实验简介

实验操作步骤

（1）实验方法描述

高速铁路牵引供电系统设计与运行虚拟仿真实验按照设备认知、原理学习、数据交互、问题解决四个层次，进行层次化、难度适宜的实验教学：

1）设备认知环节：通过虚拟仿真系统对内置的现场各个设备的实物图、基本原理分析、铭牌参数进行认知学习，设计两个层次化的实验模块，实现高速铁路牵引供电系统的关键核心设备认知。依据由整体到局部的认知过程，首先整体认知“什么是牵引供电系统以及整个供电系统各部分的组成”，然后是由局部模块到细节的设备认知。电力系统部分，认知学习高压传输线、公用电网；牵引变电所部分，认知主变压器、高压断路器、隔离开关、保护和监控测试柜、电流互感器、电压互感器、避雷器等；牵引网部分，认知馈线、接触网、钢轨、腕臂及受电弓等。

2）原理学习和设计环节：根据两个层次递进的实验模块设计，使得学生对高速铁路牵引供电系统的设计和运行，可以由浅入深、分块、分步骤地进行关键技术工作原理的学习与理解。学生在高速铁路牵引供电系统设计实验模块中，针对系统的整体设计，对外部供电电源、牵引变电所、牵引网进行设计，模拟在线实际工程场景，搭建牵引供电系统。

3）数据交互验证环节：根据高速铁路线路的运营规划，所设计的牵引供电系统需要验证其合理性。在搭建牵引供电系统时的牵引变电所选址、接线方式以及设备选型的数据都将输入到牵引供电计算模块中，同时由此计算模块获得的列车用电数据进行高速铁路牵引供电系统运行实验，此牵引运行实验的目的是验证系统设计的合理性。通过牵引运行仿真时计算的电压、电流及功率判断设计的系统是否能合理的给车辆运行供电，如果不合理则返回修改设计参数，如果合理则进行继电保护和短路试验场景虚拟仿真。

4）问题解决环节：问题解决能力作为工科人才培养的重要内容，以问题为核心，发现问题、分析问题、解决问题，让学生以问题为驱动，逆向思维，在工程实践中加深理论知识的理解和掌握。高速铁路牵引供电系统模拟运行实验模块，学生可根据不同工况对设计的牵引供电系统验证其可靠性、安全性。实验内置各种限制参数，一旦出现由于参数设计不合理导致的故障报警，则记录故障结果，制定修改参数的方法，逆向思考，由结果看本质，对系统设计进行修改，达到满足实际运行要求。

（2）学生交互性操作步骤说明

本实验项目分为四个功能模块（如图2.8.1），模块与模块间具有知识相关性和递进性，模块之间知识由浅入深，相互关联，前面的设计由后面的运行进行验证。

图2.8.1 高速铁路牵引供电系统设计与运行虚拟仿真实验主界面

根据知识掌握的递进性，确定实验操作先后顺序，本项目包含以下14个实验步骤：

1）设备认知

步骤1：系统结构及基本原理认知

学生通过动画显示和语音解说了解牵引供电系统的主要组成和基本工作原理，如图2.8.2。

图2.8.2 高速铁路牵引供电系统示意图

步骤2：电气设备认知

学生根据层次化实验要求，通过虚拟仿真3D表现形式与物理实质相结合的实验形式，首先通过鼠标的三键操作，以漫游模式，从不同角度对场景中牵引变电所的主要设备，模块进行认知，掌握实物、电气符号以及CAD图纸三者的对应关系，如图2.8.3~图2.8.6。

图2.8.3 牵引变电所整体场景

图2.8.4 牵引变电所主接线图

图2.8.5 电气设备实际场景

2.8.6 电气设备三维模型及介绍

2）供电设计：包括牵引所选址，外部电源选择以及牵引变压器选型

步骤3：牵引所选址

牵引所位置的确定受到供电臂长度，铁路沿线的地形和外电源基本情况影响。铁路沿线剖面图如图2.8.7所示。点击右下方“创建牵引变电所”按钮，在图中将出现橙色牵引变电所图标，由鼠标拖动可将牵引变电所放置到铁路沿线的任何位置（如图2.8.8）。

图2.8.7 线路剖面图

图2.8.8 牵引所选址

步骤4：外部电源的选择

根据高速铁路对电网短路容量的要求，为牵引所选取合适的外部电源（如图2.8.9）。点击牵引变电所图标，将弹出当前选择的牵引变电所设计菜单（如图2.8.10），选择主用电源和备用电源，此时在图中有黑线将外部电源和牵引变电所连接（如图2.8.11）。

