毛銳，熊列彬，陳誠

(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，牽引變電站也迎來了發(fā)展的機遇。我國鐵路的發(fā)展使得供電的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，不同區(qū)域之間的互聯(lián)也越來越緊密，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)生的故障對系統(tǒng)本身的影響也隨之擴大，因此牽引供電系統(tǒng)故障診斷研究具有重要的現(xiàn)實意義。為了適應(yīng)各種簡單和復(fù)雜事故情況下故障的快速、準確識別，需要牽引供電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)進行決策參考。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)和動態(tài)過程記錄的重要設(shè)備，它不僅可以記錄短路故障時所內(nèi)電流、電壓、有功無功的全過程變化現(xiàn)象，也可以記錄牽引變電所正常運行時的有關(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)故障分析及對各種保護動作行為的分析和評價提供了主要依據(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)過程中系統(tǒng)各電氣參數(shù)的變化過程，以及檢驗牽引供電系統(tǒng)計算程序及模型參數(shù)的正確性。

基于IEC61850標準通信協(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。而國內(nèi)大部分地區(qū)的鐵路系統(tǒng)還沒有像電力系統(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裝置誤動、拒動影響鐵路系統(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)各類自動化子系統(tǒng)，如:綜合自動化系統(tǒng)、電能計量系統(tǒng)、故障信息管理系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(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，通過對電力系統(tǒng)中各電量的實時波形進行監(jiān)測與分析可以準確反映出系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對預(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)定運行，故障錄波裝置已經(jīng)成為電力系統(tǒng)自動化控制與管理系統(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)用時間較電力系統(tǒng)中更短，特別是國內(nèi)鐵路應(yīng)用只是在近幾年才開始。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:①所供負載是一個單相、移動而且是直流的負載。單相負荷將造成電力系統(tǒng)負荷不平衡，產(chǎn)生較大的負序電流和負序電壓;直流負載會產(chǎn)生大量的高次諧波，給電力系統(tǒng)帶來諧波危害;并且還會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾;②供電電壓不同于國家電網(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)，它是通過與電力機車接觸而供電－接觸網(wǎng);④具有獨特的回流通路(架空回流、軌回流和地回流)。以上特點導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)在正常運行時發(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)中實時記錄故障數(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)計符合自身特點的錄波方案。

4 故障錄波系統(tǒng)研究

以一個簡單的牽引變電所為例，兩臺變壓器，一臺供機車用電，一臺自用電，兩路進線，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采集開關(guān)量;LAN3為GPS時鐘對時;LAN4完成其他信息管理系統(tǒng)的通信;LAN5完成網(wǎng)絡(luò)存儲器的交互。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)中上位機硬件部分主要由PC機構(gòu)成，軟件部分為了增強對故障信息的分析能力，我們可以應(yīng)用LabWindws/CVI或LabView來編寫上位機分析軟件，對輸入信號的有效值、功率、諧波分量、相位角和對稱分量分析，以此來確定故障原因制定解決方案。上位機軟件部分要實現(xiàn)的功能有:通信功能、采樣功能、文件存儲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 上位機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)束語

本文主要對牽引變電所故障信息處理系統(tǒng)進行研究，闡述了牽引變電系統(tǒng)對故障錄波系統(tǒng)的特殊要求并結(jié)合其特點提出了下位機硬件結(jié)構(gòu)方案和上位機軟件結(jié)構(gòu)方案。未來的一段時間，牽引變電所將迎來大的發(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)，為真正實現(xiàn)數(shù)字化牽引變電站奠定基礎(chǔ)。

［1］張穎.電力系統(tǒng)便攜式錄波分析軟件的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京交通大學(xué)，2008.

［2］蘇永春，汪曉明.智能變電站全景數(shù)據(jù)采集方案［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(2):75 －79.

［3］楊小磊.基于IEC61850牽引變電所數(shù)字錄波裝置研究［D］.西南交通大學(xué)，2011.5.

［4］李建民，董黎生.變電所綜合信息采集測量系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008.1.