高鐵變電所多層次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

陳 海 軍

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510430)

0 引 言

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

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，高鐵變電所中涉及控制保護(hù)相關(guān)的主要設(shè)備，如測控裝置、高壓開關(guān)柜等設(shè)備，一般不能用于學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，因?yàn)楝F(xiàn)在變電所均采取無人值班設(shè)計(jì)[3]，供電對象為一級負(fù)荷，而變電所是一個(gè)綜合自動化控制系統(tǒng)，與一般的變電所有較大的區(qū)別，且裝置具有高度的集成性和成套性，不能供培訓(xùn)學(xué)習(xí)進(jìn)行操作、拆裝和分解。但對于學(xué)員而言，需要掌握監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)，變電所的原理及操作，迫切需要更有效的途徑，解決培訓(xùn)學(xué)習(xí)存在的不足之處，更好更快地掌握專業(yè)技能，以適應(yīng)就業(yè)需要。

高鐵牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題將造成不良影響[4]，供電系統(tǒng)中新設(shè)備新技術(shù)不斷應(yīng)用，對高技術(shù)專業(yè)人才需求較大，對人員素質(zhì)也提出了更高的要求。對于從業(yè)人員而言，加強(qiáng)職業(yè)技能的培訓(xùn)是提高人員素質(zhì)的重要途徑[5]，建立基于高鐵變電技術(shù)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，完善和實(shí)訓(xùn)相關(guān)的軟件和硬件，這方面值得探討和改進(jìn)。

1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)基于一般電力系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)比較多，但關(guān)于高鐵變電所的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的的相關(guān)文獻(xiàn)相對較少。現(xiàn)場有針對地方電力系統(tǒng)采用仿真培訓(xùn)思路的，目的是培訓(xùn)人員使用系統(tǒng)模擬完成變電所內(nèi)部分操作，模擬設(shè)備故障、保護(hù)和自動裝置動作的相關(guān)信息，但主要是在計(jì)算機(jī)中模擬完成部分項(xiàng)目，但設(shè)備有限，加上場地限制，不適合大規(guī)模培訓(xùn)，也有條件好的建設(shè)職業(yè)技能訓(xùn)練基地，但不是以高鐵變電所為基礎(chǔ)的。

部分院校建設(shè)有以電磁型繼電器為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室、傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室和新型的微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室，或以牽引變電所為基礎(chǔ)建設(shè)實(shí)訓(xùn)室[6]，對學(xué)習(xí)供電系統(tǒng)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(shù)發(fā)展很快，需要新的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以跟上現(xiàn)場發(fā)展的需要。開發(fā)多功能的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，開發(fā)技能培訓(xùn)項(xiàng)目，將高鐵實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)融入系統(tǒng)，盡快掌握電力調(diào)度、變電值班、檢修和試驗(yàn)的技術(shù)，提高其職業(yè)技能和職業(yè)素質(zhì)[7]，對高鐵供電系統(tǒng)安全運(yùn)行有積極意義。

2 建設(shè)不同層次的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

由于高鐵變電所采用自動化系統(tǒng)，是一個(gè)包括保護(hù)、監(jiān)測、控制、中央信號，事件記錄、通信等多種功能在內(nèi)的一個(gè)綜合系統(tǒng)，其供電方式、接線、保護(hù)、監(jiān)控界面均與普通變電所不同。系統(tǒng)具有智能化程度高、體積小的特點(diǎn)。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)需以此為基礎(chǔ)，研究牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，確定變電所作業(yè)實(shí)際內(nèi)容,建設(shè)供電監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺，開發(fā)技能訓(xùn)練的項(xiàng)目，構(gòu)建不同層次的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

首先收集高鐵變電所運(yùn)行原始數(shù)據(jù)及相關(guān)資料，主要包括電氣主接線，一次設(shè)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)鍵設(shè)備等。分析高鐵牽引供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn),研究牽引供電安全監(jiān)控系統(tǒng)信息、組成及控制部分,對分層、分類構(gòu)成安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行研究[8-9]，熟悉調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行方式，對監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行出現(xiàn)的問題進(jìn)行收集整理，研究解決方案，在設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)加以考慮。將高鐵運(yùn)行出現(xiàn)的各種情況及案例資料歸檔整理，研究典型工作任務(wù)，將工作任務(wù)具體化，在此基礎(chǔ)上建設(shè)實(shí)訓(xùn)平臺。

以高鐵變電所為參照，構(gòu)建實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，確定技能訓(xùn)練的項(xiàng)目，為技能訓(xùn)練提供真實(shí)的平臺，主要采用以下3種不同層次的實(shí)踐訓(xùn)練系統(tǒng)。

2.1 整體型實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)—高鐵模擬變電所實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

