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牵引变电所计算机监控

  随着变电所调度自动化技术应用的不断发展和深入,以及计算机技术、通讯技术等领域的发展,新建牵引变电所的自动功能和远动功能都在不断地发展和完善,计算机远动与自动系统已在新建牵引变电所中得到普遍的应用,电气化铁道供电系统的可靠性和现代化程度有了显著的提高。这主要体现在以下几个方面:(1)随着硬件性能的提高和软件的不断成熟, 计算机远动系统的可靠性和稳定性得到了有效的保证;(2)牵引变电所的SCADA功能不断增强和扩展;(3)调度中心从牵引变电所获取了更多的信息,能及时地在调度范围内对牵引变电所实现全局性的远方监视和调度;(4)变电所综合自动化、无人值班、少人值守等较新的设计思想和方案在得到不断应用。上述这些特点虽然使电气化铁道牵引供电系统的远动及自动系统的一次投资较大,但长期经济效益显著,现代化水平较高。这样也就使许多既有牵引变电所在技术上、经济上和管理水平上产生了明显的差距。对于多数的既有牵引变电所,尤其是1985年以前建成的牵引变电所,除具备一些简单的传统(常规)远动功能外,几乎不具备计算机远动功能和自动功能。这些牵引变电所越来越迫切地面临着一个决策性的问题,即如何引进先进的计算机远动系统,如何实现原有牵引变电所远动功能的改造。
   1977年以前,我国建成电气化铁路1 028 km,1978~1980年建成650 km,1981年到1985年建成2 506 km,1986~1991年建成约3 800 km,到1996年底,我国的电气化铁路运营长度超过10 000 km。在这1万多公里电气化铁路牵引变电所中,1985年以前建成的基本上采用的是传统远动方式,即所谓布线逻辑式远动方式,这种远动装置完全由硬件组成,实现简单的远动功能。在硬件的构成上有电磁式、晶体管式,以后发展为集成电路元件式。这些装置按预定的要求进行设计,其装置的各部分逻辑电路按固定的时序工作,因而不能随意进行功能扩展,所完成的功能也仅局限于牵引变电所内较有限的“四遥”功能。随着大规模集成电路的发展和推广,计算机远动装置开始投入,早期的微程序化远动装置以片级设计和板级设计为主,直到80年代末期,真正的微机远动装置和计算机远动系统才逐步发展和应用。
   从我国牵引变电所远动功能的现状看,我国90年代以前,尤其是1985年以前投入的大多数牵引变电所都不同程度地面临着远动功能的技术改造问题,这些牵引变电所在我国当前运营的牵引变电所中占有相当大的比例,如果不进行改进和改造,不仅直接影响这些牵引变电所的技术经济指标,而且对全路电气化铁路现代化运营管理水平的提高带来很大的影响,因此,对这些既有牵引变电所传统远动功能的改造问题应引起我们的重视。
   既有牵引变电所传统远动功能的改造,如果采用新建牵引变电所远动系统的方案和模式,不仅在投资上给需要改造的牵引变电所带来很重的负担,而且,由于既有牵引变电所老设备与新建牵引变电所新投入的设备之间在功能和性能上存在的差异,远动系统的功能配置上也不尽相同。因而,既有牵引变电所远动功能技术改造的模式应具有自身的特点:
   (1) 面向既有设备与对象,实现基本完善的远动功能和自动功能,即针对不同牵引变电所的设备情况进行配置和改造,尤其在与设备和对象直接关联的接口部分,不采用统一结构模式,以保证现有设备的利用率。

  (2) 计算机远动系统配置应尽量简单化,例如,不采用智能化模拟屏系统,减少工程师工作站,减少培训工作站,采用高性能设备与元件,以减少冗余设计等,这样不仅可以简化系统配置,减少投资,而且,由于元件技术指标的提高和软件成熟性提高,简化系统配置也是远动系统趋于发展的一个新的方向。

  (3) 采用集成化、组态化的软硬件设备,尽量减少全面开发型软硬件的使用,以缩短改造周期,保证系统的可靠运行。例如,使用组态化的应用软件,可以大大缩短软件开发周期,提高软件运行的可靠性和稳定性,这种方法在电力部门的变电所改造项目中已有了成功的尝试,可以在牵引变电所的远动功能改造中借鉴。
