浅谈微机监控及综合自动化在电气化铁道牵引变电中的应用

黄维

前言

相对于内燃机车和蒸汽机车，电力机车在功率、速度、经济效果、能源利用上，都有明显的优势，电气化铁路已经成为现代铁路的主要发展方向。随着电力牵引向高速、重载、大运量发展，牵引变电所和供电系统容量的增大，对于铁路供电的可靠性和供电质量有了更高的要求。而提高供电可靠性和供电质量有效而直接的方法，就是采用综合自动化系统。传统的监控系统和继电保护装置因其存在信息采集、变换、处理、传输，二次系统自检、存储、复读及相互间信息交换、通讯等固有的缺陷，已难以满足现代化电力牵引供电系统的需求。微机技术的完善，其功能、可靠性和处理速度的不断提高，使供变电系统中采用微机监控和微机保护成为现实，国际与国内电力系统的成功运行经验，为电气化铁道牵引变电系统微机监控及综合自动化的应用提供了坚实基础。高速可靠的通信网络和完备的安全监控系统为无人值守创造了条件。

微机监控与综合自动化系统的类型

这里所称的微机监控系统，是指在牵引变电所、分区所、开闭所等变配电系统中应用分布式多微机系统完成一次设备监视、控制、中央信号、数据采集、事件顺序的记录和屏幕显示、打印等功能的监视控制系统。在此基础上，接入微机保护和自动装置（含远动RTU），承担整个变配电系统信息处理、与上层调度通信以及全部监视控制、中央信号和保护自动化功能的一体化综合系统称为变电所综合自动化。变电所微机综合自动化系统的基本构成见图一，这是一个分层分布式多微机系统。

根据监控综合自动化功能的完善程度和技术发展过程，微机监控与综合自动化系统分为三种类型。

微机监控系统（SCS—Microcomputer Based Supervisory Control System）,由监控主机，模拟量和开关量的数据采集处理子系统构成，具有对变电所一次设备执行监视，控制和防误操作，CRT显示，记录报表与打印，中央信号以及和上级调度中心通信的功能，是一个初级化的局域性微机网络。

图一 变电所微机综合自动化系统基本构成框

变电所微机综合自动化系统（IAS—Integrated Automation System for Substation），在SCS中接入监控处理，微机保护子系统，具有全变电所监视、控制、中央信号、远动RTU以及与上级调度中心通信等全部功能的一体化系统，其构成如图一所示。

无人值班变电所综合自动化系统（U I A S—Unmanned Operation and Integrated Automation System for Substation），这是为适应无人值班或无人值守变电所的需要，在IAS中接入了诸如自用电子系统，防灾报警及处理子系统，一次设备机电性能调测子系统等构成的具有远动遥控、遥测、遥信、遥调四遥功能的智能化、自动化程度更高的一体化系统，是现在技术发展的方向。

牵引变电所综合自动化系统的典型结构和主要功能

综合自动化系统有关全局性的功能，如全所监视、控制和远动信息传送接收等，均由上层监控主机系统实现；有关所内的局部性功能，则由下层的功能子系统完成。

1. 监控系统功能

当地监控及通信处理系统作为牵引变电所综合自动化系统的一部分，负责采集与显示牵引变电所内的测控、保护单元的各种测量、保护信息，实现对变电所内的各种开关的分、合控制，信号复归，保护装置的复归与定值整定，并实现相应的报表处理，曲线显示，流水打印等信息处理功能，当地监控与通信处理系统相互独立。在正常情况下，调度端控制命令不需通过当地控制端即可执行操作，这时通过当地控制单元的显示器监视变电所的运行情况，查看各种报表及曲线；当远动失效时，当地控制单元可作为远方控制失效的后备手段在当地进行控制。

当地监控及通信处理系统由当地监控主机、打印机、通信处理单元及GPS组成。为了提高系统的可靠性，牵引变电所综合自动化系统采用双层网结构，远程通信处理单元挂接在第一层环形现场测控网，当地监控系统挂接在第二层以太网，两层网络通过通信处理单元实现现场总线与以太网的连接。

2. 微机保护、故障点测距与录波功能

包括高压线路、主变压器、无功综合补偿装置、自用电交流与直流装置和牵引馈线的成套微机保护及故障测距、故障负荷录波装置，以实现一次设备与变电所主电路运行的常规与特殊保护及信息反馈。

3. 安全监控和自动灭火功能

在无人值班的情况下，通过变电所图像监视、灾害监视报警和自动灭火的功能，以及来确保牵引变电所的安全。

今后综合自动化系统需要解决的问题

1. 保护装置的改进

伴随着继电保护技术的不断发展，电气主设备保护也和线路保护一样经历了电磁式、晶体管式、集成电路式、微机式保护四个阶段，但电气主设备保护的发展却远远滞后于线路保护的发展，电气主设备保护的正确动作率远低于线路保护的水平，其中又以变压器保护的正确动作率为最低。变压器是通过磁场把一次线圈和二次线圈联系在一起具有强非线性数字模型的设备，其内部故障的机理比较复杂，无法像线路保护那样可以比较清楚地分析故障成因及故障过程。目前，变压器依然采用差动保护为主保护，主要在识别励磁涌流的方法上，有很多不同。今后提高变压器保护的正确动作率应该是一个主要研究方向。比较先进的方法有磁通特性识别法、等值电路参数鉴别法、基于变压器回路方程的算法、差有功法等等。

2. 抗干扰问题

关于牵引变电所综合自动化系统的抗干扰问题，亦即所谓的电磁兼容问题，是一个非常被忽视的

方面。牵引变电所综合自动化系统的抗干扰措施是保证综合自动化系统可靠和稳定运行的基础，综合自动化系统应该通过高低温试验、耐湿热试验、雷电冲击电压试验。动模试验，而且还要重点通过四项电磁兼容试验，分别是：1 MHz脉冲干扰试验、静电放电干扰试验、辐射电磁场干扰试验、快速瞬变干扰试验。

3. 传输规约、传输网络和信息交换的问题

牵引变电所和调度中心之间的传输规约。目前国内各个地方情况不统一，牵引变电所和调度中心之间的信息传输采用各种不同形式的规约。对于电能计量采集传输系统，IEC在1996年颁布的IEC 60870-5-102标准，是我们在实施牵引变电所电能计量系统时需要遵守的。目前许多生产厂家各自为政，造成不同厂家设备通信连接的困难和以后维护的隐患，今后牵引变电所综合自动化系统所内协议要求采用103规约。随着最近客运专线接入电力系统220kV系统之后，电力系统调度端和客运专线综合自动化系统的信息交换问题也需要有明确的规定。

4. 产品接口问题

各个厂家生产自动化设备时，应当遵循统一的、开放的数据接口标准，考扩RTU、保护、小电流接地装置、故障录波、无功装置等与通信控制器、通信控制器与主站、通信控制器与模拟盘等设备之间的通信接口。

结束语

微机监控及综合自动化技术在电气化铁道牵引变电中的应用是电气化铁道牵引变电发展的趋势，特别是无人值班变电所的设置将成为发展方向。本文仅简要地介绍了微机监控及综合自动化的功能特点及构成，要实现微机监控及综合自动化所涉及的专业、技术面较广，而且不论是设计，还是运营管理都需要在实践中不断摸索、总结、完善和提高，从而使电气化铁道牵引变电技术不断提高。

贺威俊、高仕斌等. 电力牵引供变电技术,成都:西南交通大学出版社,1998

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钱清泉. 电气化铁道远动技术，北京，中国铁道出版社，1990

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王思华 TA21变电所综合自动化系统，电气时代，2005年第六期