半實(shí)物牽引變電所仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究

王金志

（中國鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司 鄭州高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段，鄭州 450052）

目前，在鐵路系統(tǒng)各個供電段建有供職工培訓(xùn)用牽引變電教學(xué)基地。在這些教學(xué)基地內(nèi)，或受限于昂貴的高壓設(shè)備價(jià)格、或受限于過大的占地面積，基本上只能采用部分控制保護(hù)盤加少量的高壓斷路器和隔離開關(guān)進(jìn)行實(shí)操教學(xué)，只能簡單模擬牽引變電所個別設(shè)備的操作、運(yùn)行，幾乎無法體現(xiàn)牽引變電所的真實(shí)運(yùn)行情況和實(shí)際發(fā)生的故障現(xiàn)象，教學(xué)效果十分有限。牽引變電所仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以模擬完整牽引變電所的斷路器、牽引變壓器、隔離開關(guān)、互感器等設(shè)備操作、運(yùn)行及工作狀態(tài)監(jiān)測，能夠?qū)崟r再現(xiàn)牽引變電所值班運(yùn)行及故障應(yīng)急處置的各種場景，實(shí)現(xiàn)對職工的全仿真培訓(xùn)，使培訓(xùn)內(nèi)容與現(xiàn)場情況無縫銜接，大大提高培訓(xùn)效果。

1 研發(fā)目的

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用部分真實(shí)設(shè)備和部分仿真設(shè)備組成的混合仿真系統(tǒng)。采用真實(shí)設(shè)備，以便實(shí)現(xiàn)各種實(shí)際的檢修試驗(yàn)教學(xué)，采用一次設(shè)備仿真模擬盤，仿真部分一次設(shè)備，以便配合綜合自動化系統(tǒng)完成全所整體仿真。通過仿真實(shí)訓(xùn)不僅能夠模擬牽引變電所正常運(yùn)行的各種操作（包括饋線停送電，主變的切除和投入；饋線、主變停運(yùn)并檢修的各種操作及安全技術(shù)措施；母線倒閘操作；備用斷路器代替主用斷路器的操作；電容器的投入和切除，進(jìn)線失壓自投、主變故障自投等），而且還能夠模擬接觸網(wǎng)及牽引變電所各種電氣設(shè)備的故障和不正常運(yùn)行方式（包括接觸網(wǎng)故障、進(jìn)線及母線故障；變壓器故障；保護(hù)回路故障；直流回路故障；控制信號回路典型故障等），同時還能夠進(jìn)行27.5 kV真空斷路器檢修試驗(yàn)、高鐵GIS開關(guān)柜檢修試驗(yàn)、27.5 kV隔離開關(guān)檢修試驗(yàn)、110 kV三相隔離開關(guān)檢修試驗(yàn)、27.5 kV空氣開關(guān)柜檢修試驗(yàn)、變壓器檢修試驗(yàn)、綜合自動化系統(tǒng)檢修試驗(yàn)、牽引變電所交直流自用電系統(tǒng)檢修試驗(yàn)等。它既具有真實(shí)設(shè)備的形象直觀、現(xiàn)場感強(qiáng)、有效提高職工的業(yè)務(wù)素質(zhì)及事故應(yīng)急處置能力的優(yōu)點(diǎn)，又有軟件仿真占用空間小、工程造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)，特別是克服了其他仿真培訓(xùn)系統(tǒng)無法直接用儀器儀表實(shí)際測量的缺陷，培訓(xùn)教學(xué)過程與生產(chǎn)現(xiàn)場高度一致［1］。

2 解決方案

2.1 總體方案

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本項(xiàng)目的混合仿真系統(tǒng)采用大量真實(shí)設(shè)備和仿真設(shè)備。

系統(tǒng)采用全部真實(shí)的二次設(shè)備和部分真實(shí)一次設(shè)備。全部真實(shí)牽引變電所所有二次設(shè)備包括：交流盤、直流盤、綜合自動化系統(tǒng)，用于配合真實(shí)設(shè)備和仿真高壓設(shè)備進(jìn)行倒閘操作、故障查找、運(yùn)行仿真、事故仿真等教學(xué)內(nèi)容。