   既有牵引变电所远动功能实现的系统结构应采用分层分布式系统DCS(Distributed Control System)或分级控制系统HCS(Hierarchical Control System),将远动功能分为两级——牵引变电所控制级SCL(Substation Control Layer)和单元控制级LCL(Local Control Layer)。牵引变电所控制级由计算机及其辅助设备来实现,单元控制级功能由单元设备来实现。单元设备的配置方式可以采用常规RTU单元结构或加强型RTU单元结构,也可以采用底层智能化结构PLC(Programmable Logical Controller),还可以采用智能仪表与RTU或PLC混合配置结构,这主要取决于现场设备和监控对象的具体特点。
   牵引变电所控制级SCL实现对单元控制级的监控,提供人机界面,完成各种报表、数据库、报警、与调度中心通讯等功能。单元控制级LCL主要实现信号采集、控制输出,如果采用加强型RTU或PLC机构,还可以在单元控制级内实现部分自动功能。
   单元控制级LCL
   根据现场设备和具体要求,LCL级可以采用RTU或加强型RTU单元结构,或PLC可编程控制器式底层智能化结构,还可以配置智能仪表。PLC内部具有一定数量的内存单元(如有8K、16K、32K等多种内存容量),通过编程后,可以顺序执行程序预定的功能,程序修改简便易行。由PLC来完成部分重要的自动功能较之通过牵引变电所控制级计算机实现相应的功能,在实时性和可靠性方面均能得到更有效的保证。当PLC与计算机之间通讯联接发生异常时,不影响PLC程序设定功能的实现。智能仪表是一种新型的表计结构,内部由智能芯片和测量机构组成,可以完成对多种电气量的综合测量功能,而不需要再使用各种变送器,安装体积小,功能强。例如,一块智能仪表可以同时完成对电流、电压、功率、电能、功率因数的测量任务,并具有通讯接口,可以与计算机接口直接相连或通过规约转换等与其他智能化设备相连。
   LCL完成的主要功能包括:
   (1) 数据采集和传送:数据采集和传送的内容包括遥信量和遥测量。
   (2) 接收和执行控制命令:LCL级控制命令的执行一般采用开关量输出的形式,可以分别用于控制断路器的分合闸、主变压器的调压(对具有分接头可以进行有载调压的变压器)、无功调整(对具有多组无功功率补偿器可以分组投切的牵引变电所)、信号复归、遥控查灯、消防控制等。在执行控制命令时,为满足现场操作机构在执行分、合闸等操作时的具体要求,可以增设一级执行继电器以扩大接点容量及数量。
   (3) 通讯功能:LCL级应具有通讯接口,以便联接远动通道、牵引变电所级计算机以及当地便携式计算机,一般可配置2~3个计算机通讯接口。
   (4) 自动功能:自动功能的实现与LCL级配置的硬件设备有关,有些自动功能既可以设在LCL级实现,也可以设在SCL级实现。关于牵引变电所的自动功能在下节作进一步讨论。
牵引变电所控制级SCL
   硬件配置:
   SCL应采用工业PC机为基架的配置方式。工业PC机在设计和工艺上具有很强的抗干扰、抗震动、持续稳定运行的能力,且价格较之服务器、工作站、小型机等计算机结构形式具有相当的优势。以目前良好的工业PC机配置来看,完全可以满足实现牵引变电所内的远动和自动功能的要求。在牵引变电所采用的工业PC机及其外设,配置内容大致可包括:主机(工业PC机),显示器,通讯接口板,MODEM以及打印机、声卡(用于语音报警和提示)等。
   软件配置:
   随着牵引变电所远动和自动功能的加强,应用软件的功能要求越来越高,一般来讲,软件开发和调试的时间也越长,这在新建牵引变电所的远动功能实施中已有所反映。对于既有牵引变电所远动功能的改造,对开发与调试(尤其是现场调试)周期的要求更短,这给应用软件的开发带来了一定的难度。目前,在国外以及国内电力部门变电所综合自动化改造项目中,应用软件的开发采用了一种新的途径,即是:将应用软件的开发建立在已有的工业控制软件平台基础上,这不仅大大缩短了应用软件的开发周期,而且,更有效地保证了软件的稳定性和可靠性。这种突破将软件开发的层次由面向过程的开发方式提高到了面向对象的开发层次上。
   紫金桥的实时数据库为快速开发工业控制应用软件提供了良好平台,它是在石化行业中得到广泛应用的计算机人机界面软件,在长期的运行中经受了实践的检验,并且已经应用在冶金、建筑、机械、环保等多个行业得到了推广。它集成了数据采集、历史保存、报警处理、数据共享、流程显示等多方面的功能。不仅提供强大的实时监控功能和丰富的画面生成、记录、报警等功能,具有开放式的用户界面,并支持网络功能,在实现在线监视与控制功能的同时,还能实现在线修改,这为诸如既有牵引变电所远动功能改造等项目中缩短调试和开发周期又提供了另一可靠保证。
