淺談微機(jī)監(jiān)控及綜合自動化在電氣化鐵道牽引變電中的應(yīng)用

黃維

前言

相對于內(nèi)燃機(jī)車和蒸汽機(jī)車，電力機(jī)車在功率、速度、經(jīng)濟(jì)效果、能源利用上，都有明顯的優(yōu)勢，電氣化鐵路已經(jīng)成為現(xiàn)代鐵路的主要發(fā)展方向。隨著電力牽引向高速、重載、大運(yùn)量發(fā)展，牽引變電所和供電系統(tǒng)容量的增大，對于鐵路供電的可靠性和供電質(zhì)量有了更高的要求。而提高供電可靠性和供電質(zhì)量有效而直接的方法，就是采用綜合自動化系統(tǒng)。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)和繼電保護(hù)裝置因其存在信息采集、變換、處理、傳輸，二次系統(tǒng)自檢、存儲、復(fù)讀及相互間信息交換、通訊等固有的缺陷，已難以滿足現(xiàn)代化電力牽引供電系統(tǒng)的需求。微機(jī)技術(shù)的完善，其功能、可靠性和處理速度的不斷提高，使供變電系統(tǒng)中采用微機(jī)監(jiān)控和微機(jī)保護(hù)成為現(xiàn)實(shí)，國際與國內(nèi)電力系統(tǒng)的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為電氣化鐵道牽引變電系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控及綜合自動化的應(yīng)用提供了堅實(shí)基礎(chǔ)。高速可靠的通信網(wǎng)絡(luò)和完備的安全監(jiān)控系統(tǒng)為無人值守創(chuàng)造了條件。

微機(jī)監(jiān)控與綜合自動化系統(tǒng)的類型

這里所稱的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，是指在牽引變電所、分區(qū)所、開閉所等變配電系統(tǒng)中應(yīng)用分布式多微機(jī)系統(tǒng)完成一次設(shè)備監(jiān)視、控制、中央信號、數(shù)據(jù)采集、事件順序的記錄和屏幕顯示、打印等功能的監(jiān)視控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，接入微機(jī)保護(hù)和自動裝置（含遠(yuǎn)動RTU），承擔(dān)整個變配電系統(tǒng)信息處理、與上層調(diào)度通信以及全部監(jiān)視控制、中央信號和保護(hù)自動化功能的一體化綜合系統(tǒng)稱為變電所綜合自動化。變電所微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)的基本構(gòu)成見圖一，這是一個分層分布式多微機(jī)系統(tǒng)。

根據(jù)監(jiān)控綜合自動化功能的完善程度和技術(shù)發(fā)展過程，微機(jī)監(jiān)控與綜合自動化系統(tǒng)分為三種類型。

微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（SCS—Microcomputer Based Supervisory Control System）,由監(jiān)控主機(jī)，模擬量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)構(gòu)成，具有對變電所一次設(shè)備執(zhí)行監(jiān)視，控制和防誤操作，CRT顯示，記錄報表與打印，中央信號以及和上級調(diào)度中心通信的功能，是一個初級化的局域性微機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

圖一 變電所微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)基本構(gòu)成框

變電所微機(jī)綜合自動化系統(tǒng)（IAS—Integrated Automation System for Substation），在SCS中接入監(jiān)控處理，微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)，具有全變電所監(jiān)視、控制、中央信號、遠(yuǎn)動RTU以及與上級調(diào)度中心通信等全部功能的一體化系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖一所示。

無人值班變電所綜合自動化系統(tǒng)（U I A S—Unmanned Operation and Integrated Automation System for Substation），這是為適應(yīng)無人值班或無人值守變電所的需要，在IAS中接入了諸如自用電子系統(tǒng)，防災(zāi)報警及處理子系統(tǒng)，一次設(shè)備機(jī)電性能調(diào)測子系統(tǒng)等構(gòu)成的具有遠(yuǎn)動遙控、遙測、遙信、遙調(diào)四遙功能的智能化、自動化程度更高的一體化系統(tǒng)，是現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的方向。

牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和主要功能

綜合自動化系統(tǒng)有關(guān)全局性的功能，如全所監(jiān)視、控制和遠(yuǎn)動信息傳送接收等，均由上層監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；有關(guān)所內(nèi)的局部性功能，則由下層的功能子系統(tǒng)完成。

1. 監(jiān)控系統(tǒng)功能

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及通信處理系統(tǒng)作為牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)采集與顯示牽引變電所內(nèi)的測控、保護(hù)單元的各種測量、保護(hù)信息，實(shí)現(xiàn)對變電所內(nèi)的各種開關(guān)的分、合控制，信號復(fù)歸，保護(hù)裝置的復(fù)歸與定值整定，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報表處理，曲線顯示，流水打印等信息處理功能，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控與通信處理系統(tǒng)相互獨(dú)立。在正常情況下，調(diào)度端控制命令不需通過當(dāng)?shù)乜刂贫思纯蓤?zhí)行操作，這時通過當(dāng)?shù)乜刂茊卧娘@示器監(jiān)視變電所的運(yùn)行情況，查看各種報表及曲線；當(dāng)遠(yuǎn)動失效時，當(dāng)?shù)乜刂茊卧勺鳛檫h(yuǎn)方控制失效的后備手段在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行控制。

