歐志新， 劉延凱

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 230051; 2.上海鐵路局合肥供電段，安徽 合肥 230051)

基于上位機KingView的牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控平臺演示研究

歐志新1， 劉延凱2

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 230051; 2.上海鐵路局合肥供電段，安徽 合肥 230051)

“牽引供電系統(tǒng)”作為中樞環(huán)節(jié)對機車運行安全非常重要，建立牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)演示仿真平臺，可以模擬、演示設備操作和電路特性，上位機采用KingView組態(tài)軟件，下位機利用C語言采集數(shù)據(jù)，分析計算負荷運行數(shù)據(jù)和仿真能量損耗情況，并建立數(shù)據(jù)和查詢報表、遙控事故分析等演示操作系統(tǒng)，對于理論創(chuàng)新并進一步將其實踐化具有重要意義。

KingView組態(tài)軟件；C語言；牽引變電所；電能補償裝置；MATLAB仿真

0 引 言

目前國內(nèi)研究和應用的牽引變電所監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向是實現(xiàn)無人值班[1]，通過監(jiān)控平臺為設備與電路安全運行提供保障。如出現(xiàn)故障點應盡快排除，確保系統(tǒng)安全供電、繼電保護動作，數(shù)據(jù)采集和測量記錄應完善的保存處理，倒閘操作時應盡量對牽引負荷的影響最小，報警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫體系應符合監(jiān)控系統(tǒng)的需求[2-3]。本論文結(jié)合實踐開發(fā)模擬仿真平臺，提出一種可視交換界面的解決方法，為以后在實驗室建設中得以應用奠定基礎。

目前變電所采用的三維演示與動態(tài)仿真監(jiān)控系統(tǒng)[4]，都是在搭建上位機模擬演示+下位機程序的牽引供電監(jiān)控體系，主要在模擬教學和專業(yè)考證中發(fā)揮作用。

本文在實現(xiàn)監(jiān)控設備和電路運行狀態(tài)的同時，通過控制屏或主操作界面，達到監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動記錄、報警查詢一體化和模擬變電所無人值班等功能。這些功能包含故障報警與診斷，歷史數(shù)據(jù)庫導入導出，界面切換，互感器測量與保護(過載和速斷)數(shù)據(jù)導入報表系統(tǒng)等[5-6]。建立的牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺，主要針對軌道交通(特別是高鐵和客運專線)中的110 kV/35 kV/10 kV電壓等級的供電系統(tǒng)，包括設備型號選擇、一次回路和二次回路的監(jiān)測與控制(正常運行與故障點監(jiān)測)、數(shù)據(jù)庫查詢與報表數(shù)據(jù)記錄、報錯機制與修復功能、切換互動界面的功能[7]、設置數(shù)據(jù)采集通信以及保障供電可靠性等。其動態(tài)演示和操作均由相應的C程序控制完成。對于理論創(chuàng)新并進一步將其實踐化具有現(xiàn)實意義。

1 設計思路和控制方案

整體構(gòu)思和設計圍繞牽引變電所監(jiān)控系統(tǒng)一次回路和二次回路展開，電氣設備的功能體現(xiàn)是核心，動態(tài)演示和目標操作是主要內(nèi)容，兼具安全可靠性測試。

建立的牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)操作模擬平臺要符合可視化和動態(tài)操作演示的要求[8]；電路設計和調(diào)試符合軌道交通和電氣化鐵路供電系統(tǒng)運行的供電模式；設備型號和參數(shù)選擇要符合設備產(chǎn)品特性，為后期建立真實牽引變電所實訓實驗室提供理論方案支撐。設置內(nèi)部通信系統(tǒng)鏈接，上位機演示界面的參數(shù)數(shù)據(jù)采集能與下位機(通用西門子/歐姆龍PLC可編程控制器[9])實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享。

