|
隨著變電所調度自動化技術應用的不斷發展和深入，以及計算機技術、通訊技術等領域的發展，新建牽引變電所的自動功能和遠動功能都在不斷地發展和完善，計算機遠動與自動系統已在新建牽引變電所中得到普遍的應用，電氣化鐵道供電系統的可靠性和現代化程度有了顯著的提高。這主要體現在以下幾個方面：（1）隨著硬件性能的提高和軟件的不斷成熟, 計算機遠動系統的可靠性和穩定性得到了有效的保證；（2）牽引變電所的SCADA功能不斷增強和擴展；（3）調度中心從牽引變電所獲取了更多的信息，能及時地在調度范圍內對牽引變電所實現全局性的遠方監視和調度；（4）變電所綜合自動化、無人值班、少人值守等較新的設計思想和方案在得到不斷應用。上述這些特點雖然使電氣化鐵道牽引供電系統的遠動及自動系統的一次投資較大，但長期經濟效益顯著，現代化水平較高。這樣也就使許多既有牽引變電所在技術上、經濟上和管理水平上產生了明顯的差距。對于多數的既有牽引變電所，尤其是1985年以前建成的牽引變電所，除具備一些簡單的傳統（常規）遠動功能外，幾乎不具備計算機遠動功能和自動功能。這些牽引變電所越來越迫切地面臨著一個決策性的問題，即如何引進先進的計算機遠動系統，如何實現原有牽引變電所遠動功能的改造。
1977年以前，我國建成電氣化鐵路1 028 km，1978～1980年建成650 km，1981年到1985年建成2 506 km，1986～1991年建成約3 800 km，到1996年底，我國的電氣化鐵路運營長度超過10 000 km。在這1萬多公里電氣化鐵路牽引變電所中，1985年以前建成的基本上采用的是傳統遠動方式，即所謂布線邏輯式遠動方式，這種遠動裝置完全由硬件組成，實現簡單的遠動功能。在硬件的構成上有電磁式、晶體管式，以后發展為集成電路元件式。這些裝置按預定的要求進行設計，其裝置的各部分邏輯電路按固定的時序工作，因而不能隨意進行功能擴展，所完成的功能也僅局限于牽引變電所內較有限的“四遙”功能。隨著大規模集成電路的發展和推廣，計算機遠動裝置開始投入，早期的微程序化遠動裝置以片級設計和板級設計為主，直到80年代末期，真正的微機遠動裝置和計算機遠動系統才逐步發展和應用。
從我國牽引變電所遠動功能的現狀看，我國90年代以前，尤其是1985年以前投入的大多數牽引變電所都不同程度地面臨著遠動功能的技術改造問題，這些牽引變電所在我國當前運營的牽引變電所中占有相當大的比例，如果不進行改進和改造，不僅直接影響這些牽引變電所的技術經濟指標，而且對全路電氣化鐵路現代化運營管理水平的提高帶來很大的影響，因此，對這些既有牽引變電所傳統遠動功能的改造問題應引起我們的重視。
既有牽引變電所傳統遠動功能的改造，如果采用新建牽引變電所遠動系統的方案和模式，不僅在投資上給需要改造的牽引變電所帶來很重的負擔，而且，由于既有牽引變電所老設備與新建牽引變電所新投入的設備之間在功能和性能上存在的差異，遠動系統的功能配置上也不盡相同。因而，既有牽引變電所遠動功能技術改造的模式應具有自身的特點：
(1) 面向既有設備與對象，實現基本完善的遠動功能和自動功能，即針對不同牽引變電所的設備情況進行配置和改造，尤其在與設備和對象直接關聯的接口部分，不采用統一結構模式，以保證現有設備的利用率。
(2) 計算機遠動系統配置應盡量簡單化，例如，不采用智能化模擬屏系統，減少工程師工作站，減少培訓工作站，采用高性能設備與元件，以減少冗余設計等，這樣不僅可以簡化系統配置，減少投資，而且，由于元件技術指標的提高和軟件成熟性提高，簡化系統配置也是遠動系統趨于發展的一個新的方向。
(3) 采用集成化、組態化的軟硬件設備，盡量減少全面開發型軟硬件的使用，以縮短改造周期，保證系統的可靠運行。例如，使用組態化的應用軟件，可以大大縮短軟件開發周期，提高軟件運行的可靠性和穩定性，這種方法在電力部門的變電所改造項目中已有了成功的嘗試，可以在牽引變電所的遠動功能改造中借鑒。
