牵引变压器经济运行监测系统设计

赖惠鸽 朱学军

(宁夏大学机械工程学院,宁夏 银川 750021)

牵引变压器经济运行监测系统设计

赖惠鸽 朱学军

(宁夏大学机械工程学院,宁夏 银川 750021)

针对电气化铁路普速路网上各类列车混和开行，导致牵引变电所牵引变压器的过负荷保护频繁动作的问题，应用组态软件特性，就牵引变压器经济运行下的功率损耗展开组态设计。构造了面向对象的工程框架，通过定义数据对象、制作图形界面等,实现了对指标的实时/历史数据与曲线的获取，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的牵引变压器监测系统。仿真结果表明，所设计的牵引变压器经济运行，监测系统满足牵引变压器经济运行状态评估要求的数据和流程的可视化，特别适用于牵引变压器保护监控的数字化改造。

牵引变压器 经济运行 功率损耗 监测 组态

0 引言

伴随着中国区域经济的互联，高速铁路网也在区域中越建越多，但还未形成全国专网的规模。在中国的西部和中东部的部分地区，普速路网开行高速列车，对普速电气化铁路牵引供电能力是一个非常大的考验。近年来，国内外多位学者专家相关研究也不断发表[1～8]。形成共识的是：高铁、动车和重载牵引列车的借道开行，使普速铁路网的牵引负荷设计能力迅速饱和或近期超过设计远期目标，恶化了电气化铁路牵引供电的不间断供电能力与供电质量，进而干扰了路网的正常运行秩序，同时增大了地方供电系统的容量开销。文献[1]～[3]更关注如何在不改变牵引变压器容量的基础上，合理确定牵引变压器过负荷倍数，调整保护整定，改进列车追踪间隔。文献[4]～[6]提出过负荷与牵引变压器寿命损失有关[4]，需要提高牵引变压器容量[5]，设备状态监测网络或系统健康监测与评估中更需要将牵引变压器的监控纳入其中[6-7]，但对牵引变压器与牵引负荷的节电运行机理和监视控制分析较少。

文献[8]提出在变压器状态评估中，除了状态量(试验数据、运行信息、历史数据、家族缺陷)的静态数值外，部分状态量的变化趋势也是影响状态评估结果的重要因素。将变压器的在线检测与状态评估有机结合起来，将有助于提高状态评估的时效性和准确性。文献[9]从变压器经济运行的角度提出变压器经济寿命的概念，指出对变压器经济寿命进行定量评估，可通过动态比较，清晰获得运行变压器在不同时间、不同负载特性、不同运行方式等因数实施后最佳经济寿命的管理理念。

本文以前期对牵引变压器经济运行的机理分析为基础[10-11]，借助于嵌入式组态软件“所见即所得”的优势，以某牵引变电所为例，设计并实现了某牵引变压器的经济运行监控系统。模拟仿真结果不仅实现了牵引变压器运行状态的实时数据和实时曲线的在线显示，还可保存历史数据与历史曲线，再现过往工况牵引变压器部分状态量的变化趋势。仿真结果表明，监控系统可以满足电气化铁路牵引变压器经济运行的数据与流程的监控，验证了监控系统的有效性。

1 MCGS组态系统简介

MCGS组态软件具有丰富的动画组态、开放的可扩充接口和实时的数据库,软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的MCGS 组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

组态结果数据库区所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数(属性)及对该变量的操作方法，即数据对象。组态结果数据库采用面向对象的技术，为其他部分提供服务，提供系统各个功能部件的数据共享。组态结果数据库完成了MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。

MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

2 实例设计

在开始组态工程系统实例之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。本实例设计经验，很多初次接触该软件的人员，对这一步认识不足，到后期调试阶段，删减变量会出现很多差强人意的问题。因此，应该在充分理解工程背景和工程流程后进行组态系统设计。

2.1 实例简介

实例牵引变压器参数如表1所示。

表1 实例牵引变压器参数

以同容量不同型号牵引变压器和不同容量相同型号变压器在不同负载下的有功功率损耗、无功功率损耗、综合功率损耗，以及临界功率下的有功功率损耗/综合功率损耗实时数据和实时曲线显示为目的，要求有变压器运行的工况画面，操作符合现场的电气控制要求，再现历史数据和历史曲线，具备安全机制，登录系统要求设置权限管理。

2.2 构造监测系统框架

7个用户窗口：封面、变压器经济运行、实时数据与曲线1～3、历史报表、历史曲线。允许图元、图符和动画构件3种图形对象。允许7个窗口均处于打开状态，也可以让一个用户窗口在顶部作为工具条，或放在底部作为状态条。

7个主菜单：系统管理、变压器经济运行、实时数据与曲线1～3、历史报表、历史曲线。主控窗口包含系统菜单、系统参数、启动参数等，它确定了测控工程的总体轮廓和运行流程。

4个子菜单：登录用户、退出登录、用户管理、修改密码。确定操作员、管理员和软件维护等人员登录和操作权限，保证现场实施后杜绝误操作、越权限操作。

4个策略：启动策略、退出策略、循环策略、历史数据。策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。策略本身只是系统提供的一个框架，策略条件和功能块组成的策略行实现对系统运行流程的有效控制。

2.3 数据对象统计

相对于上千个变量的牵引变电站级监控软件和上万个变量的调度指挥中心级监控软件，针对牵引变压器经济运行的组态软件具有软件容量开销小、组态周期短、实效性强的特点。软件点数信息如表2所示。

