
IA1、IB1、IC1
φA1、φB1、φC1
PA1、PB1、PC1
QA1、QB1、QC1
设UA2相位角为0°
则：
UA2∠0°
IA2∠-φA2
UB2∠-120°
IB2∠-120°-φB2
UC2∠120°
IC2∠120°-φC2
设UA1相位角为0°
则：
UA1∠0°
IA1∠-φA1
UB1∠-120°
IB1∠-120°-φB1
UC1∠120°
IC1∠120°-φC1
汽轮发电机
汽轮机
主汽门
A1
B1
C1
N1
PE1
f1、P1、Q1、φ1
UA1B1、UB1C1、UC1A1
UA1、UB1、UC1
IA1、IB1、IC1
φA1、φB1、φC1
PA1、PB1、PC1
QA1、QB1、QC1
额定转速下，发电机空载，增加励磁电流，发电机电压增加，无功功率和有功功率都为零。
额定转速下，发电机电压额定电压时，可以在同期点并网。
发电机并网后，可以发出有功功率和无功功率。
P1随着主汽门的改变而改变，主汽门开小P1减少，主汽门开大P1增加。Q1随着励磁电流的改变而改变，励磁电流增加无功增加，励磁电流减小无功减小。
设UA1相位角为0°
则：
UA1∠0°
IA1∠-φA1
UB1∠-120°
IB1∠-120°-φB1
UC1∠120°
IC1∠120°-φC1
水泵（负荷）
三相交流电动机
阀门
A1
B1
C1
N1
PE1
P1随着阀门的改变而改变，阀门开小P1减少，阀门开大P1增加。阀门全关，电动机空载运行，空载电流可通过实验测得。
电动机无功功率是感性无功，随电压的变化而变化，电压增加无功增加。
当电动机的机械负载增加时，转子电流增大，导致定子电流中的无功分量（用于建立磁场的电流）增加，从而使得无功功率也增大
电动机的功率因数随着负荷的减小为减小。
f1、P1、Q1、φ1
UA1B1、UB1C1、UC1A1
UA1、UB1、UC1
IA1、IB1、IC1
φA1、φB1、φC1
PA1、PB1、PC1
QA1、QB1、QC1
设UA1相位角为0°
则：
UA1∠0°
IA1∠-φA1
UB1∠-120°
IB1∠-120°-φB1
UC1∠120°
IC1∠120°-φC1
变压器（TA、TV可以参考）
（变压器忽略有功无功损耗时，通过变比改变电压电流幅值，通过接线组别改变电压电流相位，传输的有功无功功率因数和频率不变）
A1
B1
C1
N1
PE1
A2
B2
C2
N2
PE2
设UA2相位角为0°
则：
UA2∠0°
IA2∠-φA2
UB2∠-120°
IB2∠-120°-φB2
UC2∠120°
IC2∠120°-φC2
设UA1相位角为0°
则：
UA1∠0°
IA1∠-φA1
UB1∠-120°
IB1∠-120°-φB1
UC1∠120°
IC1∠120°-φC1
f2、P2、Q2、φ2
UA2B2、UB2C2、UC2A2
UA2、UB2、UC2
IA2、IB2、IC2
φA2、φB2、φC2
PA2、PB2、PC2
QA2、QB2、QC2
f1、P1、Q1、φ1
UA1B1、UB1C1、UC1A1
UA1、UB1、UC1
IA1、IB1、IC1
φA1、φB1、φC1
PA1、PB1、PC1
QA1、QB1、QC1
发电机21
负荷21
复杂电力系统潮流计算数学模型
发电机01
无穷大系统，短路阻抗为0
母线2
母线1
负荷01
发电机11
母线3
发电机12
负荷31
母线4
负荷32
无穷大系统，有短路阻抗
负荷41
发电机41
