牽引變電所綜合信息采集系統研究

毛銳，熊列彬，陳誠

(西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

1 引言

隨著電氣化鐵路的發展，牽引變電站也迎來了發展的機遇。我國鐵路的發展使得供電的規模越來越大，結構越來越復雜，不同區域之間的互聯也越來越緊密，能量管理系統和數據采集監控系統在變電站中得到了廣泛的應用，這就使得系統中所發生的故障對系統本身的影響也隨之擴大，因此牽引供電系統故障診斷研究具有重要的現實意義。為了適應各種簡單和復雜事故情況下故障的快速、準確識別，需要牽引供電系統故障診斷系統進行決策參考。牽引變電所綜合信息采集系統作為牽引變電所內部電氣參數和動態過程記錄的重要設備，它不僅可以記錄短路故障時所內電流、電壓、有功無功的全過程變化現象，也可以記錄牽引變電所正常運行時的有關電氣參數和非電氣參數。

信息采集系統所記錄的錄波數據為牽引變電所內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，在事故的調查和分析中將發揮重要的作用。另外，信息采集裝置還可用于了解牽引供電系統暫態過程中系統各電氣參數的變化過程，以及檢驗牽引供電系統計算程序及模型參數的正確性。

基于IEC61850標準通信協議的牽引變電所數字化故障錄波裝置是數字變電站信息采集系統的核心裝置。而國內大部分地區的鐵路系統還沒有像電力系統一樣的變電所綜合信息故障處理系統，故障原因得不到解決將造成保護裝置誤動、拒動影響鐵路系統穩定性、安全性。

2 系統功能及結構

多數變電站已安裝或即將建設各類自動化子系統，如:綜合自動化系統、電能計量系統、故障信息管理系統、電能質量監測系統、火災報警系統、防誤操作閉鎖系統、圖像監控系統和在線監測系統等，智能變電站需要全部或部分接入這些系統。而將這些系統信息統一起來集中處理就是綜合信息采集系統的主要功能。牽引變電所控制系統框圖如圖1所示。

3 牽引供電系統與電力系統錄波的區別

在電力系統中，錄波器是狀態顯示、信息分析和處理的重要設備，通過對電力系統中各電量的實時波形進行監測與分析可以準確反映出系統的運行狀態，對預防、分析和處理故障等有及其重要的意義。為保證電力系統的安全穩定運行，故障錄波裝置已經成為電力系統自動化控制與管理系統的重要組成部分。

圖1 牽引變電所控制系統框圖

而在牽引供電系統中錄波器的應用時間較電力系統中更短，特別是國內鐵路應用只是在近幾年才開始。牽引供電系統與一般供電系統相比，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負荷不平衡，產生較大的負序電流和負序電壓;直流負載會產生大量的高次諧波，給電力系統帶來諧波危害;并且還會產生嚴重的電磁干擾;②供電電壓不同于國家電網規定的額定電壓。(BT－27.5kV，AT－55kV);③供電網不同于電力網，它是通過與電力機車接觸而供電－接觸網;④具有獨特的回流通路(架空回流、軌回流和地回流)。以上特點導致牽引供電系統在正常運行時發生故障的概率要比電力系統中大，因此牽引供電系統中實時記錄故障數據更為重要，牽引供電系統不能直接使用電力系統的故障錄波器，而需要設計符合自身特點的錄波方案。

4 故障錄波系統研究

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。系統總體框圖如圖2所示。

圖2 綜合信息采集系統總體框圖

故障錄波系統中下位機硬件部分由通信采集模塊和數據分析模塊構成，其中通信采集模塊是整個裝置的核心，基于IEC61850通信協議，硬件結構如圖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采集開關量;LAN3為GPS時鐘對時;LAN4完成其他信息管理系統的通信;LAN5完成網絡存儲器的交互。而數據分析模塊的主要功能是完成故障啟動定值管理、故障數據格式轉換、故障錄波波形分析及數據通信等功能。

故障錄波系統中上位機硬件部分主要由PC機構成，軟件部分為了增強對故障信息的分析能力，我們可以應用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。軟件系統結構框圖如4所示。

圖4 上位機軟件系統結構框圖

5 結束語

本文主要對牽引變電所故障信息處理系統進行研究，闡述了牽引變電系統對故障錄波系統的特殊要求并結合其特點提出了下位機硬件結構方案和上位機軟件結構方案。未來的一段時間，牽引變電所將迎來大的發展，數字化和智能化水平將不斷提高。故障錄波系統方面我們需要借鑒電力系統的成熟技術，靈活應用到牽引變電所，提高牽引變電所的安全系數，為真正實現數字化牽引變電站奠定基礎。

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