(1)上位機監(jiān)控界面包括：主變壓器(110 kV/35 kV/10 kV)，升降壓、檔位和溫度、容量，三相電壓和電流的參數(shù)采集和計算。

(2)高壓開關(guān)(斷路器和帶接地刀閘隔離開關(guān))型號選擇，分合閘原理、演示分位、分位合、合位、合位分狀態(tài)。

(3)互感器(計量表)測量與保護功能，電源側(cè)、負荷側(cè)電能分配和能耗的計算，記錄數(shù)據(jù)設置報表系統(tǒng)。

(4)測量線路和母線數(shù)據(jù)可以進行報表查詢設置等一系列功能，兼有報警體系。

(5)設備的聯(lián)鎖操作，倒閘操作以及“五防”系統(tǒng)[10]，掛消牌操作等均對應相關(guān)電路的運行控制。二次回路還應有信號控制，自恢復和重合閘功能，故障鎖閉等功能。

1.1 KingView組態(tài)上位機功能

KingView組態(tài)軟件通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場獲得實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行加工后一方面以圖形方式顯示在屏幕上；另一方面按照組態(tài)設計界面和指令將控制數(shù)據(jù)傳送給I/O設備，對參數(shù)進行控制或調(diào)整。

如圖1所示，基于KingView組態(tài)作為動態(tài)演示的上位機，要反應牽引供電系統(tǒng)的特性，監(jiān)控和仿真其性能，根據(jù)設備運行參數(shù)確定牽引供電電氣圖的特性和選擇供電模式，符合和體現(xiàn)牽引變電所在供電系統(tǒng)中發(fā)揮的變配電功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)模擬操作界面(控制面板)

用KingView組態(tài)設計的監(jiān)控系統(tǒng)界面，包括導線和母線控制狀態(tài)，主變壓器升降壓和檔位、溫度調(diào)節(jié)，高壓開關(guān)斷路器和隔離開關(guān)分、合閘狀態(tài)、信號燈，能量儲存和動作過程演示界面，閉鎖和“五防”系統(tǒng)，電流互感器、電流互感器測量數(shù)據(jù)(三相電壓、電流、有功功率、無功功率、補償因子與損耗)和報表系統(tǒng)的形成，實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫的保存、查詢等,如圖2所示。

圖2 牽引供電系統(tǒng)實現(xiàn)功能的系統(tǒng)框圖

1.2 基于C語言的下位機程序應用

基于C語言程序設置主要體現(xiàn)在上位機設置參數(shù)指令并輔助完成相應的動作和操作要求，如高壓開關(guān)斷路器和隔離開關(guān)分、合閘控制、主變壓器檔位、溫度的調(diào)節(jié)等主要設備動作[11]，以及故障診斷和報表報警系統(tǒng)的調(diào)入和保存數(shù)據(jù)方面[12]。

C語言可控修改指令具有報錯功能，并有報表和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢功能。實現(xiàn)電氣主接線正常運行和非正常情況下，燈光(紅綠燈信號)和聲音報警， “五防”系統(tǒng)控制高壓開關(guān)的分合閘等功能，完成后可實現(xiàn)單機運行檢測。

1.3 模擬通信與聯(lián)調(diào)聯(lián)試

在調(diào)試前，先在KingView組態(tài)主界面中確定下位機設備型號和通信參數(shù)設置[13]，標準的通信在數(shù)據(jù)庫中保存便于后臺查看記錄，選擇COM1口[14],如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡架構(gòu)通信體系設置

聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，進入/切換到KingView運行模式，從一路主供電源(或另一路備用電源)到負荷側(cè)開始檢查高壓開關(guān)的控制分合閘情況，燈光和信號燈狀態(tài)正常情況，計算互感器測量數(shù)據(jù)是否符合負載正常運行情況，有無出現(xiàn)過載或空載等[15]?！拔宸馈毕到y(tǒng)和閉鎖裝置的設置，能否準確控制開關(guān)的分合閘和及時解鎖實現(xiàn)分合閘等。能量存儲和釋放過程，信號燈是否正確反映高壓開關(guān)的控制狀態(tài)。就地運行方式通過上位機工控軟件程序編譯，模擬實驗界面進行操控。C語言編譯程序控制各個參量選擇內(nèi)存量和I/O接口從外部下位機采集的參量，將理論與實踐進行結(jié)合，具有一定的可行性和實踐性。