系統(tǒng)配備部分真實(shí)一次設(shè)備，包括：1臺三相電動隔離開關(guān)、1臺110 kV電壓互感器、1臺110 kV電流互感器、1臺27.5 kV電壓互感器、3臺27.5 kV電動隔離開關(guān)、2臺27 kV手動隔離開關(guān)、3臺27.5 kV真空斷路器、1面27.5 kV空氣開關(guān)柜、1面55 kV GIS開關(guān)柜、1臺27.5 kV干式自用變壓器、1臺27.5 kV油浸自用變壓器、2條27.5 kV高壓母線等。真實(shí)設(shè)備主要用于設(shè)備檢修試驗(yàn)和故障處理的教學(xué)培訓(xùn)。

仿真設(shè)備包括：一次設(shè)備仿真模擬盤如圖1所示，可仿真全所110 kV高壓斷路器、27.5 kV真空斷路器、電壓互感器、電流互感器、隔離開關(guān)、主變壓器、補(bǔ)償電容器等高壓設(shè)備和各種接地短路和主變內(nèi)部故障等現(xiàn)象。其主要作用是配合綜合自動化系統(tǒng)，完成牽引變電所的全部仿真運(yùn)行與故障現(xiàn)象［2］。

圖1 一次設(shè)備仿真模擬盤

系統(tǒng)組成方框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成方框圖

2.2 真實(shí)設(shè)備

真實(shí)設(shè)備主要用于設(shè)備檢修試驗(yàn)和故障處理的教學(xué)培訓(xùn)，特別是檢修試驗(yàn)教學(xué)，具有與現(xiàn)場一致、教學(xué)效果好的特點(diǎn)。為滿足二次回路查找和檢修試驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)，綜合自動化系統(tǒng)需要接入真實(shí)設(shè)備，而進(jìn)行故障模擬，倒閘操作、系統(tǒng)備自投仿真、復(fù)雜故障仿真等教學(xué)任務(wù)，又必須將仿真設(shè)備也接入綜合自動化系統(tǒng)。對于綜合自動化系統(tǒng)來說，相當(dāng)于有相同編號的2套設(shè)備要同時接入1個綜合自動化系統(tǒng)。例如，既有真實(shí)真空斷路器211，也有仿真斷路器211，均要同時接入綜合自動化系統(tǒng)的211饋線保護(hù)裝置。但是211饋線保護(hù)裝置無法滿足同時接入的要求，為此，該系統(tǒng)采用了仿真模擬設(shè)備與實(shí)際設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換的“仿真實(shí)際切換裝置”，來選擇仿真設(shè)備或者真實(shí)設(shè)備接入綜合自動化系統(tǒng)。

2.3 仿真設(shè)備

2.3.1 仿真斷路器與隔離開關(guān)

仿真斷路器與隔離開關(guān)按照真實(shí)斷路器與綜合自動化的接口來進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，具有與真實(shí)斷路器與隔離開關(guān)相同的外部接口：分閘線、合閘線、機(jī)構(gòu)故障信號、主斷口、彈簧未儲能、控制回路失電、電機(jī)回路失電、輔助接點(diǎn)等，可按真實(shí)斷路器與隔離開關(guān)圖紙，直接接入綜合自動化系統(tǒng)二次回路。仿真斷路器與隔離開關(guān)還可設(shè)置分合閘時間、以及當(dāng)?shù)乜刂坪途嚯x控制，全面仿真實(shí)際斷路器與隔離開關(guān)的所有外部特性。

2.3.2 仿真主變壓器

采用2臺110 V/27.5 V的控制變壓器來仿真V/V接線牽引變壓器，其高低壓側(cè)電流比、電壓比及相位關(guān)系與實(shí)際主變壓器相同。

2.3.3 仿真電壓電流互感器

采用27.5 V/100 V的變壓器來仿真電壓互感器，產(chǎn)生綜合自動化系統(tǒng)所需要的100 V二次電壓。采用1∶1的小型電流互感器，來仿真高壓電流互感器，產(chǎn)生綜合自動化系統(tǒng)的電流回路。

2.3.4 短路故障

采用程控交流負(fù)載，來產(chǎn)生仿真負(fù)載運(yùn)行與短路故障時的各種電壓電流。

3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用380 V三相電源，經(jīng)降壓變壓器降壓至110 V，仿真牽引變電所110 kV電源進(jìn)線，然后按真實(shí)牽引變電所主接線圖，用仿真斷路器和隔離開關(guān)，連接成仿真的牽引變電所主導(dǎo)電回路。在主變壓器和饋線負(fù)荷側(cè)連接程控交流負(fù)載，用來實(shí)現(xiàn)短路故障和母線以及主變故障，從而仿真全部牽引變電所的各種運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)。其主接線如圖3所示。

