鐵路牽引變電所仿真系統(tǒng)①

向宏典， 王 豐

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，吉林吉林132001;2.沈陽(yáng)鐵路局吉林供電段，吉林吉林132001)

鐵路供電系統(tǒng)的特性決定了不能在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行學(xué)員培訓(xùn)［1－2］.因此;如何找到一條經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的途徑來(lái)提高操作人員和維護(hù)調(diào)試人員的技術(shù)水平，保證鐵路牽引變電所安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行，具有相當(dāng)大的現(xiàn)實(shí)意義.當(dāng)前國(guó)內(nèi)變電所仿真主要采用兩種方案 1，脫機(jī)全軟件仿真［3］，2，一次采用軟件，二次采用真實(shí)物理設(shè)備［4］，脫機(jī)全軟件仿真主要用于電網(wǎng)分析;一次采用軟件、二次為實(shí)物主要為了演示一次設(shè)備的動(dòng)作過(guò)程，而高等職業(yè)教育的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)對(duì)象的真實(shí)性，本牽引變電所仿真系統(tǒng)按1:1比例仿真主控室、戶外高壓場(chǎng)等一次設(shè)備，二次微保采用PLC進(jìn)行仿真，其區(qū)別于其它仿真方案的特點(diǎn)是;可進(jìn)行各種事故的處理演練，實(shí)時(shí)反映牽引變電所的各種正常運(yùn)行、異?，F(xiàn)象和事故狀態(tài)，它功能全、造價(jià)低、操控簡(jiǎn)單，適合于職業(yè)實(shí)訓(xùn)，是理想的運(yùn)行值班人員、一次設(shè)備維護(hù)調(diào)試人員的培訓(xùn)設(shè)備.

1 仿真系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)前鐵路供電系統(tǒng)中采用的TA21型鐵路牽引變電所安全監(jiān)控及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是由以32位高性能、高可靠性微處理器為硬件核心組成的成套測(cè)量與控制裝置;由WKH－892饋線保護(hù)測(cè)控裝置、WBH－892Z主變主保護(hù)裝置、WBH－892H主變后備保護(hù)裝置、WDB－892動(dòng)力變保護(hù)測(cè)控裝置、WBB－892并補(bǔ)保護(hù)測(cè)控裝置、WCK－892通用測(cè)控裝置、WXH－892信號(hào)顯示裝置等七個(gè)單元組成［5］.適用于電氣化鐵道牽引主變壓器高低壓側(cè)電氣量的測(cè)量、開關(guān)的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)有跨條和無(wú)跨條牽引變電所備用電源的自動(dòng)投入;同時(shí)具有負(fù)荷錄波、網(wǎng)絡(luò)通信等自動(dòng)化功能，本仿真系統(tǒng)即對(duì)上述二次微保設(shè)備進(jìn)行仿真.

仿真系統(tǒng)的核心為一臺(tái)PLC或者控制模塊，用它完成了真牽引變電所TA21型的6類典型的監(jiān)控功能，上述方案在保證仿真效果的前提下，大大降低了成本.

各類傳感器和執(zhí)行器、報(bào)警電路均采用實(shí)物，可以為一、二次檢修人員演練，解決了純軟件仿真不能為一、二次維修人員實(shí)訓(xùn)的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的利用率.

