趙雙雙

基于實(shí)踐教學(xué)的便攜風(fēng)光互補(bǔ)低壓配電柜設(shè)計(jì)與制作

趙雙雙

(內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

低壓配電柜是分配、控制電能的重要裝置，性能良好的配電柜對(duì)保障供電穩(wěn)定至關(guān)重要。為解決偏遠(yuǎn)農(nóng)村牧區(qū)常年供電不穩(wěn)定的問題，要求學(xué)生在低壓配電柜實(shí)踐教學(xué)中的第二課堂設(shè)計(jì)一款便攜風(fēng)光互補(bǔ)低壓配電柜，不但可為專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐教育提供借鑒，也是教學(xué)成果的一次成功實(shí)踐。該款新型配電柜采用模塊化設(shè)計(jì)，將逆變器、蓄電池、控制器、繼電保護(hù)、變壓穩(wěn)壓通過各種電信號(hào)連接構(gòu)成整體，在保障設(shè)備整體運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)了單一部分的可獨(dú)立操作。試驗(yàn)證明，運(yùn)用該款風(fēng)光互補(bǔ)配電柜充當(dāng)備用電源，能夠切實(shí)解決用戶“取電困難”的問題，有較高的實(shí)用價(jià)值。

風(fēng)光互補(bǔ)；智能配電；雙電源轉(zhuǎn)換

電力行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)高職院校電力、電氣專業(yè)的人才培養(yǎng)體系與實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)提出了更高的要求。由于電力專業(yè)實(shí)踐類教學(xué)存在設(shè)備投資成本高、實(shí)際操作危險(xiǎn)性大、設(shè)備故障再現(xiàn)難等問題，要解決電力專業(yè)實(shí)訓(xùn)中的“三高三難”問題，培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展需求的電力專業(yè)技術(shù)人才，需要改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，打造貼近真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景的教學(xué)環(huán)境。高職院校的電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)要主動(dòng)適應(yīng)我國(guó)能源電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，校企合作要以重現(xiàn)真實(shí)的生產(chǎn)場(chǎng)景為目標(biāo)，開發(fā)實(shí)訓(xùn)教具，改革實(shí)踐教學(xué)方法，讓教學(xué)過程更加豐富、高效，助力復(fù)合型技術(shù)技能人才培養(yǎng)。

1　低壓配電柜實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀及解決對(duì)策

傳統(tǒng)的低壓配電柜在負(fù)荷過大時(shí)容易出現(xiàn)跳閘等情況，影響了低壓配電網(wǎng)的可靠性。采用智能配電柜可利用子系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)運(yùn)行過程的綜合監(jiān)測(cè)和管理，在發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)能及時(shí)處理并上報(bào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為提升用電、管電效率提供保障。在實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)和調(diào)研可以了解到傳統(tǒng)配電柜在使用過程中存在對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)苛、功能單一、價(jià)格偏高且只支持市電等問題，教師通過引用案例教學(xué)，可以使學(xué)生明白一個(gè)好的供配電系統(tǒng)，對(duì)于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、緩解全球資源緊張具有重大的意義。針對(duì)常年供電不穩(wěn)定的偏遠(yuǎn)貧電農(nóng)村牧區(qū)，結(jié)合專業(yè)優(yōu)勢(shì)從技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一款能進(jìn)行風(fēng)光配合互補(bǔ)發(fā)電，市電、備用電源雙電源智能轉(zhuǎn)換的配電柜，當(dāng)市電不穩(wěn)定時(shí)，可通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程操控配電箱切換到更穩(wěn)定的備用電源。該設(shè)備從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、硬件采購、配件組裝、產(chǎn)品調(diào)試環(huán)節(jié)均由具在校學(xué)生完成，源于教學(xué)實(shí)踐成果并能反哺教學(xué)，解決了學(xué)生由于無法直接接觸設(shè)備而導(dǎo)致動(dòng)手能力較差的教學(xué)難題。

