城市軌道交通變電所綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹振豐，陸　斌

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海201418）

0　引言

近年來，全國軌道交通運(yùn)營里程持續(xù)增加，各地鐵公司對變電專業(yè)的運(yùn)維保障人員要求也在逐漸提高。為了使?fàn)恳╇妼I(yè)學(xué)生盡可能建立起城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)維的整體概念及滿足日常教學(xué)和實(shí)訓(xùn)要求，地鐵公司缺少相關(guān)的具有操作功能的綜合實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，因此需要一個(gè)具備實(shí)際場景和操作功能的變電所綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

本文提出的城市軌道交通變電所綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是基于實(shí)際運(yùn)行的地鐵牽引降壓混合所而設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)包含了模擬牽引變電所、模擬降壓所、模擬直流饋線及牽引網(wǎng)、變電所綜合自動化系統(tǒng)、故障模擬系統(tǒng)，主要用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該系統(tǒng)有助于學(xué)生理解和掌握城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)一次設(shè)備以及繼電保護(hù)、控制、測量、信號等自動化設(shè)備的工作原理、功能使用、維護(hù)操作、故障排查等專業(yè)技術(shù)[1]。本系統(tǒng)也可作為地鐵變電檢修、維護(hù)保障人才的培訓(xùn)設(shè)備，培養(yǎng)“倒閘操作熟練、故障判斷處理準(zhǔn)確、檢修技術(shù)過硬”的綜合技術(shù)維保人員。

1　變電所綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)際運(yùn)行的變電所的設(shè)備主要有35 kV開關(guān)柜、整流變壓器、整流器柜、直流開關(guān)柜和綜合自動化設(shè)備。變電所主要是監(jiān)視、測量全部設(shè)備的運(yùn)行情況，具有對高壓電氣設(shè)備（如斷路器，變壓器和避雷器）的絕緣和狀態(tài)監(jiān)視及變電站二次設(shè)備的繼電保護(hù)、控制、測量、信號、故障錄波等功能。當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)和故障錄波等能電氣參數(shù)采集，并迅速切除故障及恢復(fù)操作。

基于實(shí)際運(yùn)行的變電所的基本功能，將變電所綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)線設(shè)計(jì)為兩路35 kV進(jìn)線，一路35 kV出線、一路35 kV母聯(lián)、一臺整流變壓器、一臺配電變壓器。構(gòu)成上主要由實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、故障模擬系統(tǒng)、DC1500V保護(hù)測控系統(tǒng)、交直流供電系統(tǒng)及后臺監(jiān)控系統(tǒng)等組成，原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)可以模擬實(shí)現(xiàn)變電所監(jiān)視數(shù)據(jù)采集與處理、控制與倒閘操作、顯示、故障的預(yù)警與報(bào)警等功能。

圖1　城市軌道交通綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)原理圖

1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)主要由交直流表、屏控轉(zhuǎn)換開關(guān)、分合閘按鈕、電流繼電器、中間繼電器、交流空氣開關(guān)、指示燈等組成，可模擬現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的一次設(shè)備的控制操作回路，方便實(shí)驗(yàn)人員在操控臺和后臺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行人工模擬操作。

1.2　故障模擬系統(tǒng)

故障模擬系統(tǒng)主要由交流空氣開關(guān)、滑線變阻器、自鎖型故障按鈕和安全監(jiān)控裝置組成，可模擬產(chǎn)生現(xiàn)場跳閘的故障量。

1.3　交直流供電系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由380 V市電以及為保障控制設(shè)備可靠運(yùn)行的UPS供電系統(tǒng)所組成。UPS電源系統(tǒng)主要包括UPS電源設(shè)備，微機(jī)控制單元、饋線柜、交流配電系統(tǒng)等硬件以及相關(guān)軟件組成。其中，AC380V用來模擬系統(tǒng)的兩路35 kV進(jìn)線以及為UPS電源系統(tǒng)供電，UPS電源系統(tǒng)作為一級負(fù)荷，主要為弱電設(shè)備系統(tǒng)供電，并且為交流供電系統(tǒng)在事故狀態(tài)下的分合閘、微機(jī)保護(hù)、自動控制等操作提供電源。

1.4　后臺監(jiān)控系統(tǒng)

后臺監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于客戶/服務(wù)器（Client/Server）體系結(jié)構(gòu)的開放式系統(tǒng)，系統(tǒng)由服務(wù)器系統(tǒng)（Server）和客戶機(jī)系統(tǒng)（Client）組成[2]。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)配置兩臺后臺服務(wù)器，通過服務(wù)器建立兩個(gè)基于TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)，利用其中一個(gè)局域網(wǎng)對所有測控裝置進(jìn)行綜合控制。其中，另一個(gè)局域網(wǎng)可以根據(jù)需要選擇配置一些學(xué)員學(xué)習(xí)機(jī)，學(xué)員機(jī)可通過服務(wù)器對實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的測控裝置進(jìn)行操作。后臺監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是監(jiān)控各種運(yùn)行工況，數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，開關(guān)設(shè)備、重合閘及自投裝置等的控制操作[3]。后臺監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　后臺監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

后臺監(jiān)控系統(tǒng)主要由服務(wù)器系統(tǒng)和客戶機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。服務(wù)器主要是對測控裝置輸入/輸出的數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)處理，并響應(yīng)客戶機(jī)的請求向客戶機(jī)傳送格式化的數(shù)據(jù)信息?？蛻魴C(jī)主要顯示用戶界面（圖形、圖表、聲音等）。