顯示人機(jī)界面的上位機(jī)采用一臺(tái)PC機(jī)進(jìn)行人與仿真系統(tǒng)的交流，其畫面由開物軟件［6］制作而成，其斷路器，隔離開關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的變化，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控.由開物制作的圖表，可設(shè)置報(bào)警上限值，記錄斷路器變化情況，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.PLC用其編程軟件，根據(jù)IN/OUT輸入、輸出口，傳感器和執(zhí)行器之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行編程，經(jīng)RS232接口和上位機(jī)進(jìn)行通信，將傳感器的信號(hào)送至上位機(jī)，同時(shí)將操控者的鍵盤信號(hào)通過(guò)RS232接口送至PLC，通過(guò)輸出模塊送至執(zhí)行器，命令處理順序如圖2所示;傳感器按照設(shè)定時(shí)間間隔對(duì)變化的量進(jìn)行取樣，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)PLC送至上位機(jī)，上位機(jī)將送入信號(hào)與按要求設(shè)定值進(jìn)行比較，如果不超設(shè)定值，刷新，重新通過(guò)傳感器采樣，重復(fù)上述過(guò)程;如果超過(guò)設(shè)定值，上位機(jī)通知下位機(jī)，輸出執(zhí)行信號(hào)給相關(guān)執(zhí)行器，切斷相關(guān)斷路器報(bào)警.

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次示意圖

圖2 信號(hào)命令處理流程圖

2 牽引變電所仿真設(shè)備的組成

依據(jù)以上工作原理設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)組成如下:

2.1 工業(yè)PC機(jī)及監(jiān)控軟件

其作用為:對(duì)高壓場(chǎng)內(nèi)各路高壓斷路器，高壓隔離開關(guān)的工作情況進(jìn)行監(jiān)視并在電腦屏幕和模擬屏上進(jìn)行顯示，如圖3所示.在正常工作電流下，線條顯示為黑色，如果過(guò)流，線條顯示為紅色，超估時(shí)屏幕上斷路器跳開.在控制方面可以達(dá)到用鼠標(biāo)或者鍵盤進(jìn)行切斷和合閘的過(guò)程，并且屏幕線條顏色發(fā)生改變.系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的電量(電流、電壓、頻率等)，進(jìn)行監(jiān)控和記錄.

圖3 仿真牽引變電所總控室模擬板

2.1.1 故障模擬

對(duì)于龐大的鐵路牽引供電系統(tǒng)而言，快速發(fā)現(xiàn)并處理故障，以保證鐵路運(yùn)輸安全運(yùn)行是鐵路供電維護(hù)人員追求的目標(biāo).為此，實(shí)現(xiàn)故障模擬應(yīng)該是仿真系統(tǒng)的必備功能，本設(shè)計(jì)在歸納和分析鐵路牽引供電系統(tǒng)在非正常運(yùn)行以及各種事故原因的基礎(chǔ)上，在controX2000組態(tài)軟件中通過(guò)命令語(yǔ)言構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中將接觸網(wǎng)的情況、主變差動(dòng)、油溫信號(hào)以及各參數(shù)的變化(如電流、電壓、功率等)和各相關(guān)斷路器，報(bào)警、記錄等建立對(duì)應(yīng)關(guān)系.仿真系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可通過(guò)兩種方式觸發(fā)模擬故障，既可在故障選項(xiàng)界面由教師或?qū)W生設(shè)定，也可由隨機(jī)產(chǎn)生器控制，調(diào)出設(shè)計(jì)的某線路故障及異?，F(xiàn)象進(jìn)行故障模擬實(shí)訓(xùn)教學(xué).

2.1.2 數(shù)據(jù)采集

仿真系統(tǒng)可實(shí)時(shí)和定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各參量及開關(guān)量狀態(tài)(電流、功率，頻率、電能、溫度、開關(guān)位置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，將采集到的數(shù)據(jù)直接顯示、或通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算生成新的直觀的數(shù)據(jù)信息再顯示(總系統(tǒng)功率、負(fù)荷最大值、上下限等)，并對(duì)重要的信息量進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ).

2.1.3 負(fù)荷趨勢(shì)曲線分析

仿真系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)兩種曲線分析界面，通過(guò)調(diào)用相關(guān)實(shí)時(shí)曲線界面分析當(dāng)前的負(fù)荷運(yùn)行狀況.系統(tǒng)的歷史趨勢(shì)即系統(tǒng)對(duì)所有已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)均可查看其歷史趨勢(shì)，方便實(shí)訓(xùn)人員對(duì)監(jiān)測(cè)的設(shè)備進(jìn)行模擬質(zhì)量分析.