2　低壓配電柜設(shè)計(jì)與制作

2.1　低壓配電柜的基本構(gòu)成

該款配電柜主要由控制器、電源、逆變、穩(wěn)壓變壓、智能配電、電路保護(hù)等模塊構(gòu)成，具備穩(wěn)壓、穩(wěn)流以及可快速切換電源等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)指定教學(xué)區(qū)域進(jìn)行供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏板采用PLC作為主控制器，可為自發(fā)電穩(wěn)壓并為備用電源蓄電；利用電信號(hào)傳遞信息，控制市電和智能供配電系統(tǒng)的切換，雙系統(tǒng)的合理分配能確保系統(tǒng)不斷電。低壓配電柜系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框架

2.2　系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)與硬件配置

(1)智能電路保護(hù)模塊。該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路元器件的過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過溫保護(hù)，確保元器件不會(huì)因出現(xiàn)過壓、過流、電磁、浪涌等問題而損壞。在智能光伏控制器的基礎(chǔ)上加入智能逆變器，可有效防止蓄電池過充、放光情況的發(fā)生，還能起到防雷、防倒流的作用。

(2)智能配電系統(tǒng)模塊。智能配電系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器充當(dāng)主控制器，具有可靠性高、編程簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；輸出端包含開關(guān)、電源指示燈、輸出模塊等裝置，采用12V、24V直流電以及220V交流電供電；采用BQ3-63雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，能在電源發(fā)生故障時(shí)通過啟動(dòng)信號(hào)自動(dòng)切換備用電源；系統(tǒng)設(shè)有消防控制電路，一旦監(jiān)測(cè)到斷路器處于分閘狀態(tài)，消防控制系統(tǒng)就能自動(dòng)向管理人員手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。機(jī)身設(shè)置聯(lián)網(wǎng)接口，工作人員能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可使系統(tǒng)具備短路、過載、過壓、欠壓、缺相自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能。

(3)遠(yuǎn)程控制模塊。遠(yuǎn)程控制模塊由GSM通信模塊及單片機(jī)組成，當(dāng)用戶需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉操作時(shí)，只需向目標(biāo)號(hào)碼發(fā)送一條命令短信即可，微電腦控制芯片接收到短信后，依據(jù)命令啟動(dòng)執(zhí)行程序，并在執(zhí)行后回復(fù)用戶一條狀態(tài)短信；系統(tǒng)各部件間采用光電耦合隔離接口連接，可以確保被控的部件獨(dú)立啟停，不會(huì)對(duì)其他部件的正常運(yùn)行造成影響。

(4)電源模塊。電源模塊包括穩(wěn)壓器、常用市電和12V蓄電池組，其中穩(wěn)壓器與整流器、電子濾波器等配合工作，確保輸出電壓的穩(wěn)定。

(5)自動(dòng)散熱模塊。為避免發(fā)生因高溫、過熱導(dǎo)致元器件損壞的情況，在智能配電柜內(nèi)安裝由220V電機(jī)和風(fēng)扇組成的自動(dòng)化散熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性高、散熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。

(6)風(fēng)光互補(bǔ)模塊。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)充分利用太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)性實(shí)現(xiàn)全天候發(fā)電，夜間和陰雨天無陽光時(shí)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換風(fēng)能發(fā)電，晴天由太陽能電池板轉(zhuǎn)換光能發(fā)電，在既有風(fēng)又有陽光的情況下兩者同時(shí)發(fā)電；蓄電池組是風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，在風(fēng)力、日照充足的條件下，可以存儲(chǔ)供給負(fù)載后多余的電能，在風(fēng)力、日照不佳的情況下輸出電能。整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自主供電，無需建立配電站，在大大減少配電損耗和土建安裝成本的同時(shí)，有效緩減環(huán)保壓力，非常適合為偏遠(yuǎn)貧電的農(nóng)村牧區(qū)居民供電。

2.3　遠(yuǎn)程控制 APP 的設(shè)計(jì)