图2.8.9 牵引所设计选项

图2.8.10 电源参数信息框

图2.8.11 外部电源设计完成界面

步骤5：牵引变压器选型

学生必须了解目前高速铁路牵引供电系统牵引变压器的接线方式，根据给定的运力要求选择额定容量，以及供电系统中的短路阻抗要求。因此该步骤中包括三步，分别是对变压器的接线型式、容量以及短路阻抗参数进行设置，在这三个设置中，分别采用下拉式菜单（如图2.8.12），在各菜单中分别罗列了目前在工程实际中常用的变压器接线型式、容量以及短路阻抗。

(a) 接线方式设置	(b) 额定容量设置	(c) 短路阻抗设置
图2.8.12牵引变压器选型

当以上设置完成后，在变电所信息框中也将出现相关信息（如图2.8.13）。

图2.8.13 牵引变压器设计完成界面

步骤6：分区所生成

点击右下方“生成AT所分区所”按键，在每个牵引变电所两边将分别生成一个AT所，在两个AT所之间生成一个分区所，如图2.8.14所示。

图2.8.14 牵引所设计

3）仿真运行：这个模块的练习主要实现两个目的：一是训练学生掌握停电、送电操作票的操作顺序，这是供电运维人员需要掌握的一项基本技能，要求学生了解安全停送电知识；二是通过运行仿真来对变压器容量、母线电压、列车最低电压等指标进行检验，不满足要求将返回供电设计进行设计修改，这也是对前面牵引变电所设计的验证。

步骤7：填写送电操作顺序

参照左边的主接线图，根据安全送电的顺序，依次在右边的送电操作顺序图中绿色圈中填入阿拉伯数字表示正确送电顺序（如图2.8.15），然后点击图中“检查”按钮，系统将自动按正确操作票检查所填操作顺序是否正确，如果出现红色字体则表示填写的送电顺序错误，必须保证送电顺序全部正确方可进行下一步操作。

图2.8.15 送电操作排序

步骤8：送电操作

依次在模拟的操作屏上，按照上一步生成的操作票操作顺序，点击相应的隔离开关或断路器，对其进行位置确定与合闸操作（如图2.8.16），开关遥控操作设置如图2.8.17。

图2.8.16 送电操控屏

图2.8.17 开关遥控操作

步骤9：填写停电操作顺序

参照左边的主接线图，根据安全停电的顺序，依次在右边的停电操作顺序图中绿色圈中填入阿拉伯数字表示正确送电顺序（如图2.8.18），然后点击图中“检查”按钮，系统将自动按正确操作票检查所填操作顺序是否正确，如果出现红色字体将表示填写的停电顺序错误，必须保证停电顺序全部正确方可进行下一步操作。

图2.8.18 停电操作排序

步骤10：停电操作

依次在模拟的操作屏上，按照上一步生成的操作票操作顺序，点击相应的隔离开关或断路器，对其进行位置确定和停电操作（如图2.8.19），开关遥控操作设置如图2.8.20。

图2.8.19 停电操控屏

图2.8.20 开关遥控操作

步骤11：仿真运行

仿真运行模块中的列车时速及发车间隔决定了牵引变电所的输出功率，进而影响到母线电压和列车受电电压。在这步骤中进行列车时速的设置（如图2.8.21（a））和发车间隔设置（如图2.8.21（b））。

(a) 列车时速设置	(b) 发车间隔设置
图2.8.21 仿真条件设置

当仿真运行条件设置完毕，系统将结合上一模块的供电设计数据进行列车牵引计算和供电计算，计算结果显示在三个信息框中，其中列车参数框中的信息对应的是图中插上旗帜列车的运行数据，在供电设计中牵引所的主要信息分别显示在各自的信息框中，相关显示如图2.8.22所示。

图2.8.22列车和牵引所运行数据

4）短路试验

短路试验在实际现场中遇到的机会很少，通过模拟仿真，可以让学生了解现场进行高压短路试验的操作流程，特别是验电挂接地线的操作，同时掌握牵引馈线保护整定方法和短路电流的计算方法。通过界面中左边一列按钮进行高压短路试验操作，此操作主要分为三个步骤：断电和短路接线、保护整定值设置以及短路触发。

步骤12：断电和现场短路接线

需要学生了解影响短路电流大小的因素、安全断电的操作，并由此过程了解验电挂接地线的实际操作过程。本步骤中首先确定短路位置，有四个位置可选（如图2.8.23），点击“选择试验位置”按钮可见短路位置在接线图中的位置（如图2.8.24），然后进行断电操作：根据倒闸操作票（如图 2.8.25），在牵引所监控屏上找到相应隔离刀闸及断路器，对其进行分闸操作（如图2.8.26和图2.8.27），分闸后的监控屏显示如图2.8.28。分闸后还必须在高压开关柜上悬挂警示牌（如图2.8.29）。点击“验电挂地线”按钮，系统将模拟显示验电、接地及挂地线三个操作。短路点接线如图2.8.30所示。