高铁变电所多层次实训系统的研究与应用

陈 海 军

(广州铁路职业技术学院，广州 510430)

0 引 言

我国电气化铁路发展迅速[1]，尤其是近年来的高速铁路。而牵引供电系统[2]是高铁安全运行的重要组成部分，其中高铁变电所是供电系统的核心部分，因此探讨高铁变电所实训系统的建设有积极意义。

实际运行时，高铁变电所中涉及控制保护相关的主要设备，如测控装置、高压开关柜等设备，一般不能用于学习和培训，因为现在变电所均采取无人值班设计[3]，供电对象为一级负荷，而变电所是一个综合自动化控制系统，与一般的变电所有较大的区别，且装置具有高度的集成性和成套性，不能供培训学习进行操作、拆装和分解。但对于学员而言，需要掌握监控系统结构及技术，变电所的原理及操作，迫切需要更有效的途径，解决培训学习存在的不足之处，更好更快地掌握专业技能，以适应就业需要。

高铁牵引供电系统运行出现问题将造成不良影响[4]，供电系统中新设备新技术不断应用，对高技术专业人才需求较大，对人员素质也提出了更高的要求。对于从业人员而言，加强职业技能的培训是提高人员素质的重要途径[5]，建立基于高铁变电技术的实训系统，完善和实训相关的软件和硬件，这方面值得探讨和改进。

1 实训系统建设现状

目前国内基于一般电力系统的实训系统比较多，但关于高铁变电所的实训系统的的相关文献相对较少。现场有针对地方电力系统采用仿真培训思路的，目的是培训人员使用系统模拟完成变电所内部分操作，模拟设备故障、保护和自动装置动作的相关信息，但主要是在计算机中模拟完成部分项目，但设备有限，加上场地限制，不适合大规模培训，也有条件好的建设职业技能训练基地，但不是以高铁变电所为基础的。

部分院校建设有以电磁型继电器为基础的继电保护实验室、传统的微机保护实验室和新型的微机保护实验室，或以牵引变电所为基础建设实训室[6]，对学习供电系统有一定意义，但均不是以高铁变电所为模板，而且高铁变电所综合自动化技术发展很快，需要新的实训系统以跟上现场发展的需要。开发多功能的实训系统，开发技能培训项目，将高铁实际应用的技术融入系统，尽快掌握电力调度、变电值班、检修和试验的技术，提高其职业技能和职业素质[7]，对高铁供电系统安全运行有积极意义。

2 建设不同层次的实训系统

由于高铁变电所采用自动化系统，是一个包括保护、监测、控制、中央信号，事件记录、通信等多种功能在内的一个综合系统，其供电方式、接线、保护、监控界面均与普通变电所不同。系统具有智能化程度高、体积小的特点。实训系统的开发需以此为基础，研究牵引供电监控系统的结构，确定变电所作业实际内容,建设供电监控系统实训平台，开发技能训练的项目，构建不同层次的实训系统。

首先收集高铁变电所运行原始数据及相关资料，主要包括电气主接线，一次设备操作说明及二次接线图，测控装置原理及操作说明，变电所综合自动化系统网络连接关键设备等。分析高铁牵引供电安全监控系统的特点,研究牵引供电安全监控系统信息、组成及控制部分,对分层、分类构成安全监控系统的结构模式进行研究[8-9]，熟悉调度系统的运行方式，对监控系统实际运行出现的问题进行收集整理，研究解决方案，在设计开发实训系统时加以考虑。将高铁运行出现的各种情况及案例资料归档整理，研究典型工作任务，将工作任务具体化，在此基础上建设实训平台。

