基于實踐教學的便攜風光互補低壓配電柜設計與制作

趙雙雙

基于實踐教學的便攜風光互補低壓配電柜設計與制作

趙雙雙

(內蒙古機電職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010070)

低壓配電柜是分配、控制電能的重要裝置，性能良好的配電柜對保障供電穩定至關重要。為解決偏遠農村牧區常年供電不穩定的問題，要求學生在低壓配電柜實踐教學中的第二課堂設計一款便攜風光互補低壓配電柜，不但可為專業創新實踐教育提供借鑒，也是教學成果的一次成功實踐。該款新型配電柜采用模塊化設計，將逆變器、蓄電池、控制器、繼電保護、變壓穩壓通過各種電信號連接構成整體，在保障設備整體運行的前提下，實現了單一部分的可獨立操作。試驗證明，運用該款風光互補配電柜充當備用電源，能夠切實解決用戶“取電困難”的問題，有較高的實用價值。

風光互補；智能配電；雙電源轉換

電力行業的飛速發展，對高職院校電力、電氣專業的人才培養體系與實踐教學基地建設提出了更高的要求。由于電力專業實踐類教學存在設備投資成本高、實際操作危險性大、設備故障再現難等問題，要解決電力專業實訓中的“三高三難”問題，培養符合行業發展需求的電力專業技術人才，需要改革傳統的教學模式，打造貼近真實生產場景的教學環境。高職院校的電力系統自動化技術專業要主動適應我國能源電力產業結構的升級，校企合作要以重現真實的生產場景為目標，開發實訓教具，改革實踐教學方法，讓教學過程更加豐富、高效，助力復合型技術技能人才培養。

1　低壓配電柜實踐教學現狀及解決對策

傳統的低壓配電柜在負荷過大時容易出現跳閘等情況，影響了低壓配電網的可靠性。采用智能配電柜可利用子系統進行信號的采集和傳輸，實現對全系統運行過程的綜合監測和管理，在發生系統故障時能及時處理并上報實時數據，為提升用電、管電效率提供保障。在實踐教學中，學生通過理論學習和調研可以了解到傳統配電柜在使用過程中存在對工作環境要求嚴苛、功能單一、價格偏高且只支持市電等問題，教師通過引用案例教學，可以使學生明白一個好的供配電系統，對于節約能源、保護環境、緩解全球資源緊張具有重大的意義。針對常年供電不穩定的偏遠貧電農村牧區，結合專業優勢從技術上進行創新，設計了一款能進行風光配合互補發電，市電、備用電源雙電源智能轉換的配電柜，當市電不穩定時，可通過手機APP遠程操控配電箱切換到更穩定的備用電源。該設備從產品設計、硬件采購、配件組裝、產品調試環節均由具在校學生完成，源于教學實踐成果并能反哺教學，解決了學生由于無法直接接觸設備而導致動手能力較差的教學難題。

2　低壓配電柜設計與制作

2.1　低壓配電柜的基本構成

該款配電柜主要由控制器、電源、逆變、穩壓變壓、智能配電、電路保護等模塊構成，具備穩壓、穩流以及可快速切換電源等優點，可對指定教學區域進行供電。風力發電機和光伏板采用PLC作為主控制器，可為自發電穩壓并為備用電源蓄電；利用電信號傳遞信息，控制市電和智能供配電系統的切換，雙系統的合理分配能確保系統不斷電。低壓配電柜系統整體框架如圖1所示。

圖1　系統整體框架

2.2　系統內部設計與硬件配置

(1)智能電路保護模塊。該模塊可實現對電路元器件的過流保護、過壓保護、過溫保護，確保元器件不會因出現過壓、過流、電磁、浪涌等問題而損壞。在智能光伏控制器的基礎上加入智能逆變器，可有效防止蓄電池過充、放光情況的發生，還能起到防雷、防倒流的作用。

(2)智能配電系統模塊。智能配電系統采用可編程邏輯控制器充當主控制器，具有可靠性高、編程簡單、安裝方便等優點；輸出端包含開關、電源指示燈、輸出模塊等裝置，采用12V、24V直流電以及220V交流電供電；采用BQ3-63雙電源自動轉換開關，能在電源發生故障時通過啟動信號自動切換備用電源；系統設有消防控制電路，一旦監測到斷路器處于分閘狀態，消防控制系統就能自動向管理人員手機發送報警短信。機身設置聯網接口，工作人員能對系統進行遠程控制，并可使系統具備短路、過載、過壓、欠壓、缺相自動轉換等功能。

(3)遠程控制模塊。遠程控制模塊由GSM通信模塊及單片機組成，當用戶需要對設備進行遠程開啟或關閉操作時，只需向目標號碼發送一條命令短信即可，微電腦控制芯片接收到短信后，依據命令啟動執行程序，并在執行后回復用戶一條狀態短信；系統各部件間采用光電耦合隔離接口連接，可以確保被控的部件獨立啟停，不會對其他部件的正常運行造成影響。

