城市軌道交通仿真變電所的建設實踐與探討

文：林炳城，何銘潮，陳文師丨廣州地鐵集團有限公司

隨著城市軌道交通的快速發展，專業人才實踐技能的培養需求大大增加，引入城市軌道交通新設備新技術，建設一座具備教學實訓、科研創新、經營創收等功能的仿真變電所是未來迫切的需要。仿真變電所是企業員工實戰演訓、技能競賽的優質場地，也是企業員工開展科研創新、故障仿真、調試測試的理想平臺，更是校企合作、展示企業文化的創新窗口。本文研究廣州地鐵石湖仿真變電所的建設思路、系統設備與功能和建設成效，探索城市軌道交通新型實訓基地建設的新途徑。

目前，國內城市軌道交通供電專業實訓室在功能上多是以單體設備、“一線一設備”的方式建設，實踐項目單一，缺乏多工種聯合演練培訓、重大案例事故再現的場所，且缺少行業新設備新技術的應用。因此，通過統一規劃，建設一個系統性重現線上設備、具備新技術、功能齊全、理實一體化的仿真變電所作為綜合性實訓基地，同時引入智能運維新設備、新技術，既可以實現產業化輸出、展示良好的企業文化，成為公司對外展示的窗口，又可以為企業員工提供技術創新研究平臺、實踐技能練兵場地，提升企業員工獲得感，對于適應新形勢、新需求和新挑戰意義重大。

一、仿真變電所建設特點

廣州地鐵石湖仿真變電所（圖1）是具備完整模擬線上設備功能的離線變電所，既是一個系統性的實訓、創新工作室，又是一個具備新設備、新技術的綜合性實訓基地，按照“創新、創優、創效”理念開展建設，具有以下四個特點：

圖1 仿真變電所

一是企業員工自主建設。石湖仿真變電所的建設充分調動企業基層員工的積極性，采用項目化管理施工，由企業員工策劃、設計，全程自主施工、調試，歷時181 天，是廣州地鐵首座具備SCADA 監控系統、智能運維系統及列車電氣化運行微縮仿真系統的綜合型變電所。

二是充分利用現有資源。建設一座離線變電所，需要大量的物資。石湖仿真變電所利用設備故障返修件、合同隨機附件進行建設，設備柜體由企業員工設計、加工，場景化的列車運行仿真系統由企業員工設計、建造，實現建設成本最大化壓縮，充分盤活設備資產。

三是按照與真實變電所1:1 的比例建造。仿真變電所以地鐵線路運行變電所為藍本建造，建設一次設備實物、全套二次設備功能，既有單體設備的完整功能，又具備設備柜之間各類聯鎖、網絡化保護控制等功能，同時也配置有電力監控系統，重現真實變電所功能，是一個典型牽引降壓混合變電所關鍵設備柜構造的仿真供電系統。

四是引入新設備新技術。仿真變電所大量引入城市軌道交通行業新設備新技術，具備符合IEC 61850 的數據模型的智能化綜合監控系統、在線監測系統、智慧“天眼”系統等，是未來智能運維技術驗證、掛網應用的研究場所。

二、仿真變電所系統設備與功能

仿真變電所由設備區、智能運維展示區和地鐵列車運行演示沙盤組成。設備區共建造33kV開關柜、DC1500V 開關柜、0.4kV 開關柜、交直流屏、軌電位柜、可視化接地柜、隔離開關柜等共17 面一體化設備柜，真實再現城市軌道交通變電所運行生產環境。智能運維展示區與線上運行的牽混降壓混合變電所實時通訊，集成在線監測系統、電力監控系統、智慧“天眼”系統，提供全方位的電力設備智能運維方案，是變電所現場設備的智能運維數據集中展示中心。地鐵列車運行演示沙盤是一套列車電氣化運行微縮仿真系統，并與仿真變電所設備實現交互聯動。具體設備與功能如下：

一是面向運維的PSCADA 系統。在基于IEC 61850 光纖網絡化繼電保護的基礎上，石湖停車場建設面向運維的PSCADA 系統，不但可以更全面、更快速的實現常規PSCADA 系統數據采集、運行監視、操作與控制功能，而且與所內IEC61850 網絡化繼電保護方案配合，可將保護配合的虛端子、二次回路、保護邏輯、通信狀態實時動態展示，實現二次系統可視化，具有運維需要的“保護信息管理、故障錄波、遠程運維、智能告警分析”等高級應用功能。

二是交直流屏。為變電所中其它供電設備的二次部分提供不間斷的、穩定的直流電源。如為斷路器分、合閘及二次回路中的儀器、儀表、繼電保護和故障照明提供高可靠的直流電源。具備交流電源自投自復功能。

三是400V 低壓開關柜。模擬線上降壓變電所801/802/803 共三個400V 框架保護開關，具備低壓主開關自投自復邏輯測試、低壓開關柜二次原理培訓、主開關機構拆裝等多項功能，同時其一次部分負責為仿真變電所交直流屏、房間照明提供400V 供電電源，真實再現線上實際系統功能。