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)所配置兩臺服務(wù)器，前置機(jī)作為特殊類型的客戶機(jī)，主要功能是完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和繼電器、開關(guān)等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口任務(wù)。其中一個(gè)服務(wù)器處于正常工作狀態(tài)，另一個(gè)主要用于保證測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。

1.5　測控保護(hù)單元

測控保護(hù)單元設(shè)置4個(gè)交流控制保護(hù)單元、1個(gè)直流控制保護(hù)單元和1個(gè)綜合測控單元。測控保護(hù)單元均具有高速網(wǎng)絡(luò)通信接口，不僅能在單元上觀察、修改各種參數(shù)、完成分合閘操作，還能通過通信接口向后臺機(jī)傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)信息。對系統(tǒng)的測控保護(hù)單元設(shè)置了多種操控方式，并且可通過系統(tǒng)的后臺監(jiān)測控制系統(tǒng)來保護(hù)裝置的壓板投退及讀取、設(shè)置修改定值（控制保護(hù)單元均有多種控制方式，能實(shí)現(xiàn)通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)和裝置投退保護(hù)功能和讀取、修改定值功能）。測控保護(hù)單元選用支持中文的液晶顯示器，可顯示測控裝置在運(yùn)行中的實(shí)時(shí)動態(tài)信息（控制保護(hù)單元面板采用液晶漢化顯示器，可顯示裝置運(yùn)行動態(tài)信息等）。其具有友好的人機(jī)接口，便于對現(xiàn)場裝置進(jìn)行遙信試驗(yàn)，出口傳動試驗(yàn)和遙測信號試驗(yàn)等功能性測試[4]。

按以上設(shè)計(jì)，建立的城市軌道交通變電所綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　城市軌道交通變電所綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

2　系統(tǒng)功能

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要功能有故障模擬功能、保護(hù)功能、自動功能、控制功能、信號功能及其他功能，具體功能介紹如下。

2.1　故障模擬功能

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能模擬變壓器（整流器）非電量故障、變壓器（整流器）內(nèi)部短路故障、變壓器（整流器）內(nèi)部短路故障、直流饋線近點(diǎn)短路、直流饋線遠(yuǎn)端短路、牽引網(wǎng)瞬時(shí)故障和永久故障[5]。具體模擬故障信號如圖4所示。

圖4　模擬故障信號面板示意圖

2.2　保護(hù)功能

通過“模擬故障信號盤”上相應(yīng)按鈕，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的故障模擬，由微機(jī)保護(hù)測控裝置實(shí)現(xiàn)故障檢測及實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)依據(jù)模擬的故障設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)功能：

（1）整流變壓器過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、本體保護(hù)；

（2）進(jìn)線縱聯(lián)差動保護(hù)、速斷保護(hù)、過流保護(hù)、失壓保護(hù)；

（3）直流饋線速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)。

2.3　控制功能

系統(tǒng)根據(jù)故障模擬及保護(hù)功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制功能：

（1）進(jìn)線斷路器、變壓器、饋線斷路器的當(dāng)?shù)丶斑b控操作；

（2）進(jìn)線隔離開關(guān)、饋線隔離開關(guān)的當(dāng)?shù)丶斑b控操作；

（3）保護(hù)壓板投退；

（4）保護(hù)定值區(qū)切換；

（5）重合閘投退；

（6）母聯(lián)備用電源自投投退。

2.4　信號功能

信號功能主要包括開關(guān)位置信號、保護(hù)動作信號、操作事項(xiàng)信號及自檢信號。

2.5　其他功能

其他功能主要是后臺數(shù)據(jù)顯示、查詢、存儲，數(shù)值修訂和故障預(yù)警及告警等功能，主要有數(shù)據(jù)庫查詢、報(bào)表查詢、事項(xiàng)打印、故障錄波分析、保護(hù)定值修改、語音提示報(bào)警[6]。

3　結(jié)束語

本文依照現(xiàn)有的實(shí)際運(yùn)行的地鐵牽引變電所的基礎(chǔ)上，提出了城市軌道交通變電綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)有助于學(xué)生熟悉35 kV中壓供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行工況、DC1 500 V直流供電系統(tǒng)工況及400 V低壓供電系統(tǒng)工況等基礎(chǔ)知識，熟練掌握現(xiàn)場操作流程，保護(hù)定值的設(shè)定及切換、設(shè)備之間的閉鎖功能、聯(lián)動功能和事故判斷及處理能力。能對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷及進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，能根據(jù)保護(hù)裝置信號或后臺相關(guān)信息對故障進(jìn)行定位及分析[7]。

本系統(tǒng)已經(jīng)為軌道牽引供電專業(yè)本科生開設(shè)相關(guān)的課內(nèi)實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)課程等實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，學(xué)生能較好的掌握一次設(shè)備以及繼電保護(hù)、控制、測量、信號等自動化設(shè)備的工作原理，熟練地進(jìn)行維護(hù)操作、故障排查等變電專業(yè)技能。

本文的工作對于地鐵變電專業(yè)學(xué)員的崗前培訓(xùn)工作具有十分重要的借鑒意義。由于實(shí)際運(yùn)行的地鐵變電所不允許進(jìn)行實(shí)踐操作的培訓(xùn)，也無法模擬實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的故障信息及出現(xiàn)故障后的處理操作。該系統(tǒng)能模擬地鐵變電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的故障情況，學(xué)員根據(jù)故障信息對故障設(shè)備進(jìn)行故障判別、變電操作、檢修維護(hù)，培養(yǎng)學(xué)員對變電設(shè)備的實(shí)際操作技能，在就業(yè)時(shí)能直接上崗操作，減少企業(yè)培訓(xùn)周期和成本，這也是本文設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)之一。