城市轨道交通变电所综合实训系统设计

曹振丰，陆　斌

（上海应用技术大学轨道交通学院，上海201418）

0　引言

近年来，全国轨道交通运营里程持续增加，各地铁公司对变电专业的运维保障人员要求也在逐渐提高。为了使牵引供电专业学生尽可能建立起城市轨道交通供电系统运维的整体概念及满足日常教学和实训要求，地铁公司缺少相关的具有操作功能的综合实习实训设备，因此需要一个具备实际场景和操作功能的变电所综合实训系统。

本文提出的城市轨道交通变电所综合实训系统是基于实际运行的地铁牵引降压混合所而设计的，该系统包含了模拟牵引变电所、模拟降压所、模拟直流馈线及牵引网、变电所综合自动化系统、故障模拟系统，主要用于本科实验教学，该系统有助于学生理解和掌握城市轨道交通牵引供电系统一次设备以及继电保护、控制、测量、信号等自动化设备的工作原理、功能使用、维护操作、故障排查等专业技术[1]。本系统也可作为地铁变电检修、维护保障人才的培训设备，培养“倒闸操作熟练、故障判断处理准确、检修技术过硬”的综合技术维保人员。

1　变电所综合实训系统构成

实际运行的变电所的设备主要有35 kV开关柜、整流变压器、整流器柜、直流开关柜和综合自动化设备。变电所主要是监视、测量全部设备的运行情况，具有对高压电气设备（如断路器，变压器和避雷器）的绝缘和状态监视及变电站二次设备的继电保护、控制、测量、信号、故障录波等功能。当供电系统发生故障时，继电保护和故障录波等能电气参数采集，并迅速切除故障及恢复操作。

基于实际运行的变电所的基本功能，将变电所综合实训系统实训系统进线设计为两路35 kV进线，一路35 kV出线、一路35 kV母联、一台整流变压器、一台配电变压器。构成上主要由实验模拟系统、故障模拟系统、DC1500V保护测控系统、交直流供电系统及后台监控系统等组成，原理图如图1所示。该系统可以模拟实现变电所监视数据采集与处理、控制与倒闸操作、显示、故障的预警与报警等功能。

图1　城市轨道交通综合实训系统原理图

1.1　实验模拟系统

实验模拟系统主要由交直流表、屏控转换开关、分合闸按钮、电流继电器、中间继电器、交流空气开关、指示灯等组成，可模拟现场实际运行的一次设备的控制操作回路，方便实验人员在操控台和后台监控系统进行人工模拟操作。

1.2　故障模拟系统

故障模拟系统主要由交流空气开关、滑线变阻器、自锁型故障按钮和安全监控装置组成，可模拟产生现场跳闸的故障量。

1.3　交直流供电系统

该系统主要由380 V市电以及为保障控制设备可靠运行的UPS供电系统所组成。UPS电源系统主要包括UPS电源设备，微机控制单元、馈线柜、交流配电系统等硬件以及相关软件组成。其中，AC380V用来模拟系统的两路35 kV进线以及为UPS电源系统供电，UPS电源系统作为一级负荷，主要为弱电设备系统供电，并且为交流供电系统在事故状态下的分合闸、微机保护、自动控制等操作提供电源。

1.4　后台监控系统

后台监控系统主要是基于客户/服务器（Client/Server）体系结构的开放式系统，系统由服务器系统（Server）和客户机系统（Client）组成[2]。实训系统配置两台后台服务器，通过服务器建立两个基于TCP/IP协议的局域网，利用其中一个局域网对所有测控装置进行综合控制。其中，另一个局域网可以根据需要选择配置一些学员学习机，学员机可通过服务器对实训系统的测控装置进行操作。后台监控系统主要功能是监控各种运行工况，数据进行分析、判断，开关设备、重合闸及自投装置等的控制操作[3]。后台监控系统结构框图如图2所示。

图2　后台监控系统结构框图

后台监控系统主要由服务器系统和客户机系统构成。服务器主要是对测控装置输入/输出的数据维护和数据处理，并响应客户机的请求向客户机传送格式化的数据信息。客户机主要显示用户界面（图形、图表、声音等）。

