赵双双
基于实践教学的便携风光互补低压配电柜设计与制作
赵双双
(内蒙古机电职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010070)
低压配电柜是分配、控制电能的重要装置，性能良好的配电柜对保障供电稳定至关重要。为解决偏远农村牧区常年供电不稳定的问题，要求学生在低压配电柜实践教学中的第二课堂设计一款便携风光互补低压配电柜，不但可为专业创新实践教育提供借鉴，也是教学成果的一次成功实践。该款新型配电柜采用模块化设计，将逆变器、蓄电池、控制器、继电保护、变压稳压通过各种电信号连接构成整体，在保障设备整体运行的前提下，实现了单一部分的可独立操作。试验证明，运用该款风光互补配电柜充当备用电源，能够切实解决用户“取电困难”的问题，有较高的实用价值。
风光互补；
智能配电；
双电源转换
电力行业的飞速发展，对高职院校电力、电气专业的人才培养体系与实践教学基地建设提出了更高的要求。由于电力专业实践类教学存在设备投资成本高、实际操作危险性大、设备故障再现难等问题，要解决电力专业实训中的“三高三难”问题，培养符合行业发展需求的电力专业技术人才，需要改革传统的教学模式，打造贴近真实生产场景的教学环境。高职院校的电力系统自动化技术专业要主动适应我国能源电力产业结构的升级，校企合作要以重现真实的生产场景为目标，开发实训教具，改革实践教学方法，让教学过程更加丰富、高效，助力复合型技术技能人才培养。
传统的低压配电柜在负荷过大时容易出现跳闸等情况，影响了低压配电网的可靠性。采用智能配电柜可利用子系统进行信号的采集和传输，实现对全系统运行过程的综合监测和管理，在发生系统故障时能及时处理并上报实时数据，为提升用电、管电效率提供保障。在实践教学中，学生通过理论学习和调研可以了解到传统配电柜在使用过程中存在对工作环境要求严苛、功能单一、价格偏高且只支持市电等问题，教师通过引用案例教学，可以使学生明白一个好的供配电系统，对于节约能源、保护环境、缓解全球资源紧张具有重大的意义。针对常年供电不稳定的偏远贫电农村牧区，结合专业优势从技术上进行创新，设计了一款能进行风光配合互补发电，市电、备用电源双电源智能转换的配电柜，当市电不稳定时，可通过手机APP远程操控配电箱切换到更稳定的备用电源。该设备从产品设计、硬件采购、配件组装、产品调试环节均由具在校学生完成，源于教学实践成果并能反哺教学，解决了学生由于无法直接接触设备而导致动手能力较差的教学难题。
2.1 低压配电柜的基本构成
该款配电柜主要由控制器、电源、逆变、稳压变压、智能配电、电路保护等模块构成，具备稳压、稳流以及可快速切换电源等优点，可对指定教学区域进行供电。风力发电机和光伏板采用PLC作为主控制器，可为自发电稳压并为备用电源蓄电；
利用电信号传递信息，控制市电和智能供配电系统的切换，双系统的合理分配能确保系统不断电。低压配电柜系统整体框架如图1所示。
图1 系统整体框架
2.2 系统内部设计与硬件配置
(1)智能电路保护模块。该模块可实现对电路元器件的过流保护、过压保护、过温保护，确保元器件不会因出现过压、过流、电磁、浪涌等问题而损坏。在智能光伏控制器的基础上加入智能逆变器，可有效防止蓄电池过充、放光情况的发生，还能起到防雷、防倒流的作用。
(2)智能配电系统模块。智能配电系统采用可编程逻辑控制器充当主控制器，具有可靠性高、编程简单、安装方便等优点；
输出端包含开关、电源指示灯、输出模块等装置，采用12V、24V直流电以及220V交流电供电；
采用BQ3-63双电源自动转换开关，能在电源发生故障时通过启动信号自动切换备用电源；
系统设有消防控制电路，一旦监测到断路器处于分闸状态，消防控制系统就能自动向管理人员手机发送报警短信。机身设置联网接口，工作人员能对系统进行远程控制，并可使系统具备短路、过载、过压、欠压、缺相自动转换等功能。