這是一套基于真實(shí)高鐵變電所為模板建設(shè)的系統(tǒng)[10]，采用組屏的方式，缺點(diǎn)是成本較高，投資需數(shù)百萬元。模擬系統(tǒng)以武廣客運(yùn)專線的高鐵變電所應(yīng)用為參照，設(shè)置了最基本的應(yīng)用單元，即主變測控裝置、并補(bǔ)測控裝置、饋線測控裝置、后臺監(jiān)控系統(tǒng)和電力調(diào)度系統(tǒng)。操作電源由直流盤供電，模擬系統(tǒng)主要應(yīng)用于試驗(yàn)、培訓(xùn)等，監(jiān)控系統(tǒng)可完成控制、保護(hù)、測量、信號指示等基本功能，同時(shí)可以進(jìn)行保護(hù)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(jiān)控界面與實(shí)際高鐵變電所完全一樣，二次接線部分與現(xiàn)場一致，差別在于與高壓設(shè)備的連接，高壓開關(guān)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(shí)現(xiàn)遙控、遙信、搖測、遙調(diào)等遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)變電所內(nèi)的通信功能。

上述系統(tǒng)雖然是模擬系統(tǒng)，但是以武廣客運(yùn)專線(高鐵)為參考模型，除了部分高壓設(shè)備(變壓器、部分高壓斷路器、互感器等)采用低壓設(shè)備模擬外，其他二次設(shè)備，如測控屏、后臺監(jiān)控設(shè)備等，包括各設(shè)備布置方式，均與實(shí)際高鐵變電所無異。通信系統(tǒng)也采用與現(xiàn)場一致的雙光纖自愈環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)了綜合自動化監(jiān)控和遠(yuǎn)動系統(tǒng)的控制及信息共享，是實(shí)際牽引變電的濃縮系統(tǒng)，可以進(jìn)行遙控、遙信、定值查詢、修改、保護(hù)試驗(yàn)等項(xiàng)目，監(jiān)控軟件采用與高鐵變電所一致的TA21當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)[12-14]，具備高鐵變電所監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，具有高鐵運(yùn)行供電監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)和特點(diǎn)，屬于一個(gè)整體變電所的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，適合有充足資金和場地的情況下建設(shè)。

2.2 專項(xiàng)型實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)—繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)[15]是上述變電所實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的專項(xiàng)補(bǔ)充，主要專門針對繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，由于繼電保護(hù)是變電所中最為復(fù)雜的技能，建設(shè)繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)室就是為了解決變電所實(shí)訓(xùn)的難點(diǎn)專項(xiàng)。系統(tǒng)采用試驗(yàn)臺的方式，也無需高壓設(shè)備(用模擬斷路器)，成本較上述的變電所系統(tǒng)低一半以上。監(jiān)控主機(jī)與裝置連接后，通過運(yùn)行監(jiān)控軟件，顯示主接線運(yùn)行主界面。能夠直觀地了解各種保護(hù)測控裝置的運(yùn)行，系統(tǒng)應(yīng)包含饋線保護(hù)、主變主保護(hù)、主變后備保護(hù)、電容器保護(hù)等保護(hù)測控裝置模塊，裝置采用嵌入試驗(yàn)臺面板布置的方式，面板預(yù)留繼電保護(hù)測試儀輸入端子，方便進(jìn)行試驗(yàn)。

此系統(tǒng)具備相應(yīng)的保護(hù)功能、備用電源自動投入及重合閘功能，保護(hù)可在測控裝置上整定，也可在后臺監(jiān)控機(jī)上整定動作值。實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控裝置的整定值錄入、保護(hù)配置、故障報(bào)告、事件報(bào)告和自檢報(bào)告查看等操作功能。實(shí)驗(yàn)者可模擬各種故障，校驗(yàn)保護(hù)動作情況，通過繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀完成故障再現(xiàn)?？梢苑奖隳M自動裝置的動作條件及試驗(yàn)。測控裝置安裝在試驗(yàn)臺上，方便開展進(jìn)行分組教學(xué)和試驗(yàn)。為方便學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)及布局，在面板上設(shè)計(jì)有直觀的各種短路模擬(包括圖及模擬短路的按鈕等)，同時(shí)也可以直接通過繼電保護(hù)測試儀實(shí)際測試。主要保護(hù)均有相應(yīng)的案例，提供可操作的試驗(yàn)步驟和方法。對于不考慮大規(guī)模投入資金進(jìn)行組屏建設(shè)變電所的院校而言，試驗(yàn)臺型式可作為一種方案考慮。

2.3 自主學(xué)習(xí)型系統(tǒng)—組合式模擬監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

上述兩種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)成套性特征還是比較明顯的，不方便接線練習(xí)和更改接線，無法深入掌握綜合自動化系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系，也無法進(jìn)行編程學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)組建?？梢蚤_發(fā)一種組合式模擬監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，更加方便學(xué)生接線、實(shí)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí)，更深入地學(xué)習(xí)各部分的原理及操作，可以完成綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，其成本低，也無需高壓設(shè)備，約為繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)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(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)的一項(xiàng)創(chuàng)新。