圖3 牽引變電仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主接線圖

圖3 中所有斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、主變壓器等均采用仿真元件，并接入綜合自動化系統(tǒng)。所有真實(shí)設(shè)備斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、自用變壓器等均經(jīng)仿真模擬轉(zhuǎn)換器接入綜合自動化系統(tǒng)，真實(shí)設(shè)備一次側(cè)不產(chǎn)生電壓電流，真實(shí)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)正常的分合閘操作和所有二次回路故障檢修查找等教學(xué)任務(wù)。而仿真系統(tǒng)，除了沒有真實(shí)設(shè)備的外觀和高壓特性外，對于在主控制室內(nèi)的綜合自動化系統(tǒng)以及被培訓(xùn)學(xué)員來說，真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行效果和故障現(xiàn)象均相同或類似，具有很好的教學(xué)效果。

4 關(guān)鍵技術(shù)及其解決方法

牽引變電所仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中的實(shí)際設(shè)備均為現(xiàn)場正在使用的真實(shí)設(shè)備，也沒有任何特殊性。而一次系統(tǒng)仿真模擬盤是該系統(tǒng)中的特殊設(shè)備，也是該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)所在。

4.1 一次系統(tǒng)仿真模擬盤結(jié)構(gòu)

一次系統(tǒng)仿真模擬盤結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)由仿真斷路器插件、仿真隔離開關(guān)插件、仿真主變插件來控制仿真主變、仿真電流互感器、仿真電壓互感器組成的主導(dǎo)電回路配合就地操作面板、程控交流負(fù)載、CAN總線和桌面操作計(jì)算機(jī)組成。

圖4 一次系統(tǒng)仿真模擬盤結(jié)構(gòu)框圖

仿真斷路器插件、仿真隔離開關(guān)插件、仿真主變插件來控制仿真主變、仿真電流互感器、仿真電壓互感器組成的主導(dǎo)電回路結(jié)合程控交流負(fù)載，實(shí)現(xiàn)牽引變電所高壓電流回路各種運(yùn)行負(fù)荷電流以及故障電流的聯(lián)通和切斷，實(shí)現(xiàn)牽引變電所的整體運(yùn)行仿真［3］。就地操作面板實(shí)現(xiàn)仿真，就地控制各種高壓設(shè)備的操作模擬。

桌面操作計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)故障參數(shù)、開關(guān)動作時間等設(shè)備參數(shù)的修改和仿真，可以就地控制，方便教師操作。

4.2 仿真斷路器

仿真斷路器需要具有真實(shí)斷路器的所有對外接口，需要接收分合閘命令，并向綜合自動化系統(tǒng)返回分合位置信息和電機(jī)儲能、機(jī)構(gòu)故障等信息，并具有模擬當(dāng)?shù)夭僮鞯牟僮鹘缑?。仿真斷路器原理如圖5所示。

圖5 仿真斷路器原理示意圖

仿真斷路器具有和真實(shí)斷路器相同的外部接口以及類似的外部特性。通過分閘線和合閘線接收來自綜合自動化系統(tǒng)的分合命令，根據(jù)命令，設(shè)置控制紅綠燈和位置信息采集的繼電器接點(diǎn)位置，從而使綜合自動化系統(tǒng)接收到斷路器的分合位置。

使用繼電器根據(jù)斷路器合后儲能的特性，結(jié)合合閘母線電壓的有無，輸出儲能電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的信號，仿真斷路器合閘時的儲能現(xiàn)象。

上位機(jī)通過CAN總線發(fā)送的機(jī)構(gòu)故障和就地分合等命令，設(shè)置機(jī)構(gòu)故障信號和就地分合狀態(tài)，模擬斷路器機(jī)構(gòu)發(fā)生故障或就地進(jìn)行分合功能。

該模擬斷路器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，具有與現(xiàn)場一致的分合閘電流，能夠配合綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部的分位繼電器和合位繼電器的位置檢測應(yīng)用，并且擁有獨(dú)立的分合閘時間設(shè)置。

模擬斷路器在整個仿真系統(tǒng)中具有一定的獨(dú)立性，其對綜合自動化系統(tǒng)的接口不依賴其他設(shè)備而運(yùn)行，僅僅依靠自身即可完成正常的分合閘以及儲能等功能，當(dāng)其他插件或桌面控制計(jì)算機(jī)故障時，不影響模擬斷路器主要功能的實(shí)現(xiàn)。

