城市轨道交通牵引供电实训系统资料.docx
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城市轨道交通牵引供电实训系统资料
1系统概述4
2系统设计8
2.1系统设计效果图8
2.2系统功能模块组成9
2.2.1变电所硬件设备实物9
2.2.2网络化交互式实训系统9
2.2.3教员监控与管理系统9
2.2.4供电调度实训系统的通信接口和接口协议10
2.3系统设计思路10
2.3.1实物设备与虚拟变电所相结合10
2.3.2采用情景化专家引导实训模式11
2.3.3数字化三维场景与主电气图仿真11
2.3.4构建全真虚拟变电所12
2.3.5接口16
2.4一次系统整体设计16
2.5二次系统工作条件模拟方案18
2.6实物设备与仿真设备之间的联动19
2.6.1电信号模拟数字化微处理工控机19
2.6.2终端控制逻辑服务器19
2.6.3仿真主变中主变差动、综合测控、主变本体、主变后备19
2.6.4实物开关柜中智能模块20
2.6.5控制台服务器系统20
2.6.6自动化电力调度系统20
2.6.7电气故障模拟及诊断系统21
3教学培训实现25
3.1变电所综合自动化25
3.1.1系统总述25
3.1.2系统结构27
3.1.3系统功能27
3.1.4系统控制、监视、测量范围30
3.1.5电力调度中心主站系统31
3.1.6SCADA系统复示终端33
3.2网络化交互式演练系统设计方案39
3.2.1网络化交互式演练系统39
3.2.2系统概况41
3.2.3系统实训功能41
3.3教员监控与管理系统44
系统概述
各类实物设备按地铁变电所实际情况布置，组成一个具备实际场景和操作功能的实训变电站，从而使学生尽可能快地建立起城市轨道交通供电系统的整体概念。
采用这套完整的实训变电站系统，可以进行技能培训的内容包括：
●城市轨道交通供电系统交接班、设备巡视、倒闸操作技能、高压设备停电检修作业安全技术措施设置的技能、一次事故处理的技能、电力调度技能的教学和训练。
●真空断路器结构、原理、操作机构的认知，真空断路器的测试、检修维护的教学和训练。
●金属铠装封闭式开关柜结构认知，实际操作训练，五防机构的检修调整，二次回路故障处理的教学和训练。
●直流断路器结构、原理、操作机构的认知，真空断路器的测试、检修维护的教学和训练。
●成套直流开关柜结构认知，实际操作训练，二次回路故障处理的教学和训练。
●直流断路器结构、原理、操作机构的认知，真空断路器的测试、检修维护的教学和训练。
●400V低压成套开关柜结构认知，实际操作训练，二次回路故障处理的教学和训练。
●干式变压器结构、原理的认知，干式变压器的运行、检查、维护、检修、试验技能的教学和训练。
●整流柜结构、原理的认知，整流柜的运行、检查、维护、检修、试验技能的的教学和训练。
●交直流操作电源设备原理的认知、运行、检查、维护、检修、试验技能的教学和训练。
●电力系统自动化设备的的结构、原理的认知、运行、检查、维护、检修、试验技能的教学和训练。
●变电站继电保护校验和整组传动试验的教学和训练。
●安全用具的使用训练。
电工仪器、仪表、工具的使用的教学和训练。
同时还可以进行电力调度中心主站系统的培训。
其主要培训内容包括：
1、控制与操作功能
1）遥控功能。
在电力调度中心能够对实训变电站的所有可操设备进行遥控合、分操作，操作要有权限，所有操作要保存在系统日志。
遥控操作包括单步操作、程序控制操作两种类型。
程序控制操作要包含地铁现在应用的各种程序控制操作序列和自定义序列。
2）断路器故障跳闸后的远方复归功能，能够对闭锁的保护装置进行远方复归，进行恢复送电操作。
3）保护定值组管理功能。
包括选择站名、设备种类、设备名称，对其进行保护定值召唤、显示、保存、切换、打印等。