此系統(tǒng)主要思路是開關(guān)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(hù)輸入信號，模擬開關(guān)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(jiān)控程序，利用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控界面組態(tài)[16]，利用計(jì)算機(jī)屏幕或觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控。可以利用控制板上的開關(guān)實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘，也可利用鼠標(biāo)在筆記本電腦上實(shí)現(xiàn)遙控，可以利用直流信號模擬過電流或欠電壓，實(shí)現(xiàn)斷路器保護(hù)動作和報(bào)警，也可在監(jiān)控界面模擬過流或失壓實(shí)現(xiàn)保護(hù)動作和報(bào)警。系統(tǒng)利用安裝在控制板上的設(shè)備模擬了開關(guān)柜主要元件，實(shí)現(xiàn)了斷路器當(dāng)?shù)乜刂?、遙控監(jiān)控過程，實(shí)現(xiàn)各類保護(hù)投退、動作值整定及自動裝置動作過程，實(shí)現(xiàn)事故信號、預(yù)告信號功能，具備開關(guān)柜的控制和保護(hù)功能，裝置綜合自動化結(jié)構(gòu)清晰、連接簡單、組合方便，可隨時(shí)拆裝和組建，分組練習(xí)容易，教師指導(dǎo)方便，學(xué)生不但可以完成各項(xiàng)操作實(shí)驗(yàn)，而且可以學(xué)習(xí)PLC編程、觸摸屏組態(tài)和PC機(jī)監(jiān)控組態(tài)，可以自主研發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

利用模擬監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，培訓(xùn)人員可完成站內(nèi)遙信、遙測、遙控、遙調(diào)以及變電所內(nèi)現(xiàn)場操作，更改保護(hù)整定值，對設(shè)備事故、繼電保護(hù)和自動裝置動作的相關(guān)信息進(jìn)行處理，同時(shí)，可以進(jìn)行模擬操作和仿真，有條件也可以接入高壓設(shè)備。

3 多層次實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)比較

由表1可見，3種系統(tǒng)都可以有效地學(xué)習(xí)變電所的專業(yè)技能，但還是有區(qū)別的。第1種變電所的現(xiàn)場感強(qiáng)，教學(xué)情境逼真，初學(xué)者對變電所的感性認(rèn)識大大增強(qiáng)，適合變電所整體性學(xué)習(xí)；第2種適合變電所難點(diǎn)的繼電保護(hù)技能專門學(xué)習(xí)，可以更好地學(xué)習(xí)各種保護(hù)的專業(yè)技能；第3種是開放性的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，各部分組合連接方便，結(jié)構(gòu)清晰，適合自主深入學(xué)習(xí)和自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)，包括編程、組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。從表1中還可以看到，單純采用某一種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)都或多或少存在不足，但如果采用少量測控屏、試驗(yàn)臺，加上第3種為主的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可以滿足學(xué)習(xí)的各種需要，又彌補(bǔ)了各種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的不足，既滿足各項(xiàng)技能訓(xùn)練的需要，又可將建設(shè)成本控制在合適的范圍內(nèi)。

表1 不同類型實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)比較

3.2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)運(yùn)用

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以參考以下過程。

(1) 先在高鐵模擬變電所實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)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(yùn)行有一定的理解。

(2) 然后利用繼電保護(hù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，深入學(xué)習(xí)變電所的難點(diǎn)，即繼電保護(hù)及自動裝置部分，學(xué)習(xí)繼電保護(hù)測試的使用，完成各項(xiàng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)。

(3) 在掌握了變電所基本知識和掌握難點(diǎn)后，利用組合式模擬監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)PLC編程、界面組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等，完成斷路器控制、保護(hù)整定與設(shè)置，深入學(xué)習(xí)變電所的控制及監(jiān)控技能，自主學(xué)習(xí)和開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，由掌握基本操作上升到可以設(shè)計(jì)及開發(fā)項(xiàng)目的更高層次，學(xué)員的思維得到升華，專業(yè)知識會打下較好的基礎(chǔ)。

(4) 最后再重新利用高鐵模擬變電所實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)行各項(xiàng)控制、保護(hù)操作實(shí)驗(yàn)、故障查找及處理，加深對整個(gè)高鐵變電所綜合自動化的理解，專業(yè)技能得到全面的提高。

通過上述步驟，學(xué)員完成了從整體學(xué)習(xí)、難點(diǎn)掌握到自主編程開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的提升過程。

4 結(jié) 語

高鐵迅速發(fā)展，運(yùn)行維護(hù)需要大量掌握高鐵供電技能的人才。開發(fā)高鐵變電所實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，完善各種類型的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可使從業(yè)人員迅速掌握高鐵變電所的職業(yè)技能。上述3種層次的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)投入相差較大，且單純采用某一種系統(tǒng)都有其不足之處，可采用少量測控屏、試驗(yàn)臺，加上組合式模擬監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為主的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)方式，部分高壓設(shè)備采用低壓設(shè)備模擬，然后在資金充足時(shí)逐步完善高壓設(shè)備。對于學(xué)員來說，可以在真實(shí)的設(shè)備上進(jìn)行演練或進(jìn)行模擬操作，開發(fā)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，既掌握了技能，突破難點(diǎn)，又完成了自我的提升，為供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。