电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真实验设计_滕召胜.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022虚拟仿真技术DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 019电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真实验设计滕召胜1，陈庆文2，温和1，马伏军1，邵霞1，张雷鹏1(湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082;2 北京象新力科技有限公司，北京 100037)摘要:电气化铁路是电网典型谐波源，是电气信息类专业教学的典型案例，其检测与控制实验涉及电压等级高、安全风险大、动态谐波真实复现困难，传统实验教学模式下难以实现线下操作。据此，基于团队最新科研成果，利用智能信息处理、3D 仿真建模、网络通信控制等现代技术，构建谐波知识学习、检测、控制 3 大实验模块共 14 个实验步骤，开发高仿真三维场景的电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真平台。学生通过虚拟三维场景，可获得对各种设备、牵引变电所和电力机车运行场景的全方位工程认知，自主选择参数、设备、器件设计实验方案，身临其境地开展谐波检测与谐波控制实验，“现场”观测实验效果。关键词:电气化铁路;谐波;检测;控制;虚拟仿真实验中图分类号:U 264文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0095 06Design of Virtual Simulation Experiment for Harmonic Detection andControl of Electrified ailwayTENG Zhaosheng1，CHEN Qingwen2，WEN He1，MA Fujun1，SHAO Xia1，ZHANG Leipeng1(1 College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;2 Beijing Xiangxinli Technology Co，Ltd，Beijing 100037，China)Abstract:Electrified railway is a typical harmonic source of power grid，and it is a typical case of electrical informationspecialty teaching Its detection and control experiment involves high voltage level，high safety risk，and it is difficult toreproduce dynamic harmonics The traditional experimental teaching mode cannot be realized Accordingly，based onthe latest scientific research achievements of the team，using modern technologies such as intelligent informationprocessing，3D simulation modeling and network communication control，the harmonic knowledge learning，harmonicdetection and harmonic control experimental modules with 14 experimental steps are constructed，and the virtualsimulation experimental platform for harmonic detection and control of electrified railway with high simulation 3D scene isdeveloped Through the virtual three-dimensional scene，students can obtain all-round engineering cognition of variousequipment，traction substation and electric locomotive operation scenes，independently select parameters，equipmentand devices，design experimental schemes，and personally carry out harmonic detection and control experiments，and“on-site”observation experimental resultsKey words:electrified railway;harmonic;detection;control;virtual simulation experiment收稿日期:2022-04-26基金项目:国家自然科学基金项目(52077067);湖南省普通高校教改重点项目(HNJG-2022-0042);湖南省新工科研究与实践项目(湘教通2020 90 号)作者简介:滕召胜(1963 )，男，湖南辰溪人，博士，教授，主要从事电气测量、智能信息处理技术研究。Tel:13007313355;E-mail:tengzs126 com0引言电气信息类专业实验设备投入大、更新换代快，涉及高压的实验操作存在安全问题，暂态实验现象难以观测记录，因此虚拟仿真实验备受重视并成为发展热门1。