2 MATLAB仿真結(jié)果與操作演示

2.1 理論研究基礎

建立演示平臺的理論支撐在于內(nèi)部某段線路或設備發(fā)生故障，對于故障點處參數(shù)的變化和預警；外部受到諧波、噪聲、閃邊電壓、通信干擾而造成供電電壓不穩(wěn)定等現(xiàn)象。牽引供電監(jiān)控系統(tǒng)模擬平臺的建立是基于檢測數(shù)據(jù)處理誤差的理論，主要解決供電安全穩(wěn)定運行，修正諧波產(chǎn)生的電壓波動，增加補償裝置，減少能量損耗提高供電質(zhì)量[16]。

互感器在電源側(cè)和負荷側(cè)的數(shù)據(jù)值(電流，電壓和三相功率)，在母線部位需加裝并聯(lián)補償裝置，穩(wěn)定供電電壓，減少能耗提高供電質(zhì)量，增大功率因子。采用并聯(lián)補償裝置，通過計算和仿真結(jié)果表明，在減小能量損耗和提高供電質(zhì)量方面效果良好，能有效控制電能諧波。

這些理論基礎研究都為搭建合理的電路模型和建立模擬監(jiān)控演示平臺提供了重要的理論支撐，為后期實驗室建設提供理論保障，如圖4所示。

圖4 母線并聯(lián)補償裝置與輸出結(jié)構(gòu)圖

仿真條件的參數(shù)定義[17-18]：la為變電所到AT側(cè)(故障點靠近變電所側(cè)的AT)的距離(單位為km)；

x為AT(故障點靠近變電所側(cè)的AT)到故障點的距離(單位為km)；

D為故障點所在AT段的長度(單位為km)；

lb為故障點遠離變電所側(cè)的AT 到供電臂末端的距離(單位為km)；

ZT、ZR、ZF、ZTR、ZRF、ZTF分別為接觸線(T)、鋼軌(R)和正饋線(F)的單位自阻抗及它們之間的單位互阻抗(單位為Ω /km)。

計算出變電所處測得的阻抗值為[19]：

通過模擬分析牽引變電所采集數(shù)據(jù)的計算，建立牽引供電主接線實驗模擬。利用MATLAB仿真軟件，修正負荷用電參數(shù)，補償裝置在提供系統(tǒng)功率，減少能量損耗，提高功率因子。采用V/v接線變壓器的牽引變電所在電力系統(tǒng)中引起的電壓畸變率問題。為下一步從現(xiàn)場(或與下位機通信采集數(shù)據(jù))進行實測數(shù)據(jù)分析提供理論參考。

圖5 諧波干擾電路能量損耗曲線

圖6 諧波干擾電路篩選補償參數(shù)，進行優(yōu)化修正

通過對比仿真圖5,6中曲線補償點優(yōu)化過程可以得出，無論對于無補償還是投入補償裝置，隨著系統(tǒng)短路容量的增加，電壓畸變率在不斷降低，特別是當短路容量超過一定值(設定變壓器容量峰值MVA)時，降低的趨勢變得緩慢。當系統(tǒng)短路容量一定時，投入補償裝置后，電壓畸變率要低于無補償時的畸變率，而這種變化幅度隨著系統(tǒng)短路容量的增加而減少。因此，為使電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響降至最低，通常對于牽引變電所的外部電源，應考慮選擇短路容量較大的電源。牽引變電所應該投入補償裝置，以便減少電力系統(tǒng)測得諧波電流，降低電力系統(tǒng)測得電壓畸變率[20]。對于牽引供電系統(tǒng)而言，安全、穩(wěn)定、可靠的保障牽引負荷和動力負荷受電，在設計和選擇設備的型號和參數(shù)時需要重點考慮。

2.2 設計與演示操作界面功能

建立報表查詢系統(tǒng)目的在于檢測系統(tǒng)模擬運行時，原始采集數(shù)據(jù)與諧波干擾波動產(chǎn)生的誤差，為后期建立數(shù)學模型進行參數(shù)修正和調(diào)節(jié)。同時可以設定報警預警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫查詢，為供電系統(tǒng)安全可靠運行提供保障，防止諧波造成供電電壓波動危及供電安全和事故發(fā)生，如圖7所示。