4）保护投退功能。
远方根据系统运行需要投入、退出某种保护功能。
操作要保存在系统日志。
5）控制闭锁功能。
现场设备出现故障或不能合闸送电（如接地刀闸闭合）时，对这个设备的控制命令会被闭锁。
闭锁条件可以自定义，投、退。
6）遥控屏蔽功能。
包括全站屏蔽、全线屏蔽、某一电压等级的屏蔽，单一开关的屏蔽。
解除屏蔽要有权限，主接线图上要有标注。
7）人工直数。
有权限的人员可以对系统采集到的数据进行人工置数，并作出标记，区别于正常数据。
8）远方维护功能。
可以远方对基础设备采集量进行修改、人机界面更改、硬件参数配置。
利用维护工具软件可以进行系统软件模块的启停，修改维护数据库，图形编辑、修改软件配置，处理故障等。
2、数据采集与处理功能
1）遥信功能。
包括开关、小车的位置信号；保护装置的启动、出口、重合等；自定义系统计算机节点工作状态等。
2）遥测功能。
包括变电站内各种电气设备的运行电气参数；数据格式转换功能；计算功能；多种统计功能；超量程报警检查功能等。
3）数据处理打印功能。
包括开关操作信息、故障信息、电流电压曲线、超限、峰谷值等。
4）SOE（时间顺序）事件记录功能。
可以按时间、事件源查询记录SOE事件。
5）故障录波数据读取功能。
6）统计报表功能。
3、显示功能
1）人机界面显示。
2）接地状态显示。
3）趋势显示。
4）变电站综合自动化系统状态显示。
4、报警功能
1）事件报警功能。
2）报警事件打印功能。
3）报警列表查询和筛选功能。
5、系统权限管理功能
1）使用权限管理。
2）功能权限管理。
3）控制权限管理。
6、历史数据备份与恢复功能
能够自动或手动将历史数据库中数据备份称文件，删除历史数据库已经备份的文件。
系统设计
系统设计效果图
图21系统设计效果图示例
系统功能模块组成
实训室内包括变电所实物设备（1500V进线柜、整流柜、负极柜、馈线柜、400V开关柜、10KV开关柜等）、网络化教室、教师管理系统，学员可以在实物上操作，也可以在网络机房内进行演练。
变电所硬件设备实物
为了增加学员对实物的认知和学员在实物设备中处理问题的能力，系统配备硬件实物设备，包括AC10KV开关柜、整流变压器、整流柜、配电变压器、交流400V低压开关柜、1500V进线柜、馈线柜、负极柜、上网柜、纵联柜、轨道电位限制装置、自动化屏等相关配置附件。
这些设备可以被操作，可以实时反映电力仿真的结果。
经过模数接口处理，可与虚拟变电所无缝连接在一起，在实物设备上的操作可按照固有逻辑反馈到虚拟环境中，引起虚拟变电所仿真模型的动作及变化（如控制盘、屏幕、指示灯），动作方式、现象及结果与实际一致。
网络化交互式实训系统
本方案的牵引变电所内配置了交互式学员演练系统，并配备一套学员实训教学机，可以满足实训演练的同时具备观摩功能。
观摩功能可进行基础知识的讲授、学员自主学习辅导；难点、重点及操作演示。
教员监控与管理系统
教员监控管理系统主要负责组织训练与成绩考核，并对训练和考核过程进行监控。
教师以任务形式编制教学、训练及考核任务。
学员所有操作会被详细的记录下来，可以实现情景化的教学、演练、考核。
教师可以向不同的学员发送不同的任务，也可进行统一任务训练。
教员控制计算机通过网络系统与各功能模块相连。
教员能够通过教员控制台完成对系统的维护、数据管理、用户管理、故障实时设置或预设、故障管理、成绩评判、成绩管理、编制考核任务、通知学员考试、实时监控等功能。
供电调度实训系统的通信接口和接口协议
为了增加在牵引变电所中学员对供电调度系统的认知和学员在实物调度作业中处理问题的能力，同时为满足系统关联厂家设备之间的兼容性，以及整套实训演练系统的完善性，提高学员综合实操技能的能力。
针对供电调度实训系统提供资源如下：
