城市轨道交通仿真变电所的建设实践与探讨

文：林炳城，何铭潮，陈文师丨广州地铁集团有限公司

随着城市轨道交通的快速发展，专业人才实践技能的培养需求大大增加，引入城市轨道交通新设备新技术，建设一座具备教学实训、科研创新、经营创收等功能的仿真变电所是未来迫切的需要。仿真变电所是企业员工实战演训、技能竞赛的优质场地，也是企业员工开展科研创新、故障仿真、调试测试的理想平台，更是校企合作、展示企业文化的创新窗口。本文研究广州地铁石湖仿真变电所的建设思路、系统设备与功能和建设成效，探索城市轨道交通新型实训基地建设的新途径。

目前，国内城市轨道交通供电专业实训室在功能上多是以单体设备、“一线一设备”的方式建设，实践项目单一，缺乏多工种联合演练培训、重大案例事故再现的场所，且缺少行业新设备新技术的应用。因此，通过统一规划，建设一个系统性重现线上设备、具备新技术、功能齐全、理实一体化的仿真变电所作为综合性实训基地，同时引入智能运维新设备、新技术，既可以实现产业化输出、展示良好的企业文化，成为公司对外展示的窗口，又可以为企业员工提供技术创新研究平台、实践技能练兵场地，提升企业员工获得感，对于适应新形势、新需求和新挑战意义重大。

一、仿真变电所建设特点

广州地铁石湖仿真变电所（图1）是具备完整模拟线上设备功能的离线变电所，既是一个系统性的实训、创新工作室，又是一个具备新设备、新技术的综合性实训基地，按照“创新、创优、创效”理念开展建设，具有以下四个特点：

图1 仿真变电所

一是企业员工自主建设。石湖仿真变电所的建设充分调动企业基层员工的积极性，采用项目化管理施工，由企业员工策划、设计，全程自主施工、调试，历时181 天，是广州地铁首座具备SCADA 监控系统、智能运维系统及列车电气化运行微缩仿真系统的综合型变电所。

二是充分利用现有资源。建设一座离线变电所，需要大量的物资。石湖仿真变电所利用设备故障返修件、合同随机附件进行建设，设备柜体由企业员工设计、加工，场景化的列车运行仿真系统由企业员工设计、建造，实现建设成本最大化压缩，充分盘活设备资产。

三是按照与真实变电所1:1 的比例建造。仿真变电所以地铁线路运行变电所为蓝本建造，建设一次设备实物、全套二次设备功能，既有单体设备的完整功能，又具备设备柜之间各类联锁、网络化保护控制等功能，同时也配置有电力监控系统，重现真实变电所功能，是一个典型牵引降压混合变电所关键设备柜构造的仿真供电系统。

四是引入新设备新技术。仿真变电所大量引入城市轨道交通行业新设备新技术，具备符合IEC 61850 的数据模型的智能化综合监控系统、在线监测系统、智慧“天眼”系统等，是未来智能运维技术验证、挂网应用的研究场所。

二、仿真变电所系统设备与功能

仿真变电所由设备区、智能运维展示区和地铁列车运行演示沙盘组成。设备区共建造33kV开关柜、DC1500V 开关柜、0.4kV 开关柜、交直流屏、轨电位柜、可视化接地柜、隔离开关柜等共17 面一体化设备柜，真实再现城市轨道交通变电所运行生产环境。智能运维展示区与线上运行的牵混降压混合变电所实时通讯，集成在线监测系统、电力监控系统、智慧“天眼”系统，提供全方位的电力设备智能运维方案，是变电所现场设备的智能运维数据集中展示中心。地铁列车运行演示沙盘是一套列车电气化运行微缩仿真系统，并与仿真变电所设备实现交互联动。具体设备与功能如下：

一是面向运维的PSCADA 系统。在基于IEC 61850 光纤网络化继电保护的基础上，石湖停车场建设面向运维的PSCADA 系统，不但可以更全面、更快速的实现常规PSCADA 系统数据采集、运行监视、操作与控制功能，而且与所内IEC61850 网络化继电保护方案配合，可将保护配合的虚端子、二次回路、保护逻辑、通信状态实时动态展示，实现二次系统可视化，具有运维需要的“保护信息管理、故障录波、远程运维、智能告警分析”等高级应用功能。

二是交直流屏。为变电所中其它供电设备的二次部分提供不间断的、稳定的直流电源。如为断路器分、合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和故障照明提供高可靠的直流电源。具备交流电源自投自复功能。

三是400V 低压开关柜。模拟线上降压变电所801/802/803 共三个400V 框架保护开关，具备低压主开关自投自复逻辑测试、低压开关柜二次原理培训、主开关机构拆装等多项功能，同时其一次部分负责为仿真变电所交直流屏、房间照明提供400V 供电电源，真实再现线上实际系统功能。

