牽引變壓器經濟運行監測系統設計

賴惠鴿 朱學軍

(寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021)

牽引變壓器經濟運行監測系統設計

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，應用組態軟件特性，就牽引變壓器經濟運行下的功率損耗展開組態設計。構造了面向對象的工程框架，通過定義數據對象、制作圖形界面等,實現了對指標的實時/歷史數據與曲線的獲取，組態配置出高性能、高可靠性、高度專業化的牽引變壓器監測系統。仿真結果表明，所設計的牽引變壓器經濟運行，監測系統滿足牽引變壓器經濟運行狀態評估要求的數據和流程的可視化，特別適用于牽引變壓器保護監控的數字化改造。

牽引變壓器 經濟運行 功率損耗 監測 組態

0 引言

伴隨著中國區域經濟的互聯，高速鐵路網也在區域中越建越多，但還未形成全國專網的規模。在中國的西部和中東部的部分地區，普速路網開行高速列車，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，國內外多位學者專家相關研究也不斷發表[1～8]。形成共識的是：高鐵、動車和重載牽引列車的借道開行，使普速鐵路網的牽引負荷設計能力迅速飽和或近期超過設計遠期目標，惡化了電氣化鐵路牽引供電的不間斷供電能力與供電質量，進而干擾了路網的正常運行秩序，同時增大了地方供電系統的容量開銷。文獻[1]～[3]更關注如何在不改變牽引變壓器容量的基礎上，合理確定牽引變壓器過負荷倍數，調整保護整定，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[4]，需要提高牽引變壓器容量[5]，設備狀態監測網絡或系統健康監測與評估中更需要將牽引變壓器的監控納入其中[6-7]，但對牽引變壓器與牽引負荷的節電運行機理和監視控制分析較少。

文獻[8]提出在變壓器狀態評估中，除了狀態量(試驗數據、運行信息、歷史數據、家族缺陷)的靜態數值外，部分狀態量的變化趨勢也是影響狀態評估結果的重要因素。將變壓器的在線檢測與狀態評估有機結合起來，將有助于提高狀態評估的時效性和準確性。文獻[9]從變壓器經濟運行的角度提出變壓器經濟壽命的概念，指出對變壓器經濟壽命進行定量評估，可通過動態比較，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實施后最佳經濟壽命的管理理念。

本文以前期對牽引變壓器經濟運行的機理分析為基礎[10-11]，借助于嵌入式組態軟件“所見即所得”的優勢，以某牽引變電所為例，設計并實現了某牽引變壓器的經濟運行監控系統。模擬仿真結果不僅實現了牽引變壓器運行狀態的實時數據和實時曲線的在線顯示，還可保存歷史數據與歷史曲線，再現過往工況牽引變壓器部分狀態量的變化趨勢。仿真結果表明，監控系統可以滿足電氣化鐵路牽引變壓器經濟運行的數據與流程的監控，驗證了監控系統的有效性。

1 MCGS組態系統簡介

MCGS組態軟件具有豐富的動畫組態、開放的可擴充接口和實時的數據庫,軟件系統包括組態環境和運行環境兩個部分。組態環境相當于一套完整的工具軟件，幫助用戶設計和構造自己的應用系統。運行環境則按照組態環境中構造的MCGS 組態工程，以用戶指定的方式運行，并進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能。

組態結果數據庫區所存儲的單元，不單單是變量的數值，還包括變量的特征參數(屬性)及對該變量的操作方法，即數據對象。組態結果數據庫采用面向對象的技術，為其他部分提供服務，提供系統各個功能部件的數據共享。組態結果數據庫完成了MCGS系統從組態環境向運行環境的過渡，一旦組態工作完成，運行環境和組態結果數據庫就可以離開組態環境而獨立運行在監控計算機上。

MCGS組態軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成。每一部分分別進行組態操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

2 實例設計

在開始組態工程系統實例之前，先對該工程進行剖析，以便從整體上把握工程的結構、流程、需實現的功能及如何實現這些功能。本實例設計經驗，很多初次接觸該軟件的人員，對這一步認識不足，到后期調試階段，刪減變量會出現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系統設計。

2.1 實例簡介

實例牽引變壓器參數如表1所示。

表1 實例牽引變壓器參數

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據和實時曲線顯示為目的，要求有變壓器運行的工況畫面，操作符合現場的電氣控制要求，再現歷史數據和歷史曲線，具備安全機制，登錄系統要求設置權限管理。

2.2 構造監測系統框架

7個用戶窗口：封面、變壓器經濟運行、實時數據與曲線1～3、歷史報表、歷史曲線。允許圖元、圖符和動畫構件3種圖形對象。允許7個窗口均處于打開狀態，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條。