（1）调度员工作站：
其主要提供通信数据包含运行监视及操作界面信息、各种故障实时动态报警信息、各种报表记录信息、曲线的检索及显示信息、打印实时数据及报表信息等调度管理任务数据资料。
（2）通信接口协议：
本系统通信接口协议适合多种网络形式，如以太网、FDK-BUS现场总线、485通讯网等，同时通讯媒介可选光纤、同轴电缆、屏蔽双绞线，装置采用层叠工业小卡结构实现不同通讯组网的要求，使得系统灵活性、稳定性大大提高。
系统设计思路
实物设备与虚拟变电所相结合
为了增加学员对实物的认知和学员在实物设备中处理问题的能力，系统配备实物设备，这些设备可以被操作，可以实时反映电力仿真的结果。
经过模数接口处理，可与虚拟变电所无缝连接在一起，在实物设备上的操作可按照固有逻辑反馈到虚拟环境中，引起虚拟变电所仿真模型的动作及变化（如控制盘、屏幕、指示灯），动作方式、现象及结果与实际一致。
采用情景化专家引导实训模式
采用“专家引导、学员跟随”的方式，专家系统以引导栏的方式给出每一步的操作提示，包含操作方法、设备位置、应产生的现象和结果等，学员根据提示进行演练。
引导信息符合有关规章，处理步骤、操作方法与实际作业程序、作业标准、作业规范一致。
系统包含教学、演练、考核三大模块，在全三维环境下，可以模拟正常的供电系统交接班、设备巡视、倒闸操作技能、高压设备停电检修作业所有步骤，并可对标准化操作步骤逐步评判对错，并给出成绩。
符合情景化的教学、演练、自测及考核等多样的培训模式，即可进行设备基础认知，又可开展实训协作演练。
数字化三维场景与主电气图仿真
充分利用提供的各种资源，通过3D渲染引擎模块、物理仿真引擎模块、通讯智能模拟模块、电路原理逻辑模块、电路原理逻辑控制动态显示模块、专家指导系统模块之间相互的协调配合运用。
使学生能够自主地进行交互式、游戏化的学习和练习，降低教师的工作强度，提高学生的学习兴趣，加深学生对轨道交通供电系统的理解，掌握倒闸操作作业、检修作业和一次系统事故处理的技能。
具体操作界面类似下图：
构建全真虚拟变电所
虚拟变电所演练系统将变电所设备进行软件三维虚拟仿真。
采用先进的计算机技术、三维建模技术、虚拟仿真技术、多媒体技术、电路数字化技术等手段，对变电站设备进行全三维仿真。
学员控制鼠标和键盘可以实现在场景中漫游、巡视、对设备进行各种操作、各种倒闸作业、非正常状况设置和处理、音响闪光报警处理等功能。
图22虚拟变电所-整流器及负极柜
1）构建虚拟化的变电所，学员在三维可视化环境下，控制鼠标和键盘实现在变电所场景内虚拟漫游、巡视、倒闸、进行设备认知，学员可以熟悉变电所的整体组成、设备构成，设备外观、形状、所在位置等。
能够实现倒闸作业、分合闸、试验等功能。
2）虚拟变电所可以对各种保护跳闸现象进行模拟，可以满足学员对保护跳闸现象分辨及认识的需要。
3）虚拟变电所室内、室外设备布局、组成、功能、相对位置关系与实际一致。
4）变电所内的变压器、开关、其他操作设备、各种屏柜、显示屏、发光及报警装置的外观、比例、动作及显示方式、逻辑关系、面板按钮布局、菜单结构、显示方式等与实际一致并能够随着演练实时发生相对应的改变。
5）虚拟变电所主要电气、电子、机械系统的结构、关联关系及动作时序均根据实际变电所进行一对一的仿真。
6）虚拟变电所能够正确反应系统固有的控制逻辑关系，所有的操作信息能够根据实际情况实时更新并输出相关的仿真计算结果。
图23虚拟变电所-控制室示例
图24虚拟变电所-控制室设备示例
图25虚拟变电所-控制室示例
接口
本系统接口通讯部分适合多种网络形式，如以太网、FDK-BUS现场总线、485通讯网等，同时通讯媒介可选光纤、同轴电缆、屏蔽双绞线，装置采用层叠工业小卡结构实现不同通讯组网的要求，使得系统灵活性大大提高。