   功能分析:
   SCL级的功能主要通过屏幕显示和人机对话方式来实现,按照上述方式进行系统配置,可以实现无键盘全鼠标式操作,在运行现场减少了人为操作对计算机系统运行的影响。主要功能可以达到以下几个方面:
   (1) 屏幕显示与人机对话:显示系统总目录,主结线,主变运行状态及运行参数图,牵引变电所实时运行参数表及历史运行参数表,定值表、密码等级设定及输入,电度表,实时动态参数棒图、曲线,模拟指针式和数字式仪表,控制与操作画面,自动功能投切画面,事故、故障、越限、操作、事件信息及历史记录,SOE表,各种日报表、月报表、查灯信息等。
   (2) 记录、制表、打印功能:实现运行日志定点打印及召唤打印,事故、故障、越限、操作、事件等可随机打印及存入历史数据库和历史记录中,并完成日报、月报以及年报表的制表和数据生成,所有实时、历史记录均可召唤打印。
   (3) 报警功能:可将报警内容分级、分类并设置成不同的报警方式。例如,对事故,故障(包括监控系统内部故障),断路器分合闸,变压器过负荷、馈线过流等越限,一次侧三相电流不平衡,误操作等各种事件分级分类报警,报警方式分语音报警(通过多媒体声卡)、打印报警、屏幕显示报警,三种方式可任意组合应用于同一事件中。
   (4) 故障数据收集与记录:远动系统的主要目标之一是防止系统事故,而一旦出现事故,当时的记录将是分析事故和预防事故的宝贵资料。因此,故障数据的收集与记录是远动系统的重要功能之一。故障数据的收集与记录可分为顺序事件记录SOE(Sequence Of Events)和事故追忆PDR(Post Disturbance Review)两部分。
   顺序事件记录SOE:牵引变电所内开关变位和继电保护等状态量出现变化时,通常要按时间(内部时钟)准确加以记录,时间分辨率要求较高,这对分析故障是很重要的。要作到较好的时间分辨率(毫秒级),利用SCL级完成是比较困难的,一般应采用LCL级硬件设备(如RTU、PLC等)进行顺序记录,并与SCL级计算机保持时钟同步,SOE记录结果在SCL级的人机界面上进行反映,SCL级可采用事件表的形式滚动存放SOE数据。SOE正常状态下以较长的周期、较低的优先级作为SCADA正常扫描的一部分,一旦出现SOE所涉及的状态量变化,立即提高其优先级,顺序记录事件信息,用于事后追查和分析事故。尤其对于复杂事故,故障过程的专家系统分析,必须有SOE的支持。
   事故追忆PDR:事故追忆PDR功能用于连续记录事故前后的量测数据和状态数据。一旦出现规定的事件,连续记录的数据就送到专门的存储区PDR区内,PDR循环采集规定的数据集合或相关量测量值,循环周期由数秒到数分,利用PDR区存储的数据,可以“实时”再现事故过程的参数及状态变化情况。
   (5) 与调度中心的通讯:SCL级通过MODEM或计算机通讯接口接入通道实现与调度中心的通讯,一方面将牵引变电所内的运行情况上送到调度中心,另一方面,调度中心向牵引变电所发送控制命令以及对各种控制参数进行修改,实现远方远动功能和全局性调度控制。
   (6) 与继电保护的联接并进行信息交换:牵引变电所的远动和自动化系统一般应能反映继电保护的信息和数据,以便为综合自动化系统奠定基础。对既有牵引变电所远动功能的改造也应实现这一目标。具备微机保护系统的既有牵引变电所,可以采用计算机通讯级的联接,将保护的主要内容反映在SCL级人机界面,进而还可以进一步完成保护定值的监视和设定等功能;不具备微机保护系统的既有牵引变电所,应将保护的主要状态量通过DI(开关量输入)的形式,由LCL级硬件设备采样并反映在远动与自动化系统中。
   (7) 自动功能:既有牵引变电所远动系统改造所实现的自动功能主要由现场设备的具体情况决定。自动功能主要包括:对可以利用分接头进行有载调压的变压器,采用遥控操作变压器分接头的方式实现电压的自动调节;对具有多组补偿电容器并可独立投切的牵引变电所,采用遥控操作方式自动投切;电压和无功综合调节的原则按“九域图”的规则进行。当某段母线因故失去工作电源,则由远动系统自动合母联开关,投入备用电源,以维持该段母线供电的连续性,备用电源的自动投入闭锁条件(如无压侧系统无事故信号,主变后备保护未动作,与线路重合闸配合整定等)由SCL级设置。