以高铁变电所为参照，构建实训系统，确定技能训练的项目，为技能训练提供真实的平台，主要采用以下3种不同层次的实践训练系统。

2.1 整体型实训系统—高铁模拟变电所实训系统

这是一套基于真实高铁变电所为模板建设的系统[10]，采用组屏的方式，缺点是成本较高，投资需数百万元。模拟系统以武广客运专线的高铁变电所应用为参照，设置了最基本的应用单元，即主变测控装置、并补测控装置、馈线测控装置、后台监控系统和电力调度系统。操作电源由直流盘供电，模拟系统主要应用于试验、培训等，监控系统可完成控制、保护、测量、信号指示等基本功能，同时可以进行保护投入退出、整定值更改、故障查询、事件记录等功能，各测控装置安装在测控屏上，测控屏屏面布置方式及监控界面与实际高铁变电所完全一样，二次接线部分与现场一致，差别在于与高压设备的连接，高压开关选用模拟断路器[11]，直接置于测控屏背后，或引出电缆至高压室的断路器(如果已安装高压断路器)。为实现遥控、遥信、摇测、遥调等远动基本功能和信息共享，需用光纤将各测控装置连接起来，实现变电所内的通信功能。

上述系统虽然是模拟系统，但是以武广客运专线(高铁)为参考模型，除了部分高压设备(变压器、部分高压断路器、互感器等)采用低压设备模拟外，其他二次设备，如测控屏、后台监控设备等，包括各设备布置方式，均与实际高铁变电所无异。通信系统也采用与现场一致的双光纤自愈环网结构，采用光纤连接，实现了综合自动化监控和远动系统的控制及信息共享，是实际牵引变电的浓缩系统，可以进行遥控、遥信、定值查询、修改、保护试验等项目，监控软件采用与高铁变电所一致的TA21当地监控系统[12-14]，具备高铁变电所监控系统的主要功能，具有高铁运行供电监控系统的技术和特点，属于一个整体变电所的实训系统，适合有充足资金和场地的情况下建设。

2.2 专项型实训系统—继电保护实训系统

继电保护实训系统[15]是上述变电所实训系统的专项补充，主要专门针对继电保护实验设置，由于继电保护是变电所中最为复杂的技能，建设继电保护实训室就是为了解决变电所实训的难点专项。系统采用试验台的方式，也无需高压设备(用模拟断路器)，成本较上述的变电所系统低一半以上。监控主机与装置连接后，通过运行监控软件，显示主接线运行主界面。能够直观地了解各种保护测控装置的运行，系统应包含馈线保护、主变主保护、主变后备保护、电容器保护等保护测控装置模块，装置采用嵌入试验台面板布置的方式，面板预留继电保护测试仪输入端子，方便进行试验。

此系统具备相应的保护功能、备用电源自动投入及重合闸功能，保护可在测控装置上整定，也可在后台监控机上整定动作值。实现保护测控装置的整定值录入、保护配置、故障报告、事件报告和自检报告查看等操作功能。实验者可模拟各种故障，校验保护动作情况，通过继电保护实验仪完成故障再现。可以方便模拟自动装置的动作条件及试验。测控装置安装在试验台上，方便开展进行分组教学和试验。为方便学习者学习操作和观察，故障模拟等输入及信号显示需在面板上合理设计及布局，在面板上设计有直观的各种短路模拟(包括图及模拟短路的按钮等)，同时也可以直接通过继电保护测试仪实际测试。主要保护均有相应的案例，提供可操作的试验步骤和方法。对于不考虑大规模投入资金进行组屏建设变电所的院校而言，试验台型式可作为一种方案考虑。

2.3 自主学习型系统—组合式模拟监控实验系统

上述两种实训系统成套性特征还是比较明显的，不方便接线练习和更改接线，无法深入掌握综合自动化系统的内部联系，也无法进行编程学习和网络组建。可以开发一种组合式模拟监控实验系统，更加方便学生接线、实验和自主学习，更深入地学习各部分的原理及操作，可以完成综合自动化监控系统的主要功能，其成本低，也无需高压设备，约为继电保护实训系统的一半，比模拟变电所组屏方式的投入低更多，也是高铁变电所实训系统建设的一项创新。