为满足地铁较复杂的保护控制模式，系统各装置模块采用高速32位工业处理器和大容量存储资源，多层板表面贴装设计，使系统功能扩展非常方便，同时全方位的可靠性和贯彻始终的EMC设计理念，使得装置的电磁兼容性各项性能均达到IEC标准规定的最严酷等级的要求。
系统应用WINDOWS2000/WINDOWSNT作为监控平台，PSOS实时多任务操作系统进行通讯调度，TCP/IP或FDK-BUS协议进行通讯，保护测控软件采用模块化面向对象技术编程，数据库结构严密且灵活，使得整个系统移植方便，安全可靠，维护方便。
系统充分引入最新的通讯前沿技术，使得在确保系统稳定可靠性的前提下，使得系统的信息资源可以进行外部网络浏览和进行数据分析，便于远程系统诊断和随时监视，即通过带防火墙及权限的WEB浏览方式进行系统运行信息了解和判断分析。
装置每个模块保护CPU和测量控制CPU及通讯CPU分别承担各自任务，使得系统的实时性和可靠性得到保证。
一次系统整体设计
城轨供电实训变电站的一次系统主接线，以典型的引变电站一次系统主接线为原型，其主接线图如下所示。
整个实训变电站包括的设备有：
Ø10kV电源系统的12kV开关柜。
Ø1500V开关柜、负极柜、端子柜、馈出柜、排流柜、轨道电位限制器、上网柜、纵联柜。
Ø牵引变压器、配电变压器、整流柜。
Ø低压400V成套开关柜、抽屉式开关。
Ø控制室的交直流电源屏、自动化屏。
Ø各类辅助设备。
二次系统工作条件模拟方案
为了在不具备二次系统的保护、线路检测、三轨有压监视、电压表指示等工作电压条件的实训室，保证各开关柜的正常工作，同时在保障人身安全的前提下，增加非正常情况的教学任务，我公司开发了电气设备故障模拟及诊断系统，电气设备故障模拟及诊断系统具备两点功能：
1）为二次系统提供整定值范围内的模拟信号；
主回路用低电压模拟10kV电压，不能满足二次系统信号采集模块对电压的要求，为了保证二次系统检测设备的正常工作，由电气设备故障模拟及诊断系统生成满足各类整定值范围内的模拟信号，加到二次系统检测设备输入端，以保证开关操作、信号显示、电压显示、电流显示、联锁关系、保护装置的正常工作。
2）产生超出整定值范围的模拟信号，模拟故障。
各类控制开关柜的一个重要作用是保护，当电网出现大的波动、负载过流时，能自动切断电路，保护用电设备及人身安全。
像过流保护、欠压保护、缺相保护等非正常的情况，在现场工作中是经常出现的。
但限于实训室环境之困，几乎所有非正常情况都无法表现。
为解决这个问题，满足现场教学的需要，我公司专门设计了“电气设备故障模拟及诊断系统”。
实物设备与仿真设备之间的联动
在开关柜通讯上，采用工业级RS485\RS232\PC104产品、配置32位CPU终端控制逻辑运算服务器。
该逻辑运算服务器具有强大的数据处理及存储能力、快速的实时响应性，实现开关柜实物与仿真不间断的通讯能力，以及与上位工控机、教师机、数字化三维场景仿真服务器之间数据的交换；同时该服务器采用下位通讯具有掉电数据保护的存储器，操作系统采用实时多任务操作系统。
电信号模拟数字化微处理工控机
控制模式为无主从分布式控制，大大增强了电信号模拟系统可靠性，通讯方式同时采用工业级RS485\RS232\PC104产品，16路干接点告警输出，16路干接点信号输入。
具有强大的检测与监控功能，自动监控主母线回路工作状态，可及时发现处于运行状态下的开关柜母线系统出现的各种异常并作出报警信号的发送。
终端控制逻辑服务器
通讯模式采用工业级RS485\RS232\PC104产品，终端控制逻辑服务器配置32位CPU，具有强大的数据处理及存储能力、快速的实时响应性，来实现开关柜实物与仿真之间不间断的通讯能力；同时该服务器采用下位通讯具有掉电数据保护的存储器，操作系统采用实时多任务操作系统。
仿真主变中主变差动、综合测控、主变本体、主变后备
