牽引變壓器經(jīng)濟運行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

賴惠鴿 朱學軍

(寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021)

牽引變壓器經(jīng)濟運行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

賴惠鴿 朱學軍

(寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021)

針對電氣化鐵路普速路網(wǎng)上各類列車混和開行，導致牽引變電所牽引變壓器的過負荷保護頻繁動作的問題，應用組態(tài)軟件特性，就牽引變壓器經(jīng)濟運行下的功率損耗展開組態(tài)設(shè)計。構(gòu)造了面向?qū)ο蟮墓こ炭蚣埽ㄟ^定義數(shù)據(jù)對象、制作圖形界面等,實現(xiàn)了對指標的實時/歷史數(shù)據(jù)與曲線的獲取，組態(tài)配置出高性能、高可靠性、高度專業(yè)化的牽引變壓器監(jiān)測系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的牽引變壓器經(jīng)濟運行，監(jiān)測系統(tǒng)滿足牽引變壓器經(jīng)濟運行狀態(tài)評估要求的數(shù)據(jù)和流程的可視化，特別適用于牽引變壓器保護監(jiān)控的數(shù)字化改造。

牽引變壓器 經(jīng)濟運行 功率損耗 監(jiān)測 組態(tài)

0 引言

伴隨著中國區(qū)域經(jīng)濟的互聯(lián)，高速鐵路網(wǎng)也在區(qū)域中越建越多，但還未形成全國專網(wǎng)的規(guī)模。在中國的西部和中東部的部分地區(qū)，普速路網(wǎng)開行高速列車，對普速電氣化鐵路牽引供電能力是一個非常大的考驗。近年來，國內(nèi)外多位學者專家相關(guān)研究也不斷發(fā)表[1～8]。形成共識的是：高鐵、動車和重載牽引列車的借道開行，使普速鐵路網(wǎng)的牽引負荷設(shè)計能力迅速飽和或近期超過設(shè)計遠期目標，惡化了電氣化鐵路牽引供電的不間斷供電能力與供電質(zhì)量，進而干擾了路網(wǎng)的正常運行秩序，同時增大了地方供電系統(tǒng)的容量開銷。文獻[1]～[3]更關(guān)注如何在不改變牽引變壓器容量的基礎(chǔ)上，合理確定牽引變壓器過負荷倍數(shù)，調(diào)整保護整定，改進列車追蹤間隔。文獻[4]～[6]提出過負荷與牽引變壓器壽命損失有關(guān)[4]，需要提高牽引變壓器容量[5]，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)健康監(jiān)測與評估中更需要將牽引變壓器的監(jiān)控納入其中[6-7]，但對牽引變壓器與牽引負荷的節(jié)電運行機理和監(jiān)視控制分析較少。

文獻[8]提出在變壓器狀態(tài)評估中，除了狀態(tài)量(試驗數(shù)據(jù)、運行信息、歷史數(shù)據(jù)、家族缺陷)的靜態(tài)數(shù)值外，部分狀態(tài)量的變化趨勢也是影響狀態(tài)評估結(jié)果的重要因素。將變壓器的在線檢測與狀態(tài)評估有機結(jié)合起來，將有助于提高狀態(tài)評估的時效性和準確性。文獻[9]從變壓器經(jīng)濟運行的角度提出變壓器經(jīng)濟壽命的概念，指出對變壓器經(jīng)濟壽命進行定量評估，可通過動態(tài)比較，清晰獲得運行變壓器在不同時間、不同負載特性、不同運行方式等因數(shù)實施后最佳經(jīng)濟壽命的管理理念。

本文以前期對牽引變壓器經(jīng)濟運行的機理分析為基礎(chǔ)[10-11]，借助于嵌入式組態(tài)軟件“所見即所得”的優(yōu)勢，以某牽引變電所為例，設(shè)計并實現(xiàn)了某牽引變壓器的經(jīng)濟運行監(jiān)控系統(tǒng)。模擬仿真結(jié)果不僅實現(xiàn)了牽引變壓器運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)和實時曲線的在線顯示，還可保存歷史數(shù)據(jù)與歷史曲線，再現(xiàn)過往工況牽引變壓器部分狀態(tài)量的變化趨勢。仿真結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)可以滿足電氣化鐵路牽引變壓器經(jīng)濟運行的數(shù)據(jù)與流程的監(jiān)控，驗證了監(jiān)控系統(tǒng)的有效性。

1 MCGS組態(tài)系統(tǒng)簡介

MCGS組態(tài)軟件具有豐富的動畫組態(tài)、開放的可擴充接口和實時的數(shù)據(jù)庫,軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應用系統(tǒng)。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的MCGS 組態(tài)工程，以用戶指定的方式運行，并進行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標和功能。