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控及通信處理系統(tǒng)由當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)、打印機(jī)、通信處理單元及GPS組成。為了提高系統(tǒng)的可靠性，牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程通信處理單元掛接在第一層環(huán)形現(xiàn)場測控網(wǎng)，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)掛接在第二層以太網(wǎng)，兩層網(wǎng)絡(luò)通過通信處理單元實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的連接。

2. 微機(jī)保護(hù)、故障點(diǎn)測距與錄波功能

包括高壓線路、主變壓器、無功綜合補(bǔ)償裝置、自用電交流與直流裝置和牽引饋線的成套微機(jī)保護(hù)及故障測距、故障負(fù)荷錄波裝置，以實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備與變電所主電路運(yùn)行的常規(guī)與特殊保護(hù)及信息反饋。

3. 安全監(jiān)控和自動滅火功能

在無人值班的情況下，通過變電所圖像監(jiān)視、災(zāi)害監(jiān)視報警和自動滅火的功能，以及來確保牽引變電所的安全。

今后綜合自動化系統(tǒng)需要解決的問題

1. 保護(hù)裝置的改進(jìn)

伴隨著繼電保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣主設(shè)備保護(hù)也和線路保護(hù)一樣經(jīng)歷了電磁式、晶體管式、集成電路式、微機(jī)式保護(hù)四個階段，但電氣主設(shè)備保護(hù)的發(fā)展卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于線路保護(hù)的發(fā)展，電氣主設(shè)備保護(hù)的正確動作率遠(yuǎn)低于線路保護(hù)的水平，其中又以變壓器保護(hù)的正確動作率為最低。變壓器是通過磁場把一次線圈和二次線圈聯(lián)系在一起具有強(qiáng)非線性數(shù)字模型的設(shè)備，其內(nèi)部故障的機(jī)理比較復(fù)雜，無法像線路保護(hù)那樣可以比較清楚地分析故障成因及故障過程。目前，變壓器依然采用差動保護(hù)為主保護(hù)，主要在識別勵磁涌流的方法上，有很多不同。今后提高變壓器保護(hù)的正確動作率應(yīng)該是一個主要研究方向。比較先進(jìn)的方法有磁通特性識別法、等值電路參數(shù)鑒別法、基于變壓器回路方程的算法、差有功法等等。

2. 抗干擾問題

關(guān)于牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的抗干擾問題，亦即所謂的電磁兼容問題，是一個非常被忽視的

方面。牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的抗干擾措施是保證綜合自動化系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)該通過高低溫試驗(yàn)、耐濕熱試驗(yàn)、雷電沖擊電壓試驗(yàn)。動模試驗(yàn)，而且還要重點(diǎn)通過四項(xiàng)電磁兼容試驗(yàn)，分別是：1 MHz脈沖干擾試驗(yàn)、靜電放電干擾試驗(yàn)、輻射電磁場干擾試驗(yàn)、快速瞬變干擾試驗(yàn)。

3. 傳輸規(guī)約、傳輸網(wǎng)絡(luò)和信息交換的問題

牽引變電所和調(diào)度中心之間的傳輸規(guī)約。目前國內(nèi)各個地方情況不統(tǒng)一，牽引變電所和調(diào)度中心之間的信息傳輸采用各種不同形式的規(guī)約。對于電能計量采集傳輸系統(tǒng)，IEC在1996年頒布的IEC 60870-5-102標(biāo)準(zhǔn)，是我們在實(shí)施牽引變電所電能計量系統(tǒng)時需要遵守的。目前許多生產(chǎn)廠家各自為政，造成不同廠家設(shè)備通信連接的困難和以后維護(hù)的隱患，今后牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)所內(nèi)協(xié)議要求采用103規(guī)約。隨著最近客運(yùn)專線接入電力系統(tǒng)220kV系統(tǒng)之后，電力系統(tǒng)調(diào)度端和客運(yùn)專線綜合自動化系統(tǒng)的信息交換問題也需要有明確的規(guī)定。

4. 產(chǎn)品接口問題

各個廠家生產(chǎn)自動化設(shè)備時，應(yīng)當(dāng)遵循統(tǒng)一的、開放的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，考擴(kuò)RTU、保護(hù)、小電流接地裝置、故障錄波、無功裝置等與通信控制器、通信控制器與主站、通信控制器與模擬盤等設(shè)備之間的通信接口。

結(jié)束語

微機(jī)監(jiān)控及綜合自動化技術(shù)在電氣化鐵道牽引變電中的應(yīng)用是電氣化鐵道牽引變電發(fā)展的趨勢，特別是無人值班變電所的設(shè)置將成為發(fā)展方向。本文僅簡要地介紹了微機(jī)監(jiān)控及綜合自動化的功能特點(diǎn)及構(gòu)成，要實(shí)現(xiàn)微機(jī)監(jiān)控及綜合自動化所涉及的專業(yè)、技術(shù)面較廣，而且不論是設(shè)計，還是運(yùn)營管理都需要在實(shí)踐中不斷摸索、總結(jié)、完善和提高，從而使電氣化鐵道牽引變電技術(shù)不斷提高。

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王思華 TA21變電所綜合自動化系統(tǒng)，電氣時代，2005年第六期