(4)電源模塊。電源模塊包括穩壓器、常用市電和12V蓄電池組，其中穩壓器與整流器、電子濾波器等配合工作，確保輸出電壓的穩定。

(5)自動散熱模塊。為避免發生因高溫、過熱導致元器件損壞的情況，在智能配電柜內安裝由220V電機和風扇組成的自動化散熱系統，該系統具有結構簡單，實用性高、散熱效率高等優點。

(6)風光互補模塊。風光互補供電系統充分利用太陽能與風能的互補性實現全天候發電，夜間和陰雨天無陽光時由風力發電機轉換風能發電，晴天由太陽能電池板轉換光能發電，在既有風又有陽光的情況下兩者同時發電；蓄電池組是風光互補供電系統的儲能元件，在風力、日照充足的條件下，可以存儲供給負載后多余的電能，在風力、日照不佳的情況下輸出電能。整套系統可實現自主供電，無需建立配電站，在大大減少配電損耗和土建安裝成本的同時，有效緩減環保壓力，非常適合為偏遠貧電的農村牧區居民供電。

2.3　遠程控制 APP 的設計

通過開發一款專用APP便于運維人員遠程操控低壓配電柜完成定時、延時、循環定時斷電、點動、互鎖等操作，實現對設備的遠程操控、設備分享、點動控制，還可以利用主流智能音箱、智能手表等設備來實現語音控制。

2.4　系統功能實現

該款智能低壓配電柜可實現電網雙電路、智能供配電自由切換，具備穩壓、穩流以及電源快速切換等優點，可有效避免電路出現短路、電壓不穩等問題。全套設備采用模塊化設計，可實現多端口輸出，使系統硬件有很大的擴展空間，具有電箱容量大，結實耐用，檢修維護便捷，持續工作時間長，適用范圍廣等諸多優點，可滿足大部分中小微型企業的需求。智能低壓配電柜實物如圖2所示。

圖2　智能低壓配電柜實物

3　低壓配電柜關鍵技術及實踐應用

該款低壓配電柜系統采用的是滑動互鎖機械設計雙電源自動轉換開關，可以從根本上杜絕同時合閘現象的發生；通過合理設置微動開關可保證開關切換的準確可靠，保證每次切換都能在瞬間平穩完成，避免對電器原件造成破壞；運維人員利用GSM通信模塊在單片機的控制下可實現遠程控制，只需要通過手機就可以進行在線通信和監控等操作。

該款低壓配電柜系統思路來源于教學實踐，由學生在第二課堂設計制作完成，現已用于實訓教學及社會服務，并在此過程中不斷完善和升級。

4　結語

針對常年供電不穩定的偏遠貧電農村牧區“取電困難”的問題，設計了一款可利用風光互補供電，且能充當備用電源的低壓配電柜，具備運行穩定、經濟環保、操作簡單等優勢，可為貧電農牧區提供最經濟、可靠的電力服務，切實解決當地居民“取電困難”的問題，促進當地經濟發展。

[1] 孫文科.智能配電柜在低壓配電網中的應用[J].集成電路應用,2021,38(10):196-197.

[2] 陳浩,徐通通,閆民富,等.低壓智能配電系統的特點與應用[J].大眾用電,2021,36(6):54-55.

[3] 劉裔年.智能變電站的關鍵技術及應用分析[J].電力設備管理,2021(2):169-170+199.

[4] 馬小龍.智能在線監測系統在開關柜中的應用與研究[J].中國設備工程,2022(2):164-165.

Design and manufacture of portable wind-solar complementary low-voltage power distribution cabinet based on practice teaching

ZHAO Shuangshuang

(Inner Mongolia Electromechanical Vocational and Technical College,Hohhot, Inner Mongolia 010070, China)

Low-voltage power distribution cabinet (PDC) is an important device to distribute and control electric energy. A PDC with good performance is very important to ensure the stability of power supply. In order to solve the problem of unstable power supply in remote rural pastoral areas, students are required to design a portable wind-wind-complementary low-voltage power distribution cabinet in the second class of practice teaching, which can not only provide reference for professional innovation and practice education, but also a successful practice of teaching results. This new type of power distribution cabinet adopts modular design, including the inverter, battery, controller, relay protection, voltage regulator, which were connected through various electrical signals to form a whole. It achieved a single part of the independent operation in the premise of ensuring the overall operation of the equipment. The test proved that this portable wind-wind-complementary low-voltage power distribution cabinet using as a backup power supply, can effectively solve the problem of "power access difficulty" for users, which provides a reference for professional innovation practice education.

complementary scenery; Intelligent power distribution; dual power conversion

TM642

A

2096–8736(2022)05–0039–03

內蒙古機電職業技術學院科學研究項目“雙高”建設背景下專業群“線上線下、虛實結合”教學資源建設與實踐(NJDRW2109)。

趙雙雙(1990—)，女，內蒙古包頭人，碩士研究生，講師，主要研究方向為電氣自動化技術。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