虛實(shí)結(jié)合的供配電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

摘要：供配電培訓(xùn)在提高電力行業(yè)運(yùn)行人員專業(yè)技能、提升電氣專業(yè)學(xué)生知識水平方面發(fā)揮著不可取代的作用.針對供配電試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)大、培訓(xùn)效率低等問題，開發(fā)出虛實(shí)結(jié)合的供配電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在低電壓工作環(huán)境下模擬供配電高壓試驗(yàn).該供配電虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)行狀況相接近，可以快速、高效地進(jìn)行專業(yè)人員的培訓(xùn)，具有高低壓供配電實(shí)操、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)操、供配電系統(tǒng)虛實(shí)結(jié)合模擬操作等功能.該系統(tǒng)提高了培訓(xùn)效率，改善了培訓(xùn)質(zhì)量，并在教學(xué)試驗(yàn)階段得到了較好的效果，具有一定的推廣價(jià)值.

關(guān)鍵詞：虛實(shí)結(jié)合；虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)平臺；供配電；電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM925"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research and Design of Power Supply and Distribution Training System

Based on Virtual Reality

Abstract：Power supply and distribution training plays an irreplaceable role in improving the professional skills of operators in the hydropower industry and improving the knowledge level of electrical students. Aiming at the problems of high safety risk and low training efficiency of power supply and distribution test， based on the real application scenario of power supply and distribution station， and guided by the actual demand， the power supply and distribution training system with virtual and real combination is developed to realize the simulation of power supply and distribution high voltage test under low voltage working environment. The virtual and practical training system for power supply and distribution is close to the actual operation status. It can train professionals quickly and efficiently， and has the functions of high and low voltage power supply and distribution practice， integrated automation system practice， power supply and distribution system simulation operation， etc. The system improves the training efficiency and quality and obtains good results in the teaching experiment stage， which has a good application prospect.

Key words：combination of virtuality and reality; virtual simulation; training platform; power supply and distribution; power system

“產(chǎn)教融合、科教融匯”是國家實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)與整個(gè)教育系統(tǒng)融合，提高職業(yè)教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措.當(dāng)前在電力行業(yè)職工培訓(xùn)和電力專業(yè)職業(yè)教育中，以“課程設(shè)計(jì)+實(shí)操”為主的供配電課程實(shí)訓(xùn)正面臨著結(jié)構(gòu)老化、更新滯后等挑戰(zhàn)[1-3].將電氣工程高素質(zhì)人才的技能提升與整個(gè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展方式的變革緊密聯(lián)合在一起，結(jié)合電力系統(tǒng)配電運(yùn)行實(shí)際情況，設(shè)計(jì)供配電虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)平臺[4-6]，滿足水利水電行業(yè)和電氣專業(yè)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化、繼電保護(hù)、配電自動(dòng)化、供配電技術(shù)、工廠供電等課程的實(shí)驗(yàn)需要，同時(shí)還可兼顧教科研的需求[7-10].在研究設(shè)計(jì)中，結(jié)合電力行業(yè)龍頭企業(yè)的新技術(shù)，共同打造服務(wù)于電力行業(yè)的產(chǎn)教融合示范共同體.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本實(shí)訓(xùn)平臺模擬一個(gè)工廠的變配電站建設(shè)項(xiàng)目，新建一個(gè)10 kV/0.4 kV的變配電所，向公司生產(chǎn)區(qū)、辦公樓、職工住宅區(qū)及其余配套輔助設(shè)備供電，供配電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)如圖1所示.

系統(tǒng)采用兩路10 kV的外部電源進(jìn)線供電，主接線采用橋形接線（內(nèi)橋），變壓器臺數(shù)為兩臺，電源進(jìn)線為兩路，一備一用.變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)由單母線段連接.兩個(gè)外部電源具有相同的容量，每一路均可給所有負(fù)載供電.兩路電源均設(shè)置電能計(jì)量柜，放在總進(jìn)線柜后.為了監(jiān)測工作電源和備用電源的電壓，在母線和備用進(jìn)線斷路器前安裝有電壓互感器.變電站饋線作為高壓側(cè)進(jìn)線，通過10 kV戶內(nèi)高壓金屬鎧裝柜進(jìn)行控制.經(jīng)配電變壓器將電壓變換成0.4 kV的低電壓供用電設(shè)備使用.配電室進(jìn)線采用框架型斷路器，饋線采用帶保護(hù)器的塑殼斷路器，低壓側(cè)饋線作為負(fù)載的進(jìn)線，饋出線作為照明系統(tǒng)和負(fù)載電機(jī)等設(shè)備出線使用.