四是33kV 高壓開關柜。由5 面33kV 開關柜、1 面繼電保護測試屏組成，模擬地鐵33kV 環網供電功能。繼電保護裝置基于IEC 61850 網絡拓撲結構組網構成，具備繼電保護裝置校驗、網絡化保護功能測試、動力變饋線柜超溫聯跳400V 開關柜等功能。

五是直流牽引供電系統。由3 面直流開關、1面隔離開關柜組成，繼電保護裝置基于IEC 61850網絡拓撲結構組網，具備預防性試驗、直流開關柜保護校驗、直流開關柜二次原理、聯跳功能的理論與實操培訓等多項功能。同時，直流開關實現與隔離開關聯鎖功能，并為所內地鐵列車運行演示沙盤供電，實現線上列車牽引供電的仿真功能。

六是智能運維系統。石湖仿真變電所與石湖停車場智能變電所示范站實時通訊，提供全方位的電力設備智能運維方案，具有信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、系統一體化等特征，可自動完成線上運行變電所全景數據的采集、處理、存儲和展示。系統從未來城市軌道交通智能變電所的在線監測、自我診斷、自我恢復等功能出發，研究其運行維護的“正常運行無人參與，異常情況提前告警，發生故障自動處理”的智能化目標。在線監測系統通過在變電所各電壓等級設備上，安裝斷路器動作特性監測裝置、錄波裝置、熒光光纖傳感器、直流系統框架絕緣監測裝置等在線監測設備，完成對設備運行中的核心狀態量監測數據。通過基于IEC 61850 規約的智能變電所PSCADA 系統組網，并根據設備檢修規程的項目要求形成設備狀態報表，對相關狀態數據異常的設備作出報警提示，為設備狀態的檢測和不良設備的維護提供實時數據和歷史依據。智慧“天眼”系統是智能變電所視頻智能分析系統，采用固定式的超清廣角攝像頭，獲取33kV 開關室，1500V 直流開關室、400V 低壓開關室、整流變壓器室等重要供電設備的房間圖像與溫濕度，并將計算機視覺智能識別技術融入視頻監控系統，根據運維人員日常巡視項目要求對視頻數據流進行圖像處理、目標分析等工作，實現代替人工巡視的目標，實現設備運行工況及環境的全天候實時視頻監視。

七是列車電氣化運行微縮仿真系統。地鐵列車運行演示沙盤是對城市軌道交通列車電氣化運行實際場景的微縮仿真（圖2），展現真實系統功能。沙盤整體形象逼真，列車、供電設備，車站、停車場、隧道、軌道、道岔、接觸軌等結構清楚，制作精美。沙盤由仿真變電所設備區DC1500V 開關柜直流開關向接觸軌及鋼軌供電，地鐵車輛通過底部受電靴從接觸軌和鋼軌受電，在環形軌道上運行，并通過一副道岔出入車場。沙盤與仿真變電所設備實現交互聯動，與DC1500V 開關聯動閉鎖，可實現仿真模擬列車牽引供電正常運行及異常現象，進行軌行區接觸軌短路導致直流開關跳閘故障仿真演練。

三、仿真變電所建設成效

石湖仿真變電所是一個具備真實設備、功能完整仿真的新型實訓基地，集教學實訓、演練競賽、調試測試、技術科研四大功能于一體。

石湖仿真變電所是實戰演訓、技能競賽的優質場地，精準匹配一線實際需求，提供與現場1:1 模擬的設備，可開展接觸軌異物侵限導致直流開關跳閘、變壓器超溫跳閘導致低壓400V 開關自投自復等多項實戰化演練，是承擔技能競賽/鑒定考試，各類技術比武的理想場地，實現“沉浸式”體驗。

石湖仿真變電所是新產品檢驗評估的仿真實驗平臺，具備與現場設備類似的生產環境及先進的電力監控系統，可以論證產品的性能及在實際運行環境中的運行效果，是城市軌道交通供電系統各類產品、備品備件軟硬件功能驗證評估、掛網測試的仿真實驗平臺。

石湖仿真變電所是校企合作的紐帶，能為各類高校城軌供電技能課程教學提供完全貼近企業現場工作的實訓設備，在國家大力開展產教融合的背景下，企業和學校可以在組織教師開展企業實踐、協同開展研發合作、實施校企“雙元”育人、開展教師學生職業技能競賽、建設學生實踐實訓基地等方面深度合作，實現互利共贏。

石湖仿真變電所是企業員工技術攻關、創新研究的工作室，由企業員工自主建設，具備真實系統的設備和功能，可以便捷地開展實際操練、故障模擬驗證、技術改造掛網測試、創新產品調試等項目，是生產一線企業員工開展技術攻關、小發明小創造項目的工作室，成為企業生產的攻關隊、創新項目的孵化器、技術創新的展示窗口，石湖仿真變電所建設適應城市軌道交通的快速發展的要求，為未來城市軌道交通供電專業新型實訓基地建設提供思路。