继电保护2、电机学、机器人控制、电气测量、第 41 卷变压器高压试验、微电网和高铁牵引供电系统等虚拟仿真实验平台2-8 应用于实验教学均取得了良好教学成效，解决了传统实验难以解决的问题。电气化铁路是国民经济大动脉，是国家重要基础设施，也是电网的主要谐波污染源9。谐波危害大，其检测与控制是电网、电力机车安全运行的技术保障，也是电气信息类专业大学生、研究生掌握谐波检测与控制技术的典型教学案例。普通高校不可能建立传统实验模式的电气化铁路谐波检测与控制实验室，铁路系统不允许外部教学设备接入和现场观摩实习。基于此，本文依托国家电能变换与控制工程技术研究中心等科研教学平台，结合“电力电子技术基础”“智能仪器”“电气测量技术”等课程需求，将谐波检测与控制科研成果、工程经验和虚拟仿真技术融合，利用智能信息处理、3D 仿真建模、网络通信控制等现代技术，构建谐波知识学习、检测和谐波控制 3 大模块，开发了高仿真三维场景的电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真平台。1谐波检测与控制实验教学困境21 世纪以来，“电力电子技术”“智能仪器”“电气测量技术”“电能质量检测与控制”等课程成为电气信息类专业核心课程，但谐波检测与控制实验教学困难，学生对电气化铁路运行场景、工况设备难有认知，典型的谐波检测与控制案例只能进行理论课堂讲授，难以通过实验实训培养工程能力、创新意识:(1)实验场景复杂，建设难度大。虽是典型工况与典型教学案例，对于高校构建电气化铁路牵引供电与运行场景投入成本高，即使有经费投入也难有足够大的专用实验场地。(2)实验设施昂贵，实验成本高。电气化铁路谐波检测与控制的设备投入需要完整的变电、配电和保护系统，需要铺设轨道，配置牵引变压器、断路器、隔离刀闸、接触网、多种电力机车、受电弓和谐波控制柜等主要设备，采购和运行、维护成本高。(3)装置类型受限，探索实验难。电气化铁路的牵引配电方式、在轨运行的车型、谐波检测的方法、谐波控制设备的类型及其组合等，对谐波产生、检测、控制均构成复杂影响，传统的单一实际装备实验不可能全面反映电气化铁路运行的复杂工况与谐波检测、控制复杂场景，不能开展不同方法的比对实验、探索实验和创新方法研究。(4)电压等级较高，安全隐患大。电气化铁路牵引供电变比为 220/27 5 kV 或 110/27 5 kV10，变压器容量达数十 MVA，高电压、大电流尤其在阴雨天等潮湿环境下开展实验操作容易发生安全事故。(5)铁路运管严格，参观实习难。铁路一直是军事化、半军事化严格管理，要求时刻“备战”，任何时候、任何情况都要保证各部门不出任何故障，不允许现场参观实习，不允许进入检测与控制室观摩。即使建立了电气化铁路谐波检测与控制实验室，也难以展示谐波产生与控制的暂态过程，不能开展不同运行设备的不同检测与控制方法比对试验，难以满足理论结合实际的教学需求。2教学目标与知识体系2 1教学目标在电气化铁路牵引供电设备认知基础上，掌握谐波检测与控制的基本原理、方法与典型应用，通过虚拟仿真学习和实验操作，基本具备现场工况下开展谐波检测与控制的工程能力与基本素质。(1)知识学习。学习谐波基础知识，了解谐波的特点与危害，建立对普速电气化铁路与高速电气化牵引供电系统的工程认知，了解普速电力机车和高速电力机车的工作原理及其谐波特点;掌握谐波检测的采样频率设置方法和基于加窗插值快速傅里叶变换(FFT)的谐波参数分析方法，探究白噪声、窗函数、采样长度(检测时长)对谐波检测结果的影响;掌握无源滤波器(PPF)、有源滤波器(APF)的工作原理、滤波性能及其参数设计方法。(2)能力培养。通过实验，培养学生理论结合实际的工程能力:针对信号特征分析应用，提出合理的频谱分析需求;根据不同谐波信号，自主选择不同窗函数、不同采样长度、不同信噪比白噪声，设计不同的加窗插值 FFT，得到相对优化的谱分析结果，培养利用数学建模解决工程问题的能力;针对普速电气化铁路谐波抑制需求，掌握 PPF、APF 以及 PPF+两相 APF混合滤波器的构成和使用方法，认知其在谐波控制过程中的作用，进行 PPF、APF 的参数设置和优化设计，并将滤波器投入应用实现谐波抑制，培养在多种方案选择中优化决策的能力;针对高速电气化铁路谐波控制需求，根据高铁谐波控制的难点，实施高通滤波器+两相 APF 混合补偿方法并比较谐波控制效果，培养探索、创新意识和解决复杂工程问题的信心。(3)素质提高。学生通过复杂工况下合理使用加窗插值 FFT 检测谐波和利用 PPF、APF 及其组合控制谐波等实验，比较不同方法的结果差异，探究不同参数对检测与控制结果的影响，培养探索、创新意识和专业自信心。2 2知识体系“电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真实验”设计为全开放操作，实验指导书 仅给出学习与认知操作方法，在谐波检测、谐波控制部分给出窗函数选择、采样率设置、信噪比设定、滤波器参数设置、滤波器投69第 12 期滕召胜，等:电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真实验设计切等操作方法，具体参数量、如何设置才能获得优化的仿真结果，需要学生自行设计并反复比较，在探究、改进过程中完成。整个实验分为知识学习、谐波检测、谐波控制和试题考核 4 个模块，包含 14 个可进行交互操作的功能性步骤，如图 1 所示。图 1电气化铁路谐波检测与控制虚拟仿真流程与功能性步骤3虚拟仿真平台设计平台以电气化铁路谐波产生、检测、控制为对象开展学习、实验与探索，将谐波检测、谐波控制科研成果结合工程经验、融合虚拟仿真技术，把整个实验过程抽象为统一的虚拟实验构件、底层数学模型、逻辑机制等共性关键性技术，在虚拟场景中模拟电气化铁路运行场景与设备，以 Linux 系统高性能服务器联合 Windows系统个人终端实现虚拟运行与操作，通过 WebLearn 平台将图片、视频、动画、PPT、PDF 和仿真系统多种形式实验教学软件资源利用互联网管理，基于建模工具AlgDesigner V3 0 构建谐波检测、控制算法模型库和场景与设备模型库，完成虚拟实验系统建模，形成可扩展的虚拟实验构件库，为平台提供后台逻辑支撑运算，前台则利用虚拟现实技术构建可视化实验场景、实验设备、实验逻辑，