供配電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)一次設(shè)備高壓側(cè)采用KYN28A-12型戶內(nèi)高壓金屬鎧裝抽出式開關(guān)設(shè)備，低壓側(cè)考慮讓培訓(xùn)人員熟悉不同設(shè)備，采用GCK和GGD兩種類型的交流低壓配電柜.共有高壓配電柜10臺，變壓器2臺，低壓配電柜9臺，RLC可編程模擬負(fù)載柜1臺，直流電源柜2臺.設(shè)備清單如表1所列.

2 高低壓供配電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

2.1 高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本套高壓開關(guān)柜系統(tǒng)由電源進(jìn)線柜、計(jì)量柜、PT柜、變壓器柜、隔離柜和聯(lián)絡(luò)柜組成，使用的KYN28A型高壓開關(guān)柜屬于戶內(nèi)金屬鎧裝中置移開式開關(guān)設(shè)備，整體由箱體和中間安裝的可拆卸部件（即手車）兩大部分組成，整個(gè)柜子被分成4個(gè)獨(dú)立的隔間.外殼防護(hù)等級為IP4X，隔室和斷路器室在開門時(shí)防護(hù)等級為IP2X，配有架空進(jìn)出線和電纜進(jìn)出線等功能方案，經(jīng)過排列組合，可成為各種方案形式的配電裝置，高壓系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

高壓進(jìn)線柜主要元件包括斷路器手車航空插頭、真空斷路器、電流互感器、避雷器和帶電顯示器，斷路器手車和開關(guān)柜的電氣連接通過航空插頭實(shí)現(xiàn).

高壓計(jì)量柜為整個(gè)供電系統(tǒng)提供電壓信號供保護(hù)裝置或測量儀表用，其主要一次元件包括手車插頭、高壓熔斷器、電壓互感器、避雷器和帶電顯示器等；

PT 柜為整個(gè)供電系統(tǒng)提供電壓信號供保護(hù)裝置或測量儀表用，主要一次元件包括高壓熔斷器、電壓互感器、避雷器和帶電顯示器等.

隔離柜是在檢修整個(gè)供電系統(tǒng)時(shí)將隔離手車?yán)觯鸬礁綦x斷口的作用，其主要元件包括手車插頭、隔離手車、帶電顯示器和避雷器等；

母聯(lián)柜在整個(gè)供電系統(tǒng)中起著連接I段母線和II段母線的作用，可以實(shí)現(xiàn)電源的常用和備用，且可以滿足雙電源的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，主要元件包括斷路器手車航空插頭、真空斷路器、電流互感器和帶電顯示器等.

干式電力變壓器電氣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度較高，適用于防火、防爆、防潮的場合，本系統(tǒng)選用2臺35 kV干式變壓器，外加油浸式電力變壓器外殼模擬實(shí)際變配電站中的變壓器.由于實(shí)訓(xùn)室難以接入10 kV電壓，故變壓器采用1：1的變比，即高壓側(cè)和低壓側(cè)均為380 V電壓等級.

高壓柜可完成就地和遠(yuǎn)控的合閘分閘操作、儲能操作、高壓開關(guān)柜停電送電操作以及“五防”聯(lián)鎖操作實(shí)驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)真空斷路器的使用與維護(hù)實(shí)驗(yàn).

2.2 微機(jī)保護(hù)裝置

本套裝置內(nèi)含WGB-611A微機(jī)線路微機(jī)保護(hù)裝置2臺、WGB-631A微機(jī)廠用變保護(hù)裝置2臺和WGB-672A微機(jī)備用電源自投裝置1臺.

WGB-611A微機(jī)線路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對中低電壓線路的保護(hù)和測控功能，主要用于35 kV及以下各級電壓等級的線路和饋線.主要保護(hù)功能有三段電流保護(hù)、過流加速保護(hù)、三相重合閘、過載保護(hù)和低壓減負(fù)荷保護(hù).