本实训系统所配置两台服务器，前置机作为特殊类型的客户机，主要功能是完成实验系统和继电器、开关等数据的数据接口任务。其中一个服务器处于正常工作状态，另一个主要用于保证测试数据实时更新。

1.5　测控保护单元

测控保护单元设置4个交流控制保护单元、1个直流控制保护单元和1个综合测控单元。测控保护单元均具有高速网络通信接口，不仅能在单元上观察、修改各种参数、完成分合闸操作，还能通过通信接口向后台机传递相关数据信息。对系统的测控保护单元设置了多种操控方式，并且可通过系统的后台监测控制系统来保护装置的压板投退及读取、设置修改定值（控制保护单元均有多种控制方式，能实现通过后台监控系统和装置投退保护功能和读取、修改定值功能）。测控保护单元选用支持中文的液晶显示器，可显示测控装置在运行中的实时动态信息（控制保护单元面板采用液晶汉化显示器，可显示装置运行动态信息等）。其具有友好的人机接口，便于对现场装置进行遥信试验，出口传动试验和遥测信号试验等功能性测试[4]。

按以上设计，建立的城市轨道交通变电所综合实训系统如图3所示。

图3　城市轨道交通变电所综合实训系统

2　系统功能

本实训系统主要功能有故障模拟功能、保护功能、自动功能、控制功能、信号功能及其他功能，具体功能介绍如下。

2.1　故障模拟功能

本实训系统能模拟变压器（整流器）非电量故障、变压器（整流器）内部短路故障、变压器（整流器）内部短路故障、直流馈线近点短路、直流馈线远端短路、牵引网瞬时故障和永久故障[5]。具体模拟故障信号如图4所示。

图4　模拟故障信号面板示意图

2.2　保护功能

通过“模拟故障信号盘”上相应按钮，实现对应的故障模拟，由微机保护测控装置实现故障检测及实验参数设定。系统依据模拟的故障设计了相应的保护功能：

（1）整流变压器过流保护、过负荷保护、本体保护；

（2）进线纵联差动保护、速断保护、过流保护、失压保护；

（3）直流馈线速断保护、电流增量保护。

2.3　控制功能

系统根据故障模拟及保护功能，设计了相应的控制功能：

（1）进线断路器、变压器、馈线断路器的当地及遥控操作；

（2）进线隔离开关、馈线隔离开关的当地及遥控操作；

（3）保护压板投退；

（4）保护定值区切换；

（5）重合闸投退；

（6）母联备用电源自投投退。

2.4　信号功能

信号功能主要包括开关位置信号、保护动作信号、操作事项信号及自检信号。

2.5　其他功能

其他功能主要是后台数据显示、查询、存储，数值修订和故障预警及告警等功能，主要有数据库查询、报表查询、事项打印、故障录波分析、保护定值修改、语音提示报警[6]。

3　结束语

本文依照现有的实际运行的地铁牵引变电所的基础上，提出了城市轨道交通变电综合实训系统的设计，该实训系统有助于学生熟悉35 kV中压供电网络运行工况、DC1 500 V直流供电系统工况及400 V低压供电系统工况等基础知识，熟练掌握现场操作流程，保护定值的设定及切换、设备之间的闭锁功能、联动功能和事故判断及处理能力。能对监控数据进行分析、判断及进行相关参数设置，能根据保护装置信号或后台相关信息对故障进行定位及分析[7]。

本系统已经为轨道牵引供电专业本科生开设相关的课内实训、课程设计和综合实习实训课程等实践教学任务，学生能较好的掌握一次设备以及继电保护、控制、测量、信号等自动化设备的工作原理，熟练地进行维护操作、故障排查等变电专业技能。

本文的工作对于地铁变电专业学员的岗前培训工作具有十分重要的借鉴意义。由于实际运行的地铁变电所不允许进行实践操作的培训，也无法模拟实际运行中出现的故障信息及出现故障后的处理操作。该系统能模拟地铁变电系统在实际运行中出现的故障情况，学员根据故障信息对故障设备进行故障判别、变电操作、检修维护，培养学员对变电设备的实际操作技能，在就业时能直接上岗操作，减少企业培训周期和成本，这也是本文设计该系统的出发点之一。