7個主菜單：系統管理、變壓器經濟運行、實時數據與曲線1～3、歷史報表、歷史曲線。主控窗口包含系統菜單、系統參數、啟動參數等，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限，保證現場實施后杜絕誤操作、越權限操作。

4個策略：啟動策略、退出策略、循環策略、歷史數據。策略是對系統運行流程實現有效控制的手段。策略本身只是系統提供的一個框架，策略條件和功能塊組成的策略行實現對系統運行流程的有效控制。

2.3 數據對象統計

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

表2 軟件點數信息

2.4 圖形制作

2.4.1 變壓器經濟運行窗口

① 變壓器、高壓開關、低壓開關：由對象元件庫引入。主要體現牽引變電所投入牽引變壓器時由高壓側到低壓側、切除牽引變壓器時由低壓側到高壓側的電氣規則。針對高壓進線T接，牽引變壓器冷備用，可以短時并接投切，實現垂直供電和交叉供電兩種方式。設牽引變壓器、高壓開關和電壓開關各2組，就可以實現牽引變電站牽引變壓器高低壓側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：通過流動塊構件實現。一旦系統運行打開此窗口后，流動塊動態顯示，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。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倍的過載極限設定50 MV容量上限。

④ 變壓器負載率、主變壓器容量、低壓開關1、低壓開關2、高壓開關1、高壓開關2、5個數據與圖表的顯示：通過標簽構件實現。

2.4.2 數據顯示窗口

① 實時數據：通過自由表格構件實現。

② 歷史數據：通過歷史表格構件實現。

③ 實時曲線：通過實時曲線構件實現

④ 歷史曲線：通過歷史曲線構件實現。

2.5 流程控制

系統流程控制通過循環策略中的腳本程序策略塊實現。運行策略的這種結構形式類似于PLC系統的梯形圖編程語言，但更加圖形化，更加面向對象化。所包含的功能比較復雜，實現過程相對簡單。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

系統安全通過用戶權限管理、工程安全管理、腳本程序實現。實例通過工程密碼實現工程安全管理。通過設置用戶組和用戶的概念來進行操作權限的控制。

2.7 組態檢查

錯誤的組態會導致各種無法預料的結果，要養成檢查組態準確性的好習慣。對各個環節隨時檢查，存盤前進行組態檢查，全部組態工作完成后，對整個文件進行統一組態檢查，出現問題及時糾正。

3 仿真實現

即便整個文件通過組態檢查，轉入組態運行環境后，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。實時數據曲線與歷史報表曲線如圖1～圖2所示。

圖1 實時數據與曲線

圖2 歷史報表與曲線

4 結束語

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

該組態軟件接口外部設備豐富，嵌入系統接口便利，既減少了整個牽引供電調度系統監控系統的容量開銷，又可滿足過負荷牽引變壓器經濟運行評估系統的數據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評估，能夠縮短軟件開發周期，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控數字化升級改造的優選方案。下一步的研究方向就是外接數據庫的導入和組態數據庫的數據二次處理。

[1] 王永.牽引供電系統在長期過負荷狀態下的策略分析[J].鐵道工程學報，2012(5):54-57.

[2] 張芳.重載鐵路牽引主變壓器過負荷能力淺析[J].電氣開關，2014(1)：99-102.

[3] 王榮立.牽引變電所主變過負荷分析及對策[J].牽引供電,2013(2):131-133.

[4] 何占元.龍宮牽引變電所牽引變壓器壽命損失分析[J].牽引供電,2013(2):111-115.

[5] 王琦，解紹鋒，馮金博.電氣化鐵道牽引供電系統電壓水平評估[J].電力系統及其自動化學報，2014，26(1):53-56.

[6] 章健軍，成浩，謝偉紅,等.變電站設備狀態在線監測網絡的研究[J].低壓電器，2013(11):50-54.

[7] 程宏波，何正友，母秀清.基于多層免疫模型的高鐵牽引供電系統健康監測與評估[J].電網技術，2012,36(9):95-101.

[8] 阮羚,謝齊家,高勝友,等.人工神經網絡和信息融合技術在變壓器狀態評估中的應用[J].高電壓技術，2014,40(3):822-828.

[9] 姜益民.淺談變壓器運行壽命[J].變壓器，2013,50(12):34-38.

[10]賴惠鴿,朱學軍,俞金壽.基于PLC的配電變壓器保護系統設計[J].自動化儀表，2009，30(9):52-55.

[11]賴惠鴿,朱學軍,俞金壽.牽引變壓器經濟運行的分析與計算[J].微計算機信息，2009，25(5):307-310.

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年畢業于華東理工大學控制工程專業，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。