高鐵變電所多層次實訓系統的研究與應用

陳 海 軍

(廣州鐵路職業技術學院，廣州 510430)

0 引 言

我國電氣化鐵路發展迅速[1]，尤其是近年來的高速鐵路。而牽引供電系統[2]是高鐵安全運行的重要組成部分，其中高鐵變電所是供電系統的核心部分，因此探討高鐵變電所實訓系統的建設有積極意義。

實際運行時，高鐵變電所中涉及控制保護相關的主要設備，如測控裝置、高壓開關柜等設備，一般不能用于學習和培訓，因為現在變電所均采取無人值班設計[3]，供電對象為一級負荷，而變電所是一個綜合自動化控制系統，與一般的變電所有較大的區別，且裝置具有高度的集成性和成套性，不能供培訓學習進行操作、拆裝和分解。但對于學員而言，需要掌握監控系統結構及技術，變電所的原理及操作，迫切需要更有效的途徑，解決培訓學習存在的不足之處，更好更快地掌握專業技能，以適應就業需要。

高鐵牽引供電系統運行出現問題將造成不良影響[4]，供電系統中新設備新技術不斷應用，對高技術專業人才需求較大，對人員素質也提出了更高的要求。對于從業人員而言，加強職業技能的培訓是提高人員素質的重要途徑[5]，建立基于高鐵變電技術的實訓系統，完善和實訓相關的軟件和硬件，這方面值得探討和改進。

1 實訓系統建設現狀

目前國內基于一般電力系統的實訓系統比較多，但關于高鐵變電所的實訓系統的的相關文獻相對較少。現場有針對地方電力系統采用仿真培訓思路的，目的是培訓人員使用系統模擬完成變電所內部分操作，模擬設備故障、保護和自動裝置動作的相關信息，但主要是在計算機中模擬完成部分項目，但設備有限，加上場地限制，不適合大規模培訓，也有條件好的建設職業技能訓練基地，但不是以高鐵變電所為基礎的。

部分院校建設有以電磁型繼電器為基礎的繼電保護實驗室、傳統的微機保護實驗室和新型的微機保護實驗室，或以牽引變電所為基礎建設實訓室[6]，對學習供電系統有一定意義，但均不是以高鐵變電所為模板，而且高鐵變電所綜合自動化技術發展很快，需要新的實訓系統以跟上現場發展的需要。開發多功能的實訓系統，開發技能培訓項目，將高鐵實際應用的技術融入系統，盡快掌握電力調度、變電值班、檢修和試驗的技術，提高其職業技能和職業素質[7]，對高鐵供電系統安全運行有積極意義。

2 建設不同層次的實訓系統

由于高鐵變電所采用自動化系統，是一個包括保護、監測、控制、中央信號，事件記錄、通信等多種功能在內的一個綜合系統，其供電方式、接線、保護、監控界面均與普通變電所不同。系統具有智能化程度高、體積小的特點。實訓系統的開發需以此為基礎，研究牽引供電監控系統的結構，確定變電所作業實際內容,建設供電監控系統實訓平臺，開發技能訓練的項目，構建不同層次的實訓系統。

首先收集高鐵變電所運行原始數據及相關資料，主要包括電氣主接線，一次設備操作說明及二次接線圖，測控裝置原理及操作說明，變電所綜合自動化系統網絡連接關鍵設備等。分析高鐵牽引供電安全監控系統的特點,研究牽引供電安全監控系統信息、組成及控制部分,對分層、分類構成安全監控系統的結構模式進行研究[8-9]，熟悉調度系統的運行方式，對監控系統實際運行出現的問題進行收集整理，研究解決方案，在設計開發實訓系統時加以考慮。將高鐵運行出現的各種情況及案例資料歸檔整理，研究典型工作任務，將工作任務具體化，在此基礎上建設實訓平臺。