組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫區(qū)所存儲的單元，不單單是變量的數(shù)值，還包括變量的特征參數(shù)(屬性)及對該變量的操作方法，即數(shù)據(jù)對象。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，為其他部分提供服務(wù)，提供系統(tǒng)各個功能部件的數(shù)據(jù)共享。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫完成了MCGS系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，一旦組態(tài)工作完成，運行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫就可以離開組態(tài)環(huán)境而獨立運行在監(jiān)控計算機上。

MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構(gòu)成。每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

2 實例設(shè)計

在開始組態(tài)工程系統(tǒng)實例之前，先對該工程進行剖析，以便從整體上把握工程的結(jié)構(gòu)、流程、需實現(xiàn)的功能及如何實現(xiàn)這些功能。本實例設(shè)計經(jīng)驗，很多初次接觸該軟件的人員，對這一步認識不足，到后期調(diào)試階段，刪減變量會出現(xiàn)很多差強人意的問題。因此，應該在充分理解工程背景和工程流程后進行組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 實例簡介

實例牽引變壓器參數(shù)如表1所示。

表1 實例牽引變壓器參數(shù)

以同容量不同型號牽引變壓器和不同容量相同型號變壓器在不同負載下的有功功率損耗、無功功率損耗、綜合功率損耗，以及臨界功率下的有功功率損耗/綜合功率損耗實時數(shù)據(jù)和實時曲線顯示為目的，要求有變壓器運行的工況畫面，操作符合現(xiàn)場的電氣控制要求，再現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線，具備安全機制，登錄系統(tǒng)要求設(shè)置權(quán)限管理。

2.2 構(gòu)造監(jiān)測系統(tǒng)框架

7個用戶窗口：封面、變壓器經(jīng)濟運行、實時數(shù)據(jù)與曲線1～3、歷史報表、歷史曲線。允許圖元、圖符和動畫構(gòu)件3種圖形對象。允許7個窗口均處于打開狀態(tài)，也可以讓一個用戶窗口在頂部作為工具條，或放在底部作為狀態(tài)條。

7個主菜單：系統(tǒng)管理、變壓器經(jīng)濟運行、實時數(shù)據(jù)與曲線1～3、歷史報表、歷史曲線。主控窗口包含系統(tǒng)菜單、系統(tǒng)參數(shù)、啟動參數(shù)等，它確定了測控工程的總體輪廓和運行流程。

4個子菜單：登錄用戶、退出登錄、用戶管理、修改密碼。確定操作員、管理員和軟件維護等人員登錄和操作權(quán)限，保證現(xiàn)場實施后杜絕誤操作、越權(quán)限操作。

4個策略：啟動策略、退出策略、循環(huán)策略、歷史數(shù)據(jù)。策略是對系統(tǒng)運行流程實現(xiàn)有效控制的手段。策略本身只是系統(tǒng)提供的一個框架，策略條件和功能塊組成的策略行實現(xiàn)對系統(tǒng)運行流程的有效控制。

2.3 數(shù)據(jù)對象統(tǒng)計

相對于上千個變量的牽引變電站級監(jiān)控軟件和上萬個變量的調(diào)度指揮中心級監(jiān)控軟件，針對牽引變壓器經(jīng)濟運行的組態(tài)軟件具有軟件容量開銷小、組態(tài)周期短、實效性強的特點。軟件點數(shù)信息如表2所示。

表2 軟件點數(shù)信息

2.4 圖形制作

2.4.1 變壓器經(jīng)濟運行窗口

① 變壓器、高壓開關(guān)、低壓開關(guān)：由對象元件庫引入。主要體現(xiàn)牽引變電所投入牽引變壓器時由高壓側(cè)到低壓側(cè)、切除牽引變壓器時由低壓側(cè)到高壓側(cè)的電氣規(guī)則。針對高壓進線T接，牽引變壓器冷備用，可以短時并接投切，實現(xiàn)垂直供電和交叉供電兩種方式。設(shè)牽引變壓器、高壓開關(guān)和電壓開關(guān)各2組，就可以實現(xiàn)牽引變電站牽引變壓器高低壓側(cè)投切的電氣閉鎖與控制。以上功能牽引變電所值班員可以操作，也可以由管理員操作兩條垂直供電方式進行不同牽引變壓器的指標比較。

② 電流通路：通過流動塊構(gòu)件實現(xiàn)。一旦系統(tǒng)運行打開此窗口后，流動塊動態(tài)顯示，好似電流通路流動起來，視覺效果好。

③ 變壓器負載率、主變壓器容量控制：通過滑動輸入器實現(xiàn)。牽引變壓器負載率的變化范圍目前在0～1之間，容量在0～50 MV之間。使用中容量50 MV的牽引變壓器的經(jīng)濟負載率為30%左右，初期運行負載率僅為28%，則按此類牽引變壓器2倍的過載極限設(shè)定50 MV容量上限。

