牽引變電所綜合信息采集系統(tǒng)研究

毛銳，熊列彬，陳誠(chéng)

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

1 引言

隨著電氣化鐵路的發(fā)展，牽引變電站也迎來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇。我國(guó)鐵路的發(fā)展使得供電的規(guī)模越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，不同區(qū)域之間的互聯(lián)也越來(lái)越緊密，能量管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)在變電站中得到了廣泛的應(yīng)用，這就使得系統(tǒng)中所發(fā)生的故障對(duì)系統(tǒng)本身的影響也隨之?dāng)U大，因此牽引供電系統(tǒng)故障診斷研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了適應(yīng)各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜事故情況下故障的快速、準(zhǔn)確識(shí)別，需要牽引供電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行決策參考。牽引變電所綜合信息采集系統(tǒng)作為牽引變電所內(nèi)部電氣參數(shù)和動(dòng)態(tài)過(guò)程記錄的重要設(shè)備，它不僅可以記錄短路故障時(shí)所內(nèi)電流、電壓、有功無(wú)功的全過(guò)程變化現(xiàn)象，也可以記錄牽引變電所正常運(yùn)行時(shí)的有關(guān)電氣參數(shù)和非電氣參數(shù)。

信息采集系統(tǒng)所記錄的錄波數(shù)據(jù)為牽引變電所內(nèi)故障分析及對(duì)各種保護(hù)動(dòng)作行為的分析和評(píng)價(jià)提供了主要依據(jù)，在事故的調(diào)查和分析中將發(fā)揮重要的作用。另外，信息采集裝置還可用于了解牽引供電系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)各電氣參數(shù)的變化過(guò)程，以及檢驗(yàn)牽引供電系統(tǒng)計(jì)算程序及模型參數(shù)的正確性。

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的牽引變電所數(shù)字化故障錄波裝置是數(shù)字變電站信息采集系統(tǒng)的核心裝置。而國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的鐵路系統(tǒng)還沒(méi)有像電力系統(tǒng)一樣的變電所綜合信息故障處理系統(tǒng)，故障原因得不到解決將造成保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)影響鐵路系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性。

2 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

多數(shù)變電站已安裝或即將建設(shè)各類自動(dòng)化子系統(tǒng)，如:綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電能計(jì)量系統(tǒng)、故障信息管理系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、防誤操作閉鎖系統(tǒng)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，智能變電站需要全部或部分接入這些系統(tǒng)。而將這些系統(tǒng)信息統(tǒng)一起來(lái)集中處理就是綜合信息采集系統(tǒng)的主要功能。牽引變電所控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)錄波的區(qū)別

在電力系統(tǒng)中，錄波器是狀態(tài)顯示、信息分析和處理的重要設(shè)備，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中各電量的實(shí)時(shí)波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析可以準(zhǔn)確反映出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)預(yù)防、分析和處理故障等有及其重要的意義。為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，故障錄波裝置已經(jīng)成為電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制與管理系統(tǒng)的重要組成部分。

圖1 牽引變電所控制系統(tǒng)框圖

而在牽引供電系統(tǒng)中錄波器的應(yīng)用時(shí)間較電力系統(tǒng)中更短，特別是國(guó)內(nèi)鐵路應(yīng)用只是在近幾年才開(kāi)始。牽引供電系統(tǒng)與一般供電系統(tǒng)相比，具有以下明顯特點(diǎn):①所供負(fù)載是一個(gè)單相、移動(dòng)而且是直流的負(fù)載。單相負(fù)荷將造成電力系統(tǒng)負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生較大的負(fù)序電流和負(fù)序電壓;直流負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，給電力系統(tǒng)帶來(lái)諧波危害;并且還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾;②供電電壓不同于國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定的額定電壓。(BT－27.5kV，AT－55kV);③供電網(wǎng)不同于電力網(wǎng)，它是通過(guò)與電力機(jī)車接觸而供電－接觸網(wǎng);④具有獨(dú)特的回流通路(架空回流、軌回流和地回流)。以上特點(diǎn)導(dǎo)致?tīng)恳╇娤到y(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障的概率要比電力系統(tǒng)中大，因此牽引供電系統(tǒng)中實(shí)時(shí)記錄故障數(shù)據(jù)更為重要，牽引供電系統(tǒng)不能直接使用電力系統(tǒng)的故障錄波器，而需要設(shè)計(jì)符合自身特點(diǎn)的錄波方案。

4 故障錄波系統(tǒng)研究

以一個(gè)簡(jiǎn)單的牽引變電所為例，兩臺(tái)變壓器，一臺(tái)供機(jī)車用電，一臺(tái)自用電，兩路進(jìn)線，四路饋線，主接線用外橋式接線方式。綜合信息采集系統(tǒng)要求故障錄波器不僅采集電壓、電流等電量信息，還要采集一些非電量信息。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 綜合信息采集系統(tǒng)總體框圖

故障錄波系統(tǒng)中下位機(jī)硬件部分由通信采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊構(gòu)成，其中通信采集模塊是整個(gè)裝置的核心，基于IEC61850通信協(xié)議，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 錄波器通信采集模塊硬件框圖

其中，LAN1采集模擬量;LAN2采集開(kāi)關(guān)量;LAN3為GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí);LAN4完成其他信息管理系統(tǒng)的通信;LAN5完成網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器的交互。而數(shù)據(jù)分析模塊的主要功能是完成故障啟動(dòng)定值管理、故障數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、故障錄波波形分析及數(shù)據(jù)通信等功能。

故障錄波系統(tǒng)中上位機(jī)硬件部分主要由PC機(jī)構(gòu)成，軟件部分為了增強(qiáng)對(duì)故障信息的分析能力，我們可以應(yīng)用LabWindws/CVI或LabView來(lái)編寫(xiě)上位機(jī)分析軟件，對(duì)輸入信號(hào)的有效值、功率、諧波分量、相位角和對(duì)稱分量分析，以此來(lái)確定故障原因制定解決方案。上位機(jī)軟件部分要實(shí)現(xiàn)的功能有:通信功能、采樣功能、文件存儲(chǔ)與管理功能和界面顯示功能。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如4所示。

圖4 上位機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)牽引變電所故障信息處理系統(tǒng)進(jìn)行研究，闡述了牽引變電系統(tǒng)對(duì)故障錄波系統(tǒng)的特殊要求并結(jié)合其特點(diǎn)提出了下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)方案和上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)方案。未來(lái)的一段時(shí)間，牽引變電所將迎來(lái)大的發(fā)展，數(shù)字化和智能化水平將不斷提高。故障錄波系統(tǒng)方面我們需要借鑒電力系統(tǒng)的成熟技術(shù)，靈活應(yīng)用到牽引變電所，提高牽引變電所的安全系數(shù)，為真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化牽引變電站奠定基礎(chǔ)。

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