(3)远程控制模块。远程控制模块由GSM通信模块及单片机组成，当用户需要对设备进行远程开启或关闭操作时，只需向目标号码发送一条命令短信即可，微电脑控制芯片接收到短信后，依据命令启动执行程序，并在执行后回复用户一条状态短信；
系统各部件间采用光电耦合隔离接口连接，可以确保被控的部件独立启停，不会对其他部件的正常运行造成影响。
(4)电源模块。电源模块包括稳压器、常用市电和12V蓄电池组，其中稳压器与整流器、电子滤波器等配合工作，确保输出电压的稳定。
(5)自动散热模块。为避免发生因高温、过热导致元器件损坏的情况，在智能配电柜内安装由220V电机和风扇组成的自动化散热系统，该系统具有结构简单，实用性高、散热效率高等优点。
(6)风光互补模块。风光互补供电系统充分利用太阳能与风能的互补性实现全天候发电，夜间和阴雨天无阳光时由风力发电机转换风能发电，晴天由太阳能电池板转换光能发电，在既有风又有阳光的情况下两者同时发电；
蓄电池组是风光互补供电系统的储能元件，在风力、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能，在风力、日照不佳的情况下输出电能。整套系统可实现自主供电，无需建立配电站，在大大减少配电损耗和土建安装成本的同时，有效缓减环保压力，非常适合为偏远贫电的农村牧区居民供电。
2.3 远程控制 APP 的设计
通过开发一款专用APP便于运维人员远程操控低压配电柜完成定时、延时、循环定时断电、点动、互锁等操作，实现对设备的远程操控、设备分享、点动控制，还可以利用主流智能音箱、智能手表等设备来实现语音控制。
2.4 系统功能实现
该款智能低压配电柜可实现电网双电路、智能供配电自由切换，具备稳压、稳流以及电源快速切换等优点，可有效避免电路出现短路、电压不稳等问题。全套设备采用模块化设计，可实现多端口输出，使系统硬件有很大的扩展空间，具有电箱容量大，结实耐用，检修维护便捷，持续工作时间长，适用范围广等诸多优点，可满足大部分中小微型企业的需求。智能低压配电柜实物如图2所示。
图2 智能低压配电柜实物
该款低压配电柜系统采用的是滑动互锁机械设计双电源自动转换开关，可以从根本上杜绝同时合闸现象的发生；
通过合理设置微动开关可保证开关切换的准确可靠，保证每次切换都能在瞬间平稳完成，避免对电器原件造成破坏；
运维人员利用GSM通信模块在单片机的控制下可实现远程控制，只需要通过手机就可以进行在线通信和监控等操作。
该款低压配电柜系统思路来源于教学实践，由学生在第二课堂设计制作完成，现已用于实训教学及社会服务，并在此过程中不断完善和升级。
针对常年供电不稳定的偏远贫电农村牧区“取电困难”的问题，设计了一款可利用风光互补供电，且能充当备用电源的低压配电柜，具备运行稳定、经济环保、操作简单等优势，可为贫电农牧区提供最经济、可靠的电力服务，切实解决当地居民“取电困难”的问题，促进当地经济发展。
[1] 孙文科.智能配电柜在低压配电网中的应用[J].集成电路应用,2021,38(10):196-197.
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[3] 刘裔年.智能变电站的关键技术及应用分析[J].电力设备管理,2021(2):169-170+199.
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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
内蒙古机电职业技术学院科学研究项目“双高”建设背景下专业群“线上线下、虚实结合”教学资源建设与实践(NJDRW2109)。
赵双双(1990—)，女，内蒙古包头人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为电气自动化技术。
责任编辑：张亦弛
英文编辑：唐琦军
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