四是33kV 高压开关柜。由5 面33kV 开关柜、1 面继电保护测试屏组成，模拟地铁33kV 环网供电功能。继电保护装置基于IEC 61850 网络拓扑结构组网构成，具备继电保护装置校验、网络化保护功能测试、动力变馈线柜超温联跳400V 开关柜等功能。

五是直流牵引供电系统。由3 面直流开关、1面隔离开关柜组成，继电保护装置基于IEC 61850网络拓扑结构组网，具备预防性试验、直流开关柜保护校验、直流开关柜二次原理、联跳功能的理论与实操培训等多项功能。同时，直流开关实现与隔离开关联锁功能，并为所内地铁列车运行演示沙盘供电，实现线上列车牵引供电的仿真功能。

六是智能运维系统。石湖仿真变电所与石湖停车场智能变电所示范站实时通讯，提供全方位的电力设备智能运维方案，具有信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、系统一体化等特征，可自动完成线上运行变电所全景数据的采集、处理、存储和展示。系统从未来城市轨道交通智能变电所的在线监测、自我诊断、自我恢复等功能出发，研究其运行维护的“正常运行无人参与，异常情况提前告警，发生故障自动处理”的智能化目标。在线监测系统通过在变电所各电压等级设备上，安装断路器动作特性监测装置、录波装置、荧光光纤传感器、直流系统框架绝缘监测装置等在线监测设备，完成对设备运行中的核心状态量监测数据。通过基于IEC 61850 规约的智能变电所PSCADA 系统组网，并根据设备检修规程的项目要求形成设备状态报表，对相关状态数据异常的设备作出报警提示，为设备状态的检测和不良设备的维护提供实时数据和历史依据。智慧“天眼”系统是智能变电所视频智能分析系统，采用固定式的超清广角摄像头，获取33kV 开关室，1500V 直流开关室、400V 低压开关室、整流变压器室等重要供电设备的房间图像与温湿度，并将计算机视觉智能识别技术融入视频监控系统，根据运维人员日常巡视项目要求对视频数据流进行图像处理、目标分析等工作，实现代替人工巡视的目标，实现设备运行工况及环境的全天候实时视频监视。

七是列车电气化运行微缩仿真系统。地铁列车运行演示沙盘是对城市轨道交通列车电气化运行实际场景的微缩仿真（图2），展现真实系统功能。沙盘整体形象逼真，列车、供电设备，车站、停车场、隧道、轨道、道岔、接触轨等结构清楚，制作精美。沙盘由仿真变电所设备区DC1500V 开关柜直流开关向接触轨及钢轨供电，地铁车辆通过底部受电靴从接触轨和钢轨受电，在环形轨道上运行，并通过一副道岔出入车场。沙盘与仿真变电所设备实现交互联动，与DC1500V 开关联动闭锁，可实现仿真模拟列车牵引供电正常运行及异常现象，进行轨行区接触轨短路导致直流开关跳闸故障仿真演练。

三、仿真变电所建设成效

石湖仿真变电所是一个具备真实设备、功能完整仿真的新型实训基地，集教学实训、演练竞赛、调试测试、技术科研四大功能于一体。

石湖仿真变电所是实战演训、技能竞赛的优质场地，精准匹配一线实际需求，提供与现场1:1 模拟的设备，可开展接触轨异物侵限导致直流开关跳闸、变压器超温跳闸导致低压400V 开关自投自复等多项实战化演练，是承担技能竞赛/鉴定考试，各类技术比武的理想场地，实现“沉浸式”体验。

石湖仿真变电所是新产品检验评估的仿真实验平台，具备与现场设备类似的生产环境及先进的电力监控系统，可以论证产品的性能及在实际运行环境中的运行效果，是城市轨道交通供电系统各类产品、备品备件软硬件功能验证评估、挂网测试的仿真实验平台。

石湖仿真变电所是校企合作的纽带，能为各类高校城轨供电技能课程教学提供完全贴近企业现场工作的实训设备，在国家大力开展产教融合的背景下，企业和学校可以在组织教师开展企业实践、协同开展研发合作、实施校企“双元”育人、开展教师学生职业技能竞赛、建设学生实践实训基地等方面深度合作，实现互利共赢。

石湖仿真变电所是企业员工技术攻关、创新研究的工作室，由企业员工自主建设，具备真实系统的设备和功能，可以便捷地开展实际操练、故障模拟验证、技术改造挂网测试、创新产品调试等项目，是生产一线企业员工开展技术攻关、小发明小创造项目的工作室，成为企业生产的攻关队、创新项目的孵化器、技术创新的展示窗口，石湖仿真变电所建设适应城市轨道交通的快速发展的要求，为未来城市轨道交通供电专业新型实训基地建设提供思路。