4.3 仿真隔離開關(guān)

仿真隔離開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)與仿真斷路器類似，區(qū)別在于仿真隔離開關(guān)不需要考慮綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)的位置繼電器，從而使電路更簡單一點(diǎn)，此處不再贅述。

4.4 仿真主變插件

仿真主變插件主要完成主變非電量保護(hù)，包括重瓦斯、輕瓦斯、溫度保護(hù)、壓力釋放等保護(hù)。其工作原理是基于上述保護(hù)均為繼電器接點(diǎn)輸出，模擬上述保護(hù)，采用在桌面控制計(jì)算機(jī)上通過CAN總線來控制仿真主變插件上的繼電器來發(fā)出上述信號即可，原理比較簡單，不再詳述。

4.5 負(fù)荷電流與故障電流的產(chǎn)生

系統(tǒng)采用程控交流負(fù)載來模擬機(jī)車運(yùn)行負(fù)載和系統(tǒng)短路阻抗。其一次系統(tǒng)接線完全模擬真實(shí)牽引變電所，電流產(chǎn)生原理如圖6所示。使用程控交流負(fù)載來模擬機(jī)車負(fù)載和短路阻抗是最接近真實(shí)運(yùn)行情況的方法，而且相對于其他由計(jì)算機(jī)進(jìn)行電流程序計(jì)算來控制電流發(fā)生器而產(chǎn)生的電流，其控制方法和系統(tǒng)配合要簡單方便很多。

圖6 電流產(chǎn)生原理框圖

程控交流負(fù)載對運(yùn)行及故障工況的模擬仿真，是采用2臺110 V/27.5 V的控制變壓器來仿真V/V接線牽引變壓器，其高低壓側(cè)電流比、電壓比及相位關(guān)系與實(shí)際主變壓器相同。

程控交流負(fù)載的大小決定運(yùn)行及故障工況，通過改變程控交流負(fù)載的電阻、電抗值，模擬電力機(jī)車在饋線上運(yùn)行以及接觸網(wǎng)線路發(fā)生的短路故障。但由于程控交流負(fù)載大小的限制，所以負(fù)載阻抗值可以改變，但調(diào)整范圍不大；而負(fù)載阻抗角度的大小由程控交流負(fù)載的電感、電阻值的比例控制，所以該系統(tǒng)只能把負(fù)載阻抗角調(diào)整在一定的范圍內(nèi)，它不像繼電保護(hù)測試儀一樣，可以把負(fù)載阻抗角度調(diào)整到任意的角度，模擬任意相量角度下的短路工況。

按照上述工作原理，成功地研制了牽引變電所仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，職工在進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)時，能夠?qū)崟r再現(xiàn)牽引變電所值班運(yùn)行及故障應(yīng)急處置的各種場景，克服了以往職工實(shí)作演練的以“筆”代訓(xùn)，不僅能大大提高職工的培訓(xùn)效果，而且也可以大大提高牽引變電專業(yè)運(yùn)行檢修人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和事故處理能力，對于縮短牽引變電所事故或故障處理時間，保證了供電安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要意義。

5 結(jié)語

牽引變電專業(yè)職工培訓(xùn)，不可能停止設(shè)備運(yùn)行或人為制造事故現(xiàn)象來進(jìn)行，且設(shè)備均為遠(yuǎn)程電調(diào)臺操作，所內(nèi)值班人員只能監(jiān)視不能操作，難以進(jìn)行故障演練和實(shí)操考核，由于缺乏有效的實(shí)操演練培訓(xùn)及考核的平臺，職工培訓(xùn)效果不夠理想。通過牽引變電所仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可以模擬完整牽引變電所的斷路器、牽引變壓器、隔離開關(guān)、互感器等設(shè)備操作、運(yùn)行及工作狀態(tài)監(jiān)測以及故障應(yīng)急處置的各種場景，特別是克服了其他仿真培訓(xùn)系統(tǒng)無法直接用儀器儀表實(shí)際測量的缺陷，具有真實(shí)設(shè)備的形象直觀、現(xiàn)場感強(qiáng)的特點(diǎn)，培訓(xùn)教學(xué)過程與生產(chǎn)現(xiàn)場高度一致。鄭州鐵路局集團(tuán)公司利用牽引變電所仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)多次進(jìn)行變電值班工、檢修工的培訓(xùn)，都取得了良好培訓(xùn)效果。