④ 變壓器負載率、主變壓器容量、低壓開關(guān)1、低壓開關(guān)2、高壓開關(guān)1、高壓開關(guān)2、5個數(shù)據(jù)與圖表的顯示：通過標簽構(gòu)件實現(xiàn)。

2.4.2 數(shù)據(jù)顯示窗口

① 實時數(shù)據(jù)：通過自由表格構(gòu)件實現(xiàn)。

② 歷史數(shù)據(jù)：通過歷史表格構(gòu)件實現(xiàn)。

③ 實時曲線：通過實時曲線構(gòu)件實現(xiàn)

④ 歷史曲線：通過歷史曲線構(gòu)件實現(xiàn)。

2.5 流程控制

系統(tǒng)流程控制通過循環(huán)策略中的腳本程序策略塊實現(xiàn)。運行策略的這種結(jié)構(gòu)形式類似于PLC系統(tǒng)的梯形圖編程語言，但更加圖形化，更加面向?qū)ο蠡Ｋ墓δ鼙容^復雜，實現(xiàn)過程相對簡單。編程語法類似于普通的Basic語言，在后臺由獨立的線程來處理。

2.6 安全機制

系統(tǒng)安全通過用戶權(quán)限管理、工程安全管理、腳本程序?qū)崿F(xiàn)。實例通過工程密碼實現(xiàn)工程安全管理。通過設(shè)置用戶組和用戶的概念來進行操作權(quán)限的控制。

2.7 組態(tài)檢查

錯誤的組態(tài)會導致各種無法預料的結(jié)果，要養(yǎng)成檢查組態(tài)準確性的好習慣。對各個環(huán)節(jié)隨時檢查，存盤前進行組態(tài)檢查，全部組態(tài)工作完成后，對整個文件進行統(tǒng)一組態(tài)檢查，出現(xiàn)問題及時糾正。

3 仿真實現(xiàn)

即便整個文件通過組態(tài)檢查，轉(zhuǎn)入組態(tài)運行環(huán)境后，也要進行綜合測試檢查。成功通過通信測試，工程下載無誤后，方可進行模擬仿真運行。實時數(shù)據(jù)曲線與歷史報表曲線如圖1～圖2所示。

圖1 實時數(shù)據(jù)與曲線

圖2 歷史報表與曲線

4 結(jié)束語

針對電氣化鐵路牽引變壓器經(jīng)濟運行分析的能耗指標量化和變化趨勢再現(xiàn)等問題，組態(tài)設(shè)計了一種基于能耗分析的牽引變壓器經(jīng)濟運行監(jiān)控系統(tǒng)。通過實例驗證，其優(yōu)點是通過歷史報表和歷史曲線可以再現(xiàn)過程工況(負荷率和變壓器容量兩個自變量)下的各種功率損耗數(shù)據(jù)和變化趨勢。

該組態(tài)軟件接口外部設(shè)備豐富，嵌入系統(tǒng)接口便利，既減少了整個牽引供電調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的容量開銷，又可滿足過負荷牽引變壓器經(jīng)濟運行評估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和流程的可視化要求。

對普速電氣化鐵路擴容提速、借道開行高速動車、重載列車的牽引變壓器狀態(tài)評估，能夠縮短軟件開發(fā)周期，減少成本投入，有效提升評估的時效性，不失為變壓器保護監(jiān)控數(shù)字化升級改造的優(yōu)選方案。下一步的研究方向就是外接數(shù)據(jù)庫的導入和組態(tài)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)二次處理。

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Design of the Monitoring System for Economic Operation of Traction Transformer

In electrified railway + normal speed road network system, mixed operation of all kinds of trains may lead to frequent action of the overload protection of traction transformer in traction substation. By applying the features of configuration software, the configuration design is carried out for power loss of the traction transformer under economic operation. The object-oriented engineering framework is constructed, through defining data object, making the graphic interface, the real time / historical data and curves of the indexes are obtained, thus the high performance, high reliability, highly specialized traction transformer monitoring system is configured. The results of simulation show that the monitoring system designed satisfies the requirement of visualization of the data and process for economic operation state evaluation, it is suitable for digitized retrofit of the protection and monitoring for traction transformer.

Traction transformer Economic operation Power loss Monitoring Configuration

寧夏自然科學基金資助項目(編號：NZ12139)。

賴惠鴿(1971-)，女，2000年畢業(yè)于華東理工大學控制工程專業(yè)，獲碩士學位，教授；主要從事牽引供電自動化與PLC等方面的教學與研究。

TM421

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504007

修改稿收到日期：2014-11-12。