表2 软件点数信息

2.4 图形制作

2.4.1 变压器经济运行窗口

① 变压器、高压开关、低压开关：由对象元件库引入。主要体现牵引变电所投入牵引变压器时由高压侧到低压侧、切除牵引变压器时由低压侧到高压侧的电气规则。针对高压进线T接，牵引变压器冷备用，可以短时并接投切，实现垂直供电和交叉供电两种方式。设牵引变压器、高压开关和电压开关各2组，就可以实现牵引变电站牵引变压器高低压侧投切的电气闭锁与控制。以上功能牵引变电所值班员可以操作，也可以由管理员操作两条垂直供电方式进行不同牵引变压器的指标比较。

② 电流通路：通过流动块构件实现。一旦系统运行打开此窗口后，流动块动态显示，好似电流通路流动起来，视觉效果好。

③ 变压器负载率、主变压器容量控制：通过滑动输入器实现。牵引变压器负载率的变化范围目前在0～1之间，容量在0～50 MV之间。使用中容量50 MV的牵引变压器的经济负载率为30%左右，初期运行负载率仅为28%，则按此类牵引变压器2倍的过载极限设定50 MV容量上限。

④ 变压器负载率、主变压器容量、低压开关1、低压开关2、高压开关1、高压开关2、5个数据与图表的显示：通过标签构件实现。

2.4.2 数据显示窗口

① 实时数据：通过自由表格构件实现。

② 历史数据：通过历史表格构件实现。

③ 实时曲线：通过实时曲线构件实现

④ 历史曲线：通过历史曲线构件实现。

2.5 流程控制

系统流程控制通过循环策略中的脚本程序策略块实现。运行策略的这种结构形式类似于PLC系统的梯形图编程语言，但更加图形化，更加面向对象化。所包含的功能比较复杂，实现过程相对简单。编程语法类似于普通的Basic语言，在后台由独立的线程来处理。

2.6 安全机制

系统安全通过用户权限管理、工程安全管理、脚本程序实现。实例通过工程密码实现工程安全管理。通过设置用户组和用户的概念来进行操作权限的控制。

2.7 组态检查

错误的组态会导致各种无法预料的结果，要养成检查组态准确性的好习惯。对各个环节随时检查，存盘前进行组态检查，全部组态工作完成后，对整个文件进行统一组态检查，出现问题及时纠正。

3 仿真实现

即便整个文件通过组态检查，转入组态运行环境后，也要进行综合测试检查。成功通过通信测试，工程下载无误后，方可进行模拟仿真运行。实时数据曲线与历史报表曲线如图1～图2所示。

图1 实时数据与曲线

图2 历史报表与曲线

4 结束语

针对电气化铁路牵引变压器经济运行分析的能耗指标量化和变化趋势再现等问题，组态设计了一种基于能耗分析的牵引变压器经济运行监控系统。通过实例验证，其优点是通过历史报表和历史曲线可以再现过程工况(负荷率和变压器容量两个自变量)下的各种功率损耗数据和变化趋势。

该组态软件接口外部设备丰富，嵌入系统接口便利，既减少了整个牵引供电调度系统监控系统的容量开销，又可满足过负荷牵引变压器经济运行评估系统的数据和流程的可视化要求。

对普速电气化铁路扩容提速、借道开行高速动车、重载列车的牵引变压器状态评估，能够缩短软件开发周期，减少成本投入，有效提升评估的时效性，不失为变压器保护监控数字化升级改造的优选方案。下一步的研究方向就是外接数据库的导入和组态数据库的数据二次处理。

[1] 王永.牵引供电系统在长期过负荷状态下的策略分析[J].铁道工程学报，2012(5):54-57.

[2] 张芳.重载铁路牵引主变压器过负荷能力浅析[J].电气开关，2014(1)：99-102.

[3] 王荣立.牵引变电所主变过负荷分析及对策[J].牵引供电,2013(2):131-133.

[4] 何占元.龙宫牵引变电所牵引变压器寿命损失分析[J].牵引供电,2013(2):111-115.

[5] 王琦，解绍锋，冯金博.电气化铁道牵引供电系统电压水平评估[J].电力系统及其自动化学报，2014，26(1):53-56.

[6] 章健军，成浩，谢伟红,等.变电站设备状态在线监测网络的研究[J].低压电器，2013(11):50-54.

[7] 程宏波，何正友，母秀清.基于多层免疫模型的高铁牵引供电系统健康监测与评估[J].电网技术，2012,36(9):95-101.

[8] 阮羚,谢齐家,高胜友,等.人工神经网络和信息融合技术在变压器状态评估中的应用[J].高电压技术，2014,40(3):822-828.

[9] 姜益民.浅谈变压器运行寿命[J].变压器，2013,50(12):34-38.

[10]赖惠鸽,朱学军,俞金寿.基于PLC的配电变压器保护系统设计[J].自动化仪表，2009，30(9):52-55.

[11]赖惠鸽,朱学军,俞金寿.牵引变压器经济运行的分析与计算[J].微计算机信息，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

宁夏自然科学基金资助项目(编号：NZ12139)。

赖惠鸽(1971-)，女，2000年毕业于华东理工大学控制工程专业，获硕士学位，教授；主要从事牵引供电自动化与PLC等方面的教学与研究。

TM421

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504007

修改稿收到日期：2014-11-12。