WGB-631A微機(jī)廠用變保護(hù)裝置主要適用于3～10 kV電壓小電流接池系統(tǒng)或小電阻接地系統(tǒng)中的廠用變、所用變或接地變的保護(hù).主要保護(hù)功能有三段過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)、反時(shí)限過流保護(hù)和零序電流保護(hù)等.

WGB-672A微機(jī)備用電源自投裝置主要適用于35 kV及以下各電壓等級的進(jìn)線開關(guān)、分段開關(guān)的自投.主要保護(hù)功能有分段開關(guān)自投、備投自恢復(fù)、三段過電流保護(hù)和零序電流保護(hù)等.

以微機(jī)線路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)過負(fù)荷保護(hù)為例.過負(fù)荷是指電力設(shè)備的運(yùn)行電流大于本身的額定電流的運(yùn)行狀態(tài).WGB-611A微機(jī)線路保護(hù)裝置設(shè)置有過負(fù)荷保護(hù)，可由軟壓板進(jìn)行投退，可選擇跳閘或告警.過負(fù)荷路閘（GFHTZ）控制字整定為“0”時(shí)告警，整定為“1”時(shí)跳閘.過負(fù)荷保護(hù)原理如圖3所示.

模擬過負(fù)荷保護(hù)時(shí)，將系統(tǒng)高壓部分控制電源上電，按照送電操作流程和規(guī)范，將系統(tǒng)工作于1#高壓進(jìn)線柜帶I段母線運(yùn)行，2#高壓進(jìn)線柜帶II段母線運(yùn)行，高壓母聯(lián)柜熱備用的狀態(tài).隨后將系統(tǒng)低壓部分上電.將低壓系統(tǒng)工作于1#低壓進(jìn)線柜帶I段母線運(yùn)行，2#低壓進(jìn)線柜帶II段母線運(yùn)行，低壓聯(lián)絡(luò)柜熱備用的狀態(tài).通過對1#高壓進(jìn)線柜WGB-611A微機(jī)線路保護(hù)裝置的操作，將過負(fù)荷壓板投入，其它相關(guān)保護(hù)壓板退出.

通過對保護(hù)裝置的操作，設(shè)置以下定值：過負(fù)荷電流定值1 A，過負(fù)荷時(shí)限1 s；過負(fù)荷跳閘1 s.通過對低壓RLC可編程負(fù)載柜的操作，在RLC可編程負(fù)載柜中A、B、C三相均投入3 kW阻性負(fù)載，模擬遠(yuǎn)端過負(fù)荷.可以查看保護(hù)裝置故障動(dòng)作信息，并觀察到斷路器的動(dòng)作.

2.3 低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)GCK型交流低壓配電柜由2面低壓進(jìn)線柜、2面低壓電容補(bǔ)償柜、1面低壓抽屜開關(guān)柜、1面低壓饋線柜、1面低壓負(fù)載柜、1面低壓程控負(fù)載柜和1面低壓聯(lián)絡(luò)柜等9面柜體組成.GCK系列低壓開關(guān)柜是一種先進(jìn)的裝配式配電設(shè)備，適用于交流50 Hz、額定工作電壓380 V及以下的三相四線制或三相五線制系統(tǒng)中，可以作為電力中心（PC）、控制中心（MCC）等電力系統(tǒng)的配電設(shè)備進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換、分配和電機(jī)的集中控制，還可與程序控制器和微處理器相結(jié)合，構(gòu)成供配電自動(dòng)控制系統(tǒng)，低壓系統(tǒng)的接線結(jié)構(gòu)如圖4所示.

進(jìn)線計(jì)量柜在整個(gè)供配電系統(tǒng)中起著接收電能的作用，即電能由外部電源引入，通過進(jìn)線計(jì)量柜后接入系統(tǒng)母排.柜內(nèi)使用NA1-1000型萬能式斷路器和BH-0.66型低壓電流互感器.

電容器補(bǔ)償柜在整個(gè)供配電系統(tǒng)中起到功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)淖饔茫聪到y(tǒng)的電氣設(shè)備在使用時(shí)會產(chǎn)生無功功率，而且通常是電感的，它會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的使用效率降低，可以通過適當(dāng)增加系統(tǒng)中的電容來提高，柜內(nèi)采用BZMJ0.45-1-3并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償.