以高鐵變電所為參照，構建實訓系統，確定技能訓練的項目，為技能訓練提供真實的平臺，主要采用以下3種不同層次的實踐訓練系統。

2.1 整體型實訓系統—高鐵模擬變電所實訓系統

這是一套基于真實高鐵變電所為模板建設的系統[10]，采用組屏的方式，缺點是成本較高，投資需數百萬元。模擬系統以武廣客運專線的高鐵變電所應用為參照，設置了最基本的應用單元，即主變測控裝置、并補測控裝置、饋線測控裝置、后臺監控系統和電力調度系統。操作電源由直流盤供電，模擬系統主要應用于試驗、培訓等，監控系統可完成控制、保護、測量、信號指示等基本功能，同時可以進行保護投入退出、整定值更改、故障查詢、事件記錄等功能，各測控裝置安裝在測控屏上，測控屏屏面布置方式及監控界面與實際高鐵變電所完全一樣，二次接線部分與現場一致，差別在于與高壓設備的連接，高壓開關選用模擬斷路器[11]，直接置于測控屏背后，或引出電纜至高壓室的斷路器(如果已安裝高壓斷路器)。為實現遙控、遙信、搖測、遙調等遠動基本功能和信息共享，需用光纖將各測控裝置連接起來，實現變電所內的通信功能。

上述系統雖然是模擬系統，但是以武廣客運專線(高鐵)為參考模型，除了部分高壓設備(變壓器、部分高壓斷路器、互感器等)采用低壓設備模擬外，其他二次設備，如測控屏、后臺監控設備等，包括各設備布置方式，均與實際高鐵變電所無異。通信系統也采用與現場一致的雙光纖自愈環網結構，采用光纖連接，實現了綜合自動化監控和遠動系統的控制及信息共享，是實際牽引變電的濃縮系統，可以進行遙控、遙信、定值查詢、修改、保護試驗等項目，監控軟件采用與高鐵變電所一致的TA21當地監控系統[12-14]，具備高鐵變電所監控系統的主要功能，具有高鐵運行供電監控系統的技術和特點，屬于一個整體變電所的實訓系統，適合有充足資金和場地的情況下建設。

2.2 專項型實訓系統—繼電保護實訓系統

繼電保護實訓系統[15]是上述變電所實訓系統的專項補充，主要專門針對繼電保護實驗設置，由于繼電保護是變電所中最為復雜的技能，建設繼電保護實訓室就是為了解決變電所實訓的難點專項。系統采用試驗臺的方式，也無需高壓設備(用模擬斷路器)，成本較上述的變電所系統低一半以上。監控主機與裝置連接后，通過運行監控軟件，顯示主接線運行主界面。能夠直觀地了解各種保護測控裝置的運行，系統應包含饋線保護、主變主保護、主變后備保護、電容器保護等保護測控裝置模塊，裝置采用嵌入試驗臺面板布置的方式，面板預留繼電保護測試儀輸入端子，方便進行試驗。

此系統具備相應的保護功能、備用電源自動投入及重合閘功能，保護可在測控裝置上整定，也可在后臺監控機上整定動作值。實現保護測控裝置的整定值錄入、保護配置、故障報告、事件報告和自檢報告查看等操作功能。實驗者可模擬各種故障，校驗保護動作情況，通過繼電保護實驗儀完成故障再現。可以方便模擬自動裝置的動作條件及試驗。測控裝置安裝在試驗臺上，方便開展進行分組教學和試驗。為方便學習者學習操作和觀察，故障模擬等輸入及信號顯示需在面板上合理設計及布局，在面板上設計有直觀的各種短路模擬(包括圖及模擬短路的按鈕等)，同時也可以直接通過繼電保護測試儀實際測試。主要保護均有相應的案例，提供可操作的試驗步驟和方法。對于不考慮大規模投入資金進行組屏建設變電所的院校而言，試驗臺型式可作為一種方案考慮。

2.3 自主學習型系統—組合式模擬監控實驗系統

上述兩種實訓系統成套性特征還是比較明顯的，不方便接線練習和更改接線，無法深入掌握綜合自動化系統的內部聯系，也無法進行編程學習和網絡組建。可以開發一種組合式模擬監控實驗系統，更加方便學生接線、實驗和自主學習，更深入地學習各部分的原理及操作，可以完成綜合自動化監控系統的主要功能，其成本低，也無需高壓設備，約為繼電保護實訓系統的一半，比模擬變電所組屏方式的投入低更多，也是高鐵變電所實訓系統建設的一項創新。