相关配套智能保护装置只作本体外观仿真，具备参数显示、界面操作、智能模块通讯功能。
相关逻辑控制、数据处理完全有上级控制运算工控机完成。
对于每个智能模块在终端控制逻辑服务器都有属于各自的IP通讯虚拟地址，以及相关配置的储存单元，方便以后进行相关执行动作步骤的查询与分析。
实物开关柜中智能模块
各智能模块单元完全独立的处理有我公司自行研发的先进数字化电信号微处理服务器发送的特制电信号，根据采集的特制模拟电信号进行独自的相关逻辑判断后执行相应的动作。
因此在智能模块与上位机通讯系统中需要与我公司数字化微处理服务器系统并行通讯，满足实现在动作执行上信息同步一致，设置故障时可以提供给智能模块装置输出正确的电信号。
控制台服务器系统
整个系统的网络中心和数据中心，服务器为用户提供用户注册、登陆验证、任务请求、成绩上传、接受教师机控制等服务，保存用户的各种状态和训练及考试成绩数据。
自动化电力调度系统
可实现功能：
Ø遥控功能，选点式操作、选站式操作、选线式操作
Ø遥测功能，对变电所的各种量值进行遥测
Ø遥信功能，变电所的各种实时信息、开关位置、保护信号、预告信号等传到控制中心
Ø显示功能，显示供电系统图、变电所主接线图、SCADA系统图、各种程控表、操作记录清单
Ø事故追忆及系统自检功能
Ø数据处理功能
Ø打印功能，时序打印、召唤打印
Ø汉字功能，所有文字描述采用汉字显示
Ø口令功能，提供不同级别的口令，口令密码可修改，保证操作安全
电气故障模拟及诊断系统
电气设备故障模拟及诊断系统包括教员监控与管理系统、故障设置服务器、故障设置工控机、执行控制电路板等设备。
教员可在电气设备上进行故障模拟设置,能够引起电气系统的动作,并产生对应的反应。
学员按照实际的流程进行排查，学员通过检测仪表检查出相应的故障代码并做相应的故障处理方案，处理完成，故障消除，恢复正常状态。
教员亦可对硬件进行恢复处理。
1）教员监控与管理系统用于设置各种故障任务，并监控学员的操作情况。
2）故障设置服务器根据教员机发布的故障任务，生成各种故障内容，并向动车组列车设备发出控制信息，使产生相应的故障现象（如跳主断等）。
同时向故障设置工控机发送控制命令，设置各种硬件配电柜故障，并根据故障设置工控机反馈的信息，判断故障处理情况。
3）故障设置工控机根据故障设置服务器发布的故障信息，生成各类故障控制信号，控制执行控制电路板生成各类故障条件。
同时采集学员在硬件设备上的操作动作，反馈给故障设置服务器。
4）执行控制电路板接受故障设置工控机的命令，以模拟各种电气故障条件。
电气设备故障模拟及诊断系统主要包括以下功能模块：
序号
项目
描述及主要技术参数
1.
学员账号管理模块
完成学员信息的录入、删除、修改、查询等
2.
学员成绩管理模块
完成学员训练考核成绩的查询、报表生成、打印等功能
3.
训练任务管理模块
完成具体训练及考核任务内容的编制
4.
交互式操作模块
以比较直观的对故障进行表现和尽量符合现场人员使用习惯，该系统采用与MON类似的人机界面显示故障信息。
系统的操作界面应方便简单，操作界面中包含的开关柜相关信息。
5.
故障逻辑管理模块
按功能电路或故障分类，设定故障内容。
故障推导、仿真引擎将基于软PLC技术设计、实现，实现LD（梯形图）逻辑运算。
逻辑图中的每个输入接点即可以是具体的电器、机械设备也可以是某种现象，每个Rung（阶梯）的输出线圈都对应着一种故障，因此根据一定的逻辑规则编写出的LD逻辑可以很清楚的显示出某个故障的产生的电器、机械等诱发原因。
同时每个Rung的输出还可以是若干故障诱因的中间输出线圈，多个中间输出线圈对应的输入接点就可以提供比较复杂的故障诱因逻辑，同时也可以实现不同故障中相同诱因的重用，从而实现复杂的故障设置、仿真逻辑。
6.