圖7 報表檢測數(shù)據(jù)運行

圖8 高壓開關(guān)倒閘操作與聯(lián)鎖演示

圖9 安全操作提示與執(zhí)行/監(jiān)督工作票

倒閘作業(yè)是供電系統(tǒng)監(jiān)控中一項重要任務，檢測安全操作設備、電路注意事項和規(guī)范，記錄和預報工作票制度，故障檢修作業(yè)流程，通過演示操作界面，保障線路檢修按照正確的操作順序完成各項斷電和送電等流程，如圖8～10所示。

圖10 實時數(shù)據(jù)/歷史數(shù)據(jù)庫查詢與記錄界面

3 結(jié)束語

無論是城市軌道交通或電氣化鐵路系統(tǒng)，牽引供電系統(tǒng)都是主要組成部分，其中牽引變電所具有提供電能，保障安全供電的特殊功能，保障牽引供電系統(tǒng)的安全可靠，通常都具備復雜的電路設計，備份電源是防止意外事故中斷對負荷供電的措施。本文綜合設計一套完備和安全的供電操作和演示動態(tài)界面，在不斷結(jié)合現(xiàn)場實踐的基礎上，結(jié)合模擬仿真進行實時操作演練，其具有以下一些優(yōu)點。

(1)利用KingView仿真軟件，分析確定牽引供電電氣主接線電路圖的監(jiān)控對象和運行方式，在數(shù)據(jù)庫中建立變量和系列參數(shù)，定義變量屬性，完成系統(tǒng)需求分析。

(2)建立人機界面子系統(tǒng)，并編譯C語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)互換功能。包括實時報表系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)，遠動操作，“五防”閉鎖系統(tǒng)，倒閘操作掛消牌演示，變壓器高低壓側(cè)電流電壓測量界面。

(3)建立上位機與下位機通信網(wǎng)絡，完成通信程序設計。

(4)以負荷側(cè)27.5 kV-CT型真空斷路器和CS型單極隔離開關(guān)設備為案例，建立二次控制信號回路圖，演示在就地/遠程模式下，設備的操作安全事項，通電調(diào)試斷路器在分閘位、合閘操作、合閘位、分閘操作，二次信號與控制回路在安全性和可靠性等方面的功能。

(5)單機調(diào)試運行，源文件可加載，可根據(jù)現(xiàn)實情況修改參數(shù)與C語言程序，為實現(xiàn)遠程監(jiān)控提供方案支持。

(6)通過模擬分析牽引變電所采集數(shù)據(jù)的計算，建立牽引供電主接線實驗模擬。利用MATLAB仿真軟件，修正負荷用電參數(shù)，補償裝置在提供系統(tǒng)功率，減少能量損耗，提高功率因子。采用V/v接線變壓器的牽引變電所在電力系統(tǒng)中引起的電壓畸變率問題。為下一步從現(xiàn)場(或與下位機通信采集數(shù)據(jù))進行實測數(shù)據(jù)分析提供理論參考。

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A Research on Demonstration of the Monitoring Platform for the Traction Power Supply System Based on Upper Computer KingView Simulation

Ou Zhixin1，Liu Yankai2

(1. Anhui Communications Vocational & Technical College, Hefei Anhui 230051, China;2. Hefei Power Supply Section, Shanghai Railway Bureau, Hefei Anhui 230051, China)

The traction power supply system, as central link, is very important for operational safety of the locomotive. A demonstration and simulation platform is established for the monitoring system of traction power supply, and it can simulate and demonstrate equipment operation and circuit characteristics. The upper computer adopts KingView configuration software, while the lower computer uses C language for data collection. Load operation data is calculated and analyzed, energy loss is simulated, data and query reports are generated, accident analysis and other demonstration and operation systems are controlled remotely. All these are important for theoretical innovation and application in practice.

KingView configuration software;C language; traction substation; electric energy compensating device; MATLAB simulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.033

TP273+.3

A

1000-3886(2017)04-0111-04

定稿日期: 2016-11-10

2016年安徽省自然科學基金重點研究項目(項目編號：KJ2016A159)

歐志新，(1982-)，男，安徽肥東人，碩士，講師/工程師。