此系統主要思路是開關柜的斷路器用繼電器模擬，利用低壓直流電源信號模擬保護輸入信號，模擬開關柜的元件均集中安裝在控制板上，用電纜與筆記本電腦USB接口連接通信，用PLC編程軟件編寫斷路器監控程序，利用組態軟件進行監控界面組態[16]，利用計算機屏幕或觸摸屏進行監控。可以利用控制板上的開關實現斷路器的分合閘，也可利用鼠標在筆記本電腦上實現遙控，可以利用直流信號模擬過電流或欠電壓，實現斷路器保護動作和報警，也可在監控界面模擬過流或失壓實現保護動作和報警。系統利用安裝在控制板上的設備模擬了開關柜主要元件，實現了斷路器當地控制、遙控監控過程，實現各類保護投退、動作值整定及自動裝置動作過程，實現事故信號、預告信號功能，具備開關柜的控制和保護功能，裝置綜合自動化結構清晰、連接簡單、組合方便，可隨時拆裝和組建，分組練習容易，教師指導方便，學生不但可以完成各項操作實驗，而且可以學習PLC編程、觸摸屏組態和PC機監控組態，可以自主研發實訓項目。

利用模擬監控實驗系統，培訓人員可完成站內遙信、遙測、遙控、遙調以及變電所內現場操作，更改保護整定值，對設備事故、繼電保護和自動裝置動作的相關信息進行處理，同時，可以進行模擬操作和仿真，有條件也可以接入高壓設備。

3 多層次實訓系統的應用

3.1 實訓系統比較

由表1可見，3種系統都可以有效地學習變電所的專業技能，但還是有區別的。第1種變電所的現場感強，教學情境逼真，初學者對變電所的感性認識大大增強，適合變電所整體性學習；第2種適合變電所難點的繼電保護技能專門學習，可以更好地學習各種保護的專業技能；第3種是開放性的實訓系統，各部分組合連接方便，結構清晰，適合自主深入學習和自主開發實驗，包括編程、組態和網絡設置等。從表1中還可以看到，單純采用某一種實訓系統都或多或少存在不足，但如果采用少量測控屏、試驗臺，加上第3種為主的實訓系統，可以滿足學習的各種需要，又彌補了各種實訓系統的不足，既滿足各項技能訓練的需要，又可將建設成本控制在合適的范圍內。

表1 不同類型實訓系統比較

3.2 實訓系統運用

實際應用時，可以參考以下過程。

(1) 先在高鐵模擬變電所實訓系統學習變電所主接線、二次接線原理、斷路器控制、各種信號回路識圖等基本技能，對變電所整體運行有一定的理解。

(2) 然后利用繼電保護實訓系統，深入學習變電所的難點，即繼電保護及自動裝置部分，學習繼電保護測試的使用，完成各項繼電保護實驗。

(3) 在掌握了變電所基本知識和掌握難點后，利用組合式模擬監控實驗系統，學習PLC編程、界面組態、網絡設置等，完成斷路器控制、保護整定與設置，深入學習變電所的控制及監控技能，自主學習和開發實訓項目，由掌握基本操作上升到可以設計及開發項目的更高層次，學員的思維得到升華，專業知識會打下較好的基礎。

(4) 最后再重新利用高鐵模擬變電所實訓系統，進行各項控制、保護操作實驗、故障查找及處理，加深對整個高鐵變電所綜合自動化的理解，專業技能得到全面的提高。

通過上述步驟，學員完成了從整體學習、難點掌握到自主編程開發實訓項目的提升過程。

4 結 語

高鐵迅速發展，運行維護需要大量掌握高鐵供電技能的人才。開發高鐵變電所實訓系統，完善各種類型的實訓項目，可使從業人員迅速掌握高鐵變電所的職業技能。上述3種層次的實訓系統投入相差較大，且單純采用某一種系統都有其不足之處，可采用少量測控屏、試驗臺，加上組合式模擬監控實驗系統為主的實訓系統建設方式，部分高壓設備采用低壓設備模擬，然后在資金充足時逐步完善高壓設備。對于學員來說，可以在真實的設備上進行演練或進行模擬操作，開發實訓項目，既掌握了技能，突破難點，又完成了自我的提升，為供電系統的安全運行奠定基礎。