半實物牽引變電所仿真實訓系統研究

王金志

（中國鐵路鄭州局集團有限公司 鄭州高鐵基礎設施段，鄭州 450052）

目前，在鐵路系統各個供電段建有供職工培訓用牽引變電教學基地。在這些教學基地內，或受限于昂貴的高壓設備價格、或受限于過大的占地面積，基本上只能采用部分控制保護盤加少量的高壓斷路器和隔離開關進行實操教學，只能簡單模擬牽引變電所個別設備的操作、運行，幾乎無法體現牽引變電所的真實運行情況和實際發生的故障現象，教學效果十分有限。牽引變電所仿真實訓系統可以模擬完整牽引變電所的斷路器、牽引變壓器、隔離開關、互感器等設備操作、運行及工作狀態監測，能夠實時再現牽引變電所值班運行及故障應急處置的各種場景，實現對職工的全仿真培訓，使培訓內容與現場情況無縫銜接，大大提高培訓效果。

1 研發目的

實訓系統采用部分真實設備和部分仿真設備組成的混合仿真系統。采用真實設備，以便實現各種實際的檢修試驗教學，采用一次設備仿真模擬盤，仿真部分一次設備，以便配合綜合自動化系統完成全所整體仿真。通過仿真實訓不僅能夠模擬牽引變電所正常運行的各種操作（包括饋線停送電，主變的切除和投入；饋線、主變停運并檢修的各種操作及安全技術措施；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，進線失壓自投、主變故障自投等），而且還能夠模擬接觸網及牽引變電所各種電氣設備的故障和不正常運行方式（包括接觸網故障、進線及母線故障；變壓器故障；保護回路故障；直流回路故障；控制信號回路典型故障等），同時還能夠進行27.5 kV真空斷路器檢修試驗、高鐵GIS開關柜檢修試驗、27.5 kV隔離開關檢修試驗、110 kV三相隔離開關檢修試驗、27.5 kV空氣開關柜檢修試驗、變壓器檢修試驗、綜合自動化系統檢修試驗、牽引變電所交直流自用電系統檢修試驗等。它既具有真實設備的形象直觀、現場感強、有效提高職工的業務素質及事故應急處置能力的優點，又有軟件仿真占用空間小、工程造價低、運行費用低、維護工作量小的優點，特別是克服了其他仿真培訓系統無法直接用儀器儀表實際測量的缺陷，培訓教學過程與生產現場高度一致［1］。

2 解決方案

2.1 總體方案

為實現上述目的，本項目的混合仿真系統采用大量真實設備和仿真設備。

系統采用全部真實的二次設備和部分真實一次設備。全部真實牽引變電所所有二次設備包括：交流盤、直流盤、綜合自動化系統，用于配合真實設備和仿真高壓設備進行倒閘操作、故障查找、運行仿真、事故仿真等教學內容。

系統配備部分真實一次設備，包括：1臺三相電動隔離開關、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、2臺27 kV手動隔離開關、3臺27.5 kV真空斷路器、1面27.5 kV空氣開關柜、1面55 kV GIS開關柜、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。真實設備主要用于設備檢修試驗和故障處理的教學培訓。

仿真設備包括：一次設備仿真模擬盤如圖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、主變壓器、補償電容器等高壓設備和各種接地短路和主變內部故障等現象。其主要作用是配合綜合自動化系統，完成牽引變電所的全部仿真運行與故障現象［2］。

圖1 一次設備仿真模擬盤

系統組成方框圖如圖2所示。

圖2 系統組成方框圖

2.2 真實設備

真實設備主要用于設備檢修試驗和故障處理的教學培訓，特別是檢修試驗教學，具有與現場一致、教學效果好的特點。為滿足二次回路查找和檢修試驗的教學任務，綜合自動化系統需要接入真實設備，而進行故障模擬，倒閘操作、系統備自投仿真、復雜故障仿真等教學任務，又必須將仿真設備也接入綜合自動化系統。對于綜合自動化系統來說，相當于有相同編號的2套設備要同時接入1個綜合自動化系統。例如，既有真實真空斷路器211，也有仿真斷路器211，均要同時接入綜合自動化系統的211饋線保護裝置。但是211饋線保護裝置無法滿足同時接入的要求，為此，該系統采用了仿真模擬設備與實際設備進行轉換的“仿真實際切換裝置”，來選擇仿真設備或者真實設備接入綜合自動化系統。

2.3 仿真設備

2.3.1 仿真斷路器與隔離開關

仿真斷路器與隔離開關按照真實斷路器與綜合自動化的接口來進行仿真設計，具有與真實斷路器與隔離開關相同的外部接口：分閘線、合閘線、機構故障信號、主斷口、彈簧未儲能、控制回路失電、電機回路失電、輔助接點等，可按真實斷路器與隔離開關圖紙，直接接入綜合自動化系統二次回路。仿真斷路器與隔離開關還可設置分合閘時間、以及當地控制和距離控制，全面仿真實際斷路器與隔離開關的所有外部特性。

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，其高低壓側電流比、電壓比及相位關系與實際主變壓器相同。

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，產生綜合自動化系統所需要的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，產生綜合自動化系統的電流回路。

2.3.4 短路故障

采用程控交流負載，來產生仿真負載運行與短路故障時的各種電壓電流。

3 系統工作原理

系統采用380 V三相電源，經降壓變壓器降壓至110 V，仿真牽引變電所110 kV電源進線，然后按真實牽引變電所主接線圖，用仿真斷路器和隔離開關，連接成仿真的牽引變電所主導電回路。在主變壓器和饋線負荷側連接程控交流負載，用來實現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行狀態和故障狀態。其主接線如圖3所示。

