铁路牵引变电所仿真系统①

向宏典， 王 丰

(1.吉林铁道职业技术学院电气工程系，吉林吉林132001;2.沈阳铁路局吉林供电段，吉林吉林132001)

铁路供电系统的特性决定了不能在实际设备上进行学员培训［1－2］.因此;如何找到一条经济、实用的途径来提高操作人员和维护调试人员的技术水平，保证铁路牵引变电所安全、经济、优质的运行，具有相当大的现实意义.当前国内变电所仿真主要采用两种方案 1，脱机全软件仿真［3］，2，一次采用软件，二次采用真实物理设备［4］，脱机全软件仿真主要用于电网分析;一次采用软件、二次为实物主要为了演示一次设备的动作过程，而高等职业教育的特点是强调对象的真实性，本牵引变电所仿真系统按1:1比例仿真主控室、户外高压场等一次设备，二次微保采用PLC进行仿真，其区别于其它仿真方案的特点是;可进行各种事故的处理演练，实时反映牵引变电所的各种正常运行、异常现象和事故状态，它功能全、造价低、操控简单，适合于职业实训，是理想的运行值班人员、一次设备维护调试人员的培训设备.

1 仿真系统的工作原理

当前铁路供电系统中采用的TA21型铁路牵引变电所安全监控及综合自动化系统是由以32位高性能、高可靠性微处理器为硬件核心组成的成套测量与控制装置;由WKH－892馈线保护测控装置、WBH－892Z主变主保护装置、WBH－892H主变后备保护装置、WDB－892动力变保护测控装置、WBB－892并补保护测控装置、WCK－892通用测控装置、WXH－892信号显示装置等七个单元组成［5］.适用于电气化铁道牵引主变压器高低压侧电气量的测量、开关的控制和状态监测，可以实现高压侧有跨条和无跨条牵引变电所备用电源的自动投入;同时具有负荷录波、网络通信等自动化功能，本仿真系统即对上述二次微保设备进行仿真.

仿真系统的核心为一台PLC或者控制模块，用它完成了真牵引变电所TA21型的6类典型的监控功能，上述方案在保证仿真效果的前提下，大大降低了成本.

各类传感器和执行器、报警电路均采用实物，可以为一、二次检修人员演练，解决了纯软件仿真不能为一、二次维修人员实训的问题，提高了系统的利用率.

显示人机界面的上位机采用一台PC机进行人与仿真系统的交流，其画面由开物软件［6］制作而成，其断路器，隔离开关与现场相对应，真实反应现场的变化，可对现场进行监控.由开物制作的图表，可设置报警上限值，记录断路器变化情况，结构框图如图1所示.PLC用其编程软件，根据IN/OUT输入、输出口，传感器和执行器之间的逻辑关系进行编程，经RS232接口和上位机进行通信，将传感器的信号送至上位机，同时将操控者的键盘信号通过RS232接口送至PLC，通过输出模块送至执行器，命令处理顺序如图2所示;传感器按照设定时间间隔对变化的量进行取样，进入A/D转换，通过PLC送至上位机，上位机将送入信号与按要求设定值进行比较，如果不超设定值，刷新，重新通过传感器采样，重复上述过程;如果超过设定值，上位机通知下位机，输出执行信号给相关执行器，切断相关断路器报警.

图1 仿真系统结构层次示意图

图2 信号命令处理流程图

2 牵引变电所仿真设备的组成

依据以上工作原理设计仿真系统组成如下:

2.1 工业PC机及监控软件

其作用为:对高压场内各路高压断路器，高压隔离开关的工作情况进行监视并在电脑屏幕和模拟屏上进行显示，如图3所示.在正常工作电流下，线条显示为黑色，如果过流，线条显示为红色，超估时屏幕上断路器跳开.在控制方面可以达到用鼠标或者键盘进行切断和合闸的过程，并且屏幕线条颜色发生改变.系统可以对生产过程中的电量(电流、电压、频率等)，进行监控和记录.