此系统主要思路是开关柜的断路器用继电器模拟，利用低压直流电源信号模拟保护输入信号，模拟开关柜的元件均集中安装在控制板上，用电缆与笔记本电脑USB接口连接通信，用PLC编程软件编写断路器监控程序，利用组态软件进行监控界面组态[16]，利用计算机屏幕或触摸屏进行监控。可以利用控制板上的开关实现断路器的分合闸，也可利用鼠标在笔记本电脑上实现遥控，可以利用直流信号模拟过电流或欠电压，实现断路器保护动作和报警，也可在监控界面模拟过流或失压实现保护动作和报警。系统利用安装在控制板上的设备模拟了开关柜主要元件，实现了断路器当地控制、遥控监控过程，实现各类保护投退、动作值整定及自动装置动作过程，实现事故信号、预告信号功能，具备开关柜的控制和保护功能，装置综合自动化结构清晰、连接简单、组合方便，可随时拆装和组建，分组练习容易，教师指导方便，学生不但可以完成各项操作实验，而且可以学习PLC编程、触摸屏组态和PC机监控组态，可以自主研发实训项目。

利用模拟监控实验系统，培训人员可完成站内遥信、遥测、遥控、遥调以及变电所内现场操作，更改保护整定值，对设备事故、继电保护和自动装置动作的相关信息进行处理，同时，可以进行模拟操作和仿真，有条件也可以接入高压设备。

3 多层次实训系统的应用

3.1 实训系统比较

由表1可见，3种系统都可以有效地学习变电所的专业技能，但还是有区别的。第1种变电所的现场感强，教学情境逼真，初学者对变电所的感性认识大大增强，适合变电所整体性学习；第2种适合变电所难点的继电保护技能专门学习，可以更好地学习各种保护的专业技能；第3种是开放性的实训系统，各部分组合连接方便，结构清晰，适合自主深入学习和自主开发实验，包括编程、组态和网络设置等。从表1中还可以看到，单纯采用某一种实训系统都或多或少存在不足，但如果采用少量测控屏、试验台，加上第3种为主的实训系统，可以满足学习的各种需要，又弥补了各种实训系统的不足，既满足各项技能训练的需要，又可将建设成本控制在合适的范围内。

表1 不同类型实训系统比较

3.2 实训系统运用

实际应用时，可以参考以下过程。

(1) 先在高铁模拟变电所实训系统学习变电所主接线、二次接线原理、断路器控制、各种信号回路识图等基本技能，对变电所整体运行有一定的理解。

(2) 然后利用继电保护实训系统，深入学习变电所的难点，即继电保护及自动装置部分，学习继电保护测试的使用，完成各项继电保护实验。

(3) 在掌握了变电所基本知识和掌握难点后，利用组合式模拟监控实验系统，学习PLC编程、界面组态、网络设置等，完成断路器控制、保护整定与设置，深入学习变电所的控制及监控技能，自主学习和开发实训项目，由掌握基本操作上升到可以设计及开发项目的更高层次，学员的思维得到升华，专业知识会打下较好的基础。

(4) 最后再重新利用高铁模拟变电所实训系统，进行各项控制、保护操作实验、故障查找及处理，加深对整个高铁变电所综合自动化的理解，专业技能得到全面的提高。

通过上述步骤，学员完成了从整体学习、难点掌握到自主编程开发实训项目的提升过程。

4 结 语

高铁迅速发展，运行维护需要大量掌握高铁供电技能的人才。开发高铁变电所实训系统，完善各种类型的实训项目，可使从业人员迅速掌握高铁变电所的职业技能。上述3种层次的实训系统投入相差较大，且单纯采用某一种系统都有其不足之处，可采用少量测控屏、试验台，加上组合式模拟监控实验系统为主的实训系统建设方式，部分高压设备采用低压设备模拟，然后在资金充足时逐步完善高压设备。对于学员来说，可以在真实的设备上进行演练或进行模拟操作，开发实训项目，既掌握了技能，突破难点，又完成了自我的提升，为供电系统的安全运行奠定基础。