低壓抽屜開關(guān)柜在整個(gè)供配電系統(tǒng)中具有分配電能的作用，即系統(tǒng)母線電能通過各個(gè)抽屜單元分配到不同的地方.為避免因誤操作產(chǎn)生事故，設(shè)計(jì)了機(jī)電聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)的手柄處于閉合位置時(shí)，斷路器只能閉合，手柄不能被拉出來或推到抽屜里；當(dāng)開關(guān)處于開啟位置時(shí)，機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)的手柄也處于開啟位置，推動(dòng)抽屜的進(jìn)出，抽屜采用NM1-125型外殼斷路器和BH-0.66低壓電流互感器.

低壓聯(lián)絡(luò)柜在整個(gè)供電系統(tǒng)中起著連接I段母線和II段母線的作用，可以實(shí)現(xiàn)電源的常用和備用，且可以滿足雙電源的負(fù)荷轉(zhuǎn)移.柜內(nèi)使用NA1-1000型萬能式斷路器和BH-0.66型低壓電流互感器.

2.4 綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

綜合自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)“四遙”功能及調(diào)度自動(dòng)化.綜合自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)配備供配電虛擬實(shí)訓(xùn)平臺可完成高壓系統(tǒng)配電自動(dòng)化.監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能，可在主接線圖上完成遙測和遠(yuǎn)程信息的動(dòng)態(tài)顯示.有報(bào)警時(shí)，報(bào)警窗口會根據(jù)報(bào)警級別自動(dòng)彈出不同顏色，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電鈴發(fā)出聲音，進(jìn)行事故記錄，可根據(jù)日常運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)生成當(dāng)日運(yùn)行日志，能夠?qū)崟r(shí)采集、查詢和顯示繼電保護(hù)裝置上傳的信息，記錄故障信息，形成設(shè)備動(dòng)作報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對電站故障信息的綜合分析，綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖5所示.

3 供配電仿真系統(tǒng)

供配電仿真系統(tǒng)包括教練員臺、就地站、綜自軟件、保護(hù)盤、五防系統(tǒng)和三維虛擬場景單元，適用于電力系統(tǒng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示.學(xué)員通過“供配電仿真系統(tǒng)”平臺，猶如進(jìn)入了真實(shí)的現(xiàn)場，按照實(shí)際供配電的運(yùn)行模式，進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)，提高學(xué)員的綜合素質(zhì)和專業(yè)技能，學(xué)員可以熟悉完整的供配電系統(tǒng)，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)適應(yīng)專業(yè)崗位要求.

仿真系統(tǒng)模擬了一個(gè)典型的35 kV變電站，為小區(qū)及工廠供電，建立了一套供配電仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)包含供配電監(jiān)控、保護(hù)盤、交直流、開關(guān)室、五防系統(tǒng)和三維場景等，能對電網(wǎng)運(yùn)行、變電站運(yùn)行監(jiān)控、繼電保護(hù)、系統(tǒng)事故分析和處理、電氣一二次設(shè)備操作等進(jìn)行全方位模擬，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)學(xué)員進(jìn)行“研、教、學(xué)、做、考”相融合等多種培訓(xùn).使學(xué)員真實(shí)了解和掌握電力系統(tǒng)中各項(xiàng)電力設(shè)備的性能參數(shù)、運(yùn)行工況，熟悉各類電力設(shè)備工作時(shí)的狀態(tài)信號、自動(dòng)化報(bào)警系統(tǒng)及繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的功能.

4 結(jié)語

供配電虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)平臺的研究設(shè)計(jì)以科教融匯為方向，以虛實(shí)結(jié)合為手段，構(gòu)建真實(shí)的高低壓實(shí)驗(yàn)環(huán)境，情景、過程和結(jié)果有真實(shí)感，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)體驗(yàn).實(shí)訓(xùn)平臺提高了學(xué)員對電力設(shè)備的認(rèn)知，使學(xué)員在供配電站停送電操作、倒合閘操作、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和電氣事故的應(yīng)急處理等方面得到了充分鍛煉.實(shí)訓(xùn)平臺極大提高了電力行業(yè)培訓(xùn)的效率和效果，縮短了培訓(xùn)和實(shí)際工作之間的過渡時(shí)間，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值.

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