图3 仿真牵引变电所总控室模拟板

2.1.1 故障模拟

对于庞大的铁路牵引供电系统而言，快速发现并处理故障，以保证铁路运输安全运行是铁路供电维护人员追求的目标.为此，实现故障模拟应该是仿真系统的必备功能，本设计在归纳和分析铁路牵引供电系统在非正常运行以及各种事故原因的基础上，在controX2000组态软件中通过命令语言构建数据库，在数据库中将接触网的情况、主变差动、油温信号以及各参数的变化(如电流、电压、功率等)和各相关断路器，报警、记录等建立对应关系.仿真系统在运行时可通过两种方式触发模拟故障，既可在故障选项界面由教师或学生设定，也可由随机产生器控制，调出设计的某线路故障及异常现象进行故障模拟实训教学.

2.1.2 数据采集

仿真系统可实时和定时采集现场设备的各参量及开关量状态(电流、功率，频率、电能、温度、开关位置、设备运行状态等，将采集到的数据直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示(总系统功率、负荷最大值、上下限等)，并对重要的信息量进行数据库存储.

2.1.3 负荷趋势曲线分析

仿真系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关实时曲线界面分析当前的负荷运行状况.系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，方便实训人员对监测的设备进行模拟质量分析.

2.1.4 统计报表

仿真系统具有标准的电流、电压和电能报表格式，可自动统计，自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、模拟故障及报警记录报表、操作记录报表等;可以查询和记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，间隔等参数可自行设置;仿真系统设计还可根据教学需求量身定制满足不同要求的报表输出功能，使报表仿真更接近实际报表的格式.

2.1.5 操作记录和故障报警

仿真系统对所有学生操作、开关变位、参量越限及其它操控者实际需求的事件均具有详细的记录功能，包括事件发生的时间位置，当前操控人员事件是否确认等信息，对开关变位、参量越限等信息还具有声音报警功能.

2.2 模拟屏

画面和PC机显示相同，便于众人观看和教学工作，画面中为甲、乙线输入;kn为相关隔离开关与断路器，和高压场实物一一对应，同步动作.

2.3 接口控制柜

用于接受电压、电流互感器送来的信号，对一次电路的电流、电压、频率、变压器的温度等的取样，与设定值进行比较和向上位机汇报，下达动合指令，对高压场中的高压断路器、高压隔离开关的动合进行控制.

2.4 继电保护柜

作用;仿微保单元(WBH－892Z主变主保护装置，WBH－892C主变测控装置，WKH－892馈线保护测控装置，WBB－892并补保护测控装置)等的功能.

3 结论

将数字仿真的二次系统(仿TA21型牵引变电所安全监控及综合自动化系统)以及真实的牵引变电所一次设备、真实的监控室人机界面环境放置于同一仿真系统中，使仿真计算出的各种模拟量和开关量通过信号转接、输出，与真实的一次设备对接、可营造出更加逼真的运行环境非常适合于职业学校学生动手能力的训练和解决问题的能力的提高，帮助学生更加深入地了解牵引变电所自动化设备的运行性能和工作特性;既保证了先进性、灵活性又可根据具体情况增减二次功能和一次设备.如果一次系统采用沙盘的方案即可大大降低投资，功能全、经济、适合于职业学生教学和铁路供电企业职业培训是本仿真系统的特点.

［1］牵引变电所［M］.北京:人民铁道出版社，2008:13－24.

［2］丁宇哲.变电站仿真培训系统研究进展及趋势［J］科技创新导报，2008，34:7 －8.

［3］解大，江建民，许少伦，孟凡青.基于变电站仿真系统的实验教学改革［J］.电气电子教学学报，2009，06:62 －68.

［4］张雨飞，王明春.变电站仿真培训系统［J］.电力自动化设备，200，12:23 －25.

［5］TA21型牵引变电所安全监控及综合自动化系统说明书［M］.成都:西南交大，2009:75－180.

［6］controX2000监控系统软件使用手册［M］.北京:北京华富惠通技术有限公司，2004，2:184 －209.