圖3 牽引變電仿真實訓系統主接線圖

圖3 中所有斷路器、隔離開關、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。所有真實設備斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、自用變壓器等均經仿真模擬轉換器接入綜合自動化系統，真實設備一次側不產生電壓電流，真實設備能實現正常的分合閘操作和所有二次回路故障檢修查找等教學任務。而仿真系統，除了沒有真實設備的外觀和高壓特性外，對于在主控制室內的綜合自動化系統以及被培訓學員來說，真實設備的運行效果和故障現象均相同或類似，具有很好的教學效果。

4 關鍵技術及其解決方法

牽引變電所仿真實訓系統中的實際設備均為現場正在使用的真實設備，也沒有任何特殊性。而一次系統仿真模擬盤是該系統中的特殊設備，也是該系統的創新點所在。

4.1 一次系統仿真模擬盤結構

一次系統仿真模擬盤結構如圖4所示，系統由仿真斷路器插件、仿真隔離開關插件、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電回路配合就地操作面板、程控交流負載、CAN總線和桌面操作計算機組成。

圖4 一次系統仿真模擬盤結構框圖

仿真斷路器插件、仿真隔離開關插件、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電回路結合程控交流負載，實現牽引變電所高壓電流回路各種運行負荷電流以及故障電流的聯通和切斷，實現牽引變電所的整體運行仿真［3］。就地操作面板實現仿真，就地控制各種高壓設備的操作模擬。

桌面操作計算機實現故障參數、開關動作時間等設備參數的修改和仿真，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返回分合位置信息和電機儲能、機構故障等信息，并具有模擬當地操作的操作界面。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的分合命令，根據命令，設置控制紅綠燈和位置信息采集的繼電器接點位置，從而使綜合自動化系統接收到斷路器的分合位置。

使用繼電器根據斷路器合后儲能的特性，結合合閘母線電壓的有無，輸出儲能電機運轉的信號，仿真斷路器合閘時的儲能現象。

上位機通過CAN總線發送的機構故障和就地分合等命令，設置機構故障信號和就地分合狀態，模擬斷路器機構發生故障或就地進行分合功能。

該模擬斷路器的獨特優點，具有與現場一致的分合閘電流，能夠配合綜合自動化系統內部的分位繼電器和合位繼電器的位置檢測應用，并且擁有獨立的分合閘時間設置。

模擬斷路器在整個仿真系統中具有一定的獨立性，其對綜合自動化系統的接口不依賴其他設備而運行，僅僅依靠自身即可完成正常的分合閘以及儲能等功能，當其他插件或桌面控制計算機故障時，不影響模擬斷路器主要功能的實現。

4.3 仿真隔離開關

仿真隔離開關硬件結構與仿真斷路器類似，區別在于仿真隔離開關不需要考慮綜合自動化系統內的位置繼電器，從而使電路更簡單一點，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，包括重瓦斯、輕瓦斯、溫度保護、壓力釋放等保護。其工作原理是基于上述保護均為繼電器接點輸出，模擬上述保護，采用在桌面控制計算機上通過CAN總線來控制仿真主變插件上的繼電器來發出上述信號即可，原理比較簡單，不再詳述。

4.5 負荷電流與故障電流的產生

系統采用程控交流負載來模擬機車運行負載和系統短路阻抗。其一次系統接線完全模擬真實牽引變電所，電流產生原理如圖6所示。使用程控交流負載來模擬機車負載和短路阻抗是最接近真實運行情況的方法，而且相對于其他由計算機進行電流程序計算來控制電流發生器而產生的電流，其控制方法和系統配合要簡單方便很多。

圖6 電流產生原理框圖

程控交流負載對運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，其高低壓側電流比、電壓比及相位關系與實際主變壓器相同。

程控交流負載的大小決定運行及故障工況，通過改變程控交流負載的電阻、電抗值，模擬電力機車在饋線上運行以及接觸網線路發生的短路故障。但由于程控交流負載大小的限制，所以負載阻抗值可以改變，但調整范圍不大；而負載阻抗角度的大小由程控交流負載的電感、電阻值的比例控制，所以該系統只能把負載阻抗角調整在一定的范圍內，它不像繼電保護測試儀一樣，可以把負載阻抗角度調整到任意的角度，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訓系統，通過該系統，職工在進行業務培訓時，能夠實時再現牽引變電所值班運行及故障應急處置的各種場景，克服了以往職工實作演練的以“筆”代訓，不僅能大大提高職工的培訓效果，而且也可以大大提高牽引變電專業運行檢修人員的業務素質和事故處理能力，對于縮短牽引變電所事故或故障處理時間，保證了供電安全穩定運行，具有重要意義。

5 結語

牽引變電專業職工培訓，不可能停止設備運行或人為制造事故現象來進行，且設備均為遠程電調臺操作，所內值班人員只能監視不能操作，難以進行故障演練和實操考核，由于缺乏有效的實操演練培訓及考核的平臺，職工培訓效果不夠理想。通過牽引變電所仿真實訓系統，可以模擬完整牽引變電所的斷路器、牽引變壓器、隔離開關、互感器等設備操作、運行及工作狀態監測以及故障應急處置的各種場景，特別是克服了其他仿真培訓系統無法直接用儀器儀表實際測量的缺陷，具有真實設備的形象直觀、現場感強的特點，培訓教學過程與生產現場高度一致。鄭州鐵路局集團公司利用牽引變電所仿真實訓系統多次進行變電值班工、檢修工的培訓，都取得了良好培訓效果。