故障数据管理模块
故障数据库，穷举所有可能出现的故障，按功能电路分类列出，方便教员设置故障时使用。
下面以接触网过流保护，开关柜跳主断的非正常情况为例，介绍电气设备故障模拟及诊断系统设置故障的方法。
在设置非正常故障时，只需在老师机上选择相应故障，无需其他操作，系统既自动生成相应故障。
以过流保护为例，具体流程如下：
图26故障生成-过流保护为例
教学培训实现
变电所综合自动化
系统总述
电力监控与数字采集（SCADA）系统的作用是保证调度人员在控制中心对供电系统中的主变电所、牵引供电系统及供配电系统的供电设备运行状态进行监视、控制及数据采集，直观了解所有运行设备的工作状况，使供电系统安全、可靠地经济运行。
SCADA系统主要作用有以下3个方面：
1）对供电系统安全运行状态进行在线监控地铁供电系统正常运行时，通过调度管理人员对电网的电压、潮流、负荷、设备运行状态及工况指标的监视和控制，保证供电质量和用户的用电要求。
2）对供电系统运行实现经济调度在实现对供电系统安全监控的基础上，通过SCADA系统实现电网的经济调度，达到降低损耗、节约电能的目的。
3）对供电系统运行实现安全分析和事故处理在系统发生事故之前、之后或事故时的信息进行及时采集、及时分析和处理，缩小事故范围。
提供事故处理对策和相应的监控手段，以使事故性地未然，及时处理事故或故障，以减少事故的损失。
本方案中的应用软件是开放性的，用户在遵循操作规则的前提下，可根据运营的要求，修改、增扩系统监控对象和应用画面。
用户画面窗口具有平滑缩放功能，缩放时画面上的各设备动态符号相对位置保持不变，且是全图。
用户画面定义时具有拷贝功能，且有询问是“相同”还是“不同”对象拷贝的功能。
应用软件具有带数据库定义的图形编辑工具。
各种图形符号在定义时具有平滑缩放功能。
各种图形符号在定义后，自动检测电气连接的正确性，并给出提示信息。
各种记录（操作、警报）可根据用户要求，按站名、对象、性质、时间等项目进行检索。
程控的定义和执行应包含逻辑判断功能，只有当定义的条件满足时，才能执行后续操作。
系统所有对象定义后，系统能自动检测应定义而未定义的对象所在。
应用软件具有在线修改、增扩功能，且自动刷新控制中心所有计算机。
变电所综合自动化软件站控主单元，采用通用性强的实时多任务操作系统。
支持软件满足IEC1131-3的规定。
配置综合测试和诊断软件包，可诊断所内各种设备故障，故障标志到模块级。
维护软件应具有良好的开放性，支持用户二次开发。
软件系统运行可靠。
系统结构
考虑到地铁变电所中压成套设备（含继电保护装置）、直流成套设备、低压成套设备、配套设备（温控箱、控制器）及排流柜、自用电源屏等，不是由一家设备厂商提供，不可能采用同一种网络。
为此，此变电所SCADA网络结构采用混合型，即成套电气设备采用总线型结构，配套电气设备等采用星型结构，混合型网络结构图，如下图所示。
图31网络结构
系统功能
变电所综合自动化系统用于变电所各种设备的控制、监视、联动、联锁、闭锁功能，自动投切，电流、电压、功率、电度采集功能。
重要设备之间不仅利用二次回路实现硬线的联动、联锁、闭锁，还利用综合自动化软件完成上述功能，实现逻辑判断、计算、继电器等功能。
系统功能如下所示：
（1）控制信号盘主要功能
1）通信功能
实现与电力监控系统的远程通信。
向电力监控系统控制中心主机或当地维护计算机传送变电所操作、事故、预告等信息；接收电力监控系统控制中心主机或当地维护计算机下发的控制命令。
通过变电所实训室内通信网络，完成与各间隔单元的接口功能，并进行规约处理，实施对间隔单元的数据采集与控制输出。
与变电所便携式维护计算机及人机界面的通信功能。
2）集中监控功能
配置人机界面:
以汉字菜单及对话框方式，实现人机对话及变电所实训室内集中监控管理。
图32集中监控人机界面
控制功能:
接收电力监控系统控制中心主机或当地维护计算机的控制命令，对变电所实训室内被控对象进行集中控制，远方遥控和变电所实训室内集中控制操作之间设操作切换闭锁，同一被控设备只允许由一个远方控制端对其实施遥控。
操作分选择－执行两步进行。
同时，设有I/O模块单元。
3）信息显示功
升级会员 