2.1.4 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

仿真系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓和電能報(bào)表格式，可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生成各種類型的實(shí)時(shí)運(yùn)行報(bào)表、歷史報(bào)表、模擬故障及報(bào)警記錄報(bào)表、操作記錄報(bào)表等;可以查詢和記錄的所有數(shù)據(jù)值，自動(dòng)生成電能的日、月、季、年度報(bào)表，間隔等參數(shù)可自行設(shè)置;仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可根據(jù)教學(xué)需求量身定制滿足不同要求的報(bào)表輸出功能，使報(bào)表仿真更接近實(shí)際報(bào)表的格式.

2.1.5 操作記錄和故障報(bào)警

仿真系統(tǒng)對(duì)所有學(xué)生操作、開關(guān)變位、參量越限及其它操控者實(shí)際需求的事件均具有詳細(xì)的記錄功能，包括事件發(fā)生的時(shí)間位置，當(dāng)前操控人員事件是否確認(rèn)等信息，對(duì)開關(guān)變位、參量越限等信息還具有聲音報(bào)警功能.

2.2 模擬屏

畫面和PC機(jī)顯示相同，便于眾人觀看和教學(xué)工作，畫面中為甲、乙線輸入;kn為相關(guān)隔離開關(guān)與斷路器，和高壓場(chǎng)實(shí)物一一對(duì)應(yīng)，同步動(dòng)作.

2.3 接口控制柜

用于接受電壓、電流互感器送來(lái)的信號(hào)，對(duì)一次電路的電流、電壓、頻率、變壓器的溫度等的取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較和向上位機(jī)匯報(bào)，下達(dá)動(dòng)合指令，對(duì)高壓場(chǎng)中的高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)的動(dòng)合進(jìn)行控制.

2.4 繼電保護(hù)柜

作用;仿微保單元(WBH－892Z主變主保護(hù)裝置，WBH－892C主變測(cè)控裝置，WKH－892饋線保護(hù)測(cè)控裝置，WBB－892并補(bǔ)保護(hù)測(cè)控裝置)等的功能.

3 結(jié)論

將數(shù)字仿真的二次系統(tǒng)(仿TA21型牽引變電所安全監(jiān)控及綜合自動(dòng)化系統(tǒng))以及真實(shí)的牽引變電所一次設(shè)備、真實(shí)的監(jiān)控室人機(jī)界面環(huán)境放置于同一仿真系統(tǒng)中，使仿真計(jì)算出的各種模擬量和開關(guān)量通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接、輸出，與真實(shí)的一次設(shè)備對(duì)接、可營(yíng)造出更加逼真的運(yùn)行環(huán)境非常適合于職業(yè)學(xué)校學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練和解決問(wèn)題的能力的提高，幫助學(xué)生更加深入地了解牽引變電所自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行性能和工作特性;既保證了先進(jìn)性、靈活性又可根據(jù)具體情況增減二次功能和一次設(shè)備.如果一次系統(tǒng)采用沙盤的方案即可大大降低投資，功能全、經(jīng)濟(jì)、適合于職業(yè)學(xué)生教學(xué)和鐵路供電企業(yè)職業(yè)培訓(xùn)是本仿真系統(tǒng)的特點(diǎn).

［1］牽引變電所［M］.北京:人民鐵道出版社，2008:13－24.

［2］丁宇哲.變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)研究進(jìn)展及趨勢(shì)［J］科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，34:7 －8.

［3］解大，江建民，許少倫，孟凡青.基于變電站仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，06:62 －68.

［4］張雨飛，王明春.變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，200，12:23 －25.

［5］TA21型牽引變電所安全監(jiān)控及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)說(shuō)明書［M］.成都:西南交大，2009:75－180.

［6］controX2000監(jiān)控系統(tǒng)軟件使用手冊(cè)［M］.北京:北京華富惠通技術(shù)有限公司，2004，2:184 －209.