通過開發(fā)一款專用APP便于運(yùn)維人員遠(yuǎn)程操控低壓配電柜完成定時(shí)、延時(shí)、循環(huán)定時(shí)斷電、點(diǎn)動(dòng)、互鎖等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控、設(shè)備分享、點(diǎn)動(dòng)控制，還可以利用主流智能音箱、智能手表等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)語音控制。

2.4　系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

該款智能低壓配電柜可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)雙電路、智能供配電自由切換，具備穩(wěn)壓、穩(wěn)流以及電源快速切換等優(yōu)點(diǎn)，可有效避免電路出現(xiàn)短路、電壓不穩(wěn)等問題。全套設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多端口輸出，使系統(tǒng)硬件有很大的擴(kuò)展空間，具有電箱容量大，結(jié)實(shí)耐用，檢修維護(hù)便捷，持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，可滿足大部分中小微型企業(yè)的需求。智能低壓配電柜實(shí)物如圖2所示。

圖2　智能低壓配電柜實(shí)物

3　低壓配電柜關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)踐應(yīng)用

該款低壓配電柜系統(tǒng)采用的是滑動(dòng)互鎖機(jī)械設(shè)計(jì)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以從根本上杜絕同時(shí)合閘現(xiàn)象的發(fā)生；通過合理設(shè)置微動(dòng)開關(guān)可保證開關(guān)切換的準(zhǔn)確可靠，保證每次切換都能在瞬間平穩(wěn)完成，避免對(duì)電器原件造成破壞；運(yùn)維人員利用GSM通信模塊在單片機(jī)的控制下可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，只需要通過手機(jī)就可以進(jìn)行在線通信和監(jiān)控等操作。

該款低壓配電柜系統(tǒng)思路來源于教學(xué)實(shí)踐，由學(xué)生在第二課堂設(shè)計(jì)制作完成，現(xiàn)已用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)及社會(huì)服務(wù)，并在此過程中不斷完善和升級(jí)。

4　結(jié)語

針對(duì)常年供電不穩(wěn)定的偏遠(yuǎn)貧電農(nóng)村牧區(qū)“取電困難”的問題，設(shè)計(jì)了一款可利用風(fēng)光互補(bǔ)供電，且能充當(dāng)備用電源的低壓配電柜，具備運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可為貧電農(nóng)牧區(qū)提供最經(jīng)濟(jì)、可靠的電力服務(wù)，切實(shí)解決當(dāng)?shù)鼐用瘛叭‰娎щy”的問題，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

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Design and manufacture of portable wind-solar complementary low-voltage power distribution cabinet based on practice teaching

ZHAO Shuangshuang

(Inner Mongolia Electromechanical Vocational and Technical College,Hohhot, Inner Mongolia 010070, China)

Low-voltage power distribution cabinet (PDC) is an important device to distribute and control electric energy. A PDC with good performance is very important to ensure the stability of power supply. In order to solve the problem of unstable power supply in remote rural pastoral areas, students are required to design a portable wind-wind-complementary low-voltage power distribution cabinet in the second class of practice teaching, which can not only provide reference for professional innovation and practice education, but also a successful practice of teaching results. This new type of power distribution cabinet adopts modular design, including the inverter, battery, controller, relay protection, voltage regulator, which were connected through various electrical signals to form a whole. It achieved a single part of the independent operation in the premise of ensuring the overall operation of the equipment. The test proved that this portable wind-wind-complementary low-voltage power distribution cabinet using as a backup power supply, can effectively solve the problem of "power access difficulty" for users, which provides a reference for professional innovation practice education.

complementary scenery; Intelligent power distribution; dual power conversion

TM642

A

2096–8736(2022)05–0039–03

內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目“雙高”建設(shè)背景下專業(yè)群“線上線下、虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)資源建設(shè)與實(shí)踐(NJDRW2109)。

趙雙雙(1990—)，女，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化技術(shù)。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