既有牽引變電所遠動功能實現的系統結構應采用分層分布式系統DCS（Distributed Control System）或分級控制系統HCS（Hierarchical Control System），將遠動功能分為兩級——牽引變電所控制級SCL（Substation Control Layer）和單元控制級LCL（Local Control Layer）。牽引變電所控制級由計算機及其輔助設備來實現，單元控制級功能由單元設備來實現。單元設備的配置方式可以采用常規RTU單元結構或加強型RTU單元結構，也可以采用底層智能化結構PLC（Programmable Logical Controller），還可以采用智能儀表與RTU或PLC混合配置結構，這主要取決于現場設備和監控對象的具體特點。
牽引變電所控制級SCL實現對單元控制級的監控，提供人機界面，完成各種報表、數據庫、報警、與調度中心通訊等功能。單元控制級LCL主要實現信號采集、控制輸出，如果采用加強型RTU或PLC機構，還可以在單元控制級內實現部分自動功能。
單元控制級LCL
根據現場設備和具體要求，LCL級可以采用RTU或加強型RTU單元結構，或PLC可編程控制器式底層智能化結構，還可以配置智能儀表。PLC內部具有一定數量的內存單元（如有8K、16K、32K等多種內存容量），通過編程后，可以順序執行程序預定的功能，程序修改簡便易行。由PLC來完成部分重要的自動功能較之通過牽引變電所控制級計算機實現相應的功能，在實時性和可靠性方面均能得到更有效的保證。當PLC與計算機之間通訊聯接發生異常時，不影響PLC程序設定功能的實現。智能儀表是一種新型的表計結構，內部由智能芯片和測量機構組成，可以完成對多種電氣量的綜合測量功能，而不需要再使用各種變送器，安裝體積小，功能強。例如，一塊智能儀表可以同時完成對電流、電壓、功率、電能、功率因數的測量任務，并具有通訊接口，可以與計算機接口直接相連或通過規約轉換等與其他智能化設備相連。
LCL完成的主要功能包括：
(1) 數據采集和傳送:數據采集和傳送的內容包括遙信量和遙測量。
(2) 接收和執行控制命令:LCL級控制命令的執行一般采用開關量輸出的形式，可以分別用于控制斷路器的分合閘、主變壓器的調壓（對具有分接頭可以進行有載調壓的變壓器）、無功調整（對具有多組無功功率補償器可以分組投切的牽引變電所）、信號復歸、遙控查燈、消防控制等。在執行控制命令時，為滿足現場操作機構在執行分、合閘等操作時的具體要求，可以增設一級執行繼電器以擴大接點容量及數量。
(3) 通訊功能:LCL級應具有通訊接口，以便聯接遠動通道、牽引變電所級計算機以及當地便攜式計算機，一般可配置2～3個計算機通訊接口。
(4) 自動功能:自動功能的實現與LCL級配置的硬件設備有關，有些自動功能既可以設在LCL級實現，也可以設在SCL級實現。關于牽引變電所的自動功能在下節作進一步討論。
牽引變電所控制級SCL
硬件配置：
SCL應采用工業PC機為基架的配置方式。工業PC機在設計和工藝上具有很強的抗干擾、抗震動、持續穩定運行的能力，且價格較之服務器、工作站、小型機等計算機結構形式具有相當的優勢。以目前良好的工業PC機配置來看，完全可以滿足實現牽引變電所內的遠動和自動功能的要求。在牽引變電所采用的工業PC機及其外設，配置內容大致可包括：主機（工業PC機），顯示器，通訊接口板，MODEM以及打印機、聲卡（用于語音報警和提示）等。
軟件配置：
隨著牽引變電所遠動和自動功能的加強，應用軟件的功能要求越來越高，一般來講，軟件開發和調試的時間也越長，這在新建牽引變電所的遠動功能實施中已有所反映。對于既有牽引變電所遠動功能的改造，對開發與調試（尤其是現場調試）周期的要求更短，這給應用軟件的開發帶來了一定的難度。目前，在國外以及國內電力部門變電所綜合自動化改造項目中，應用軟件的開發采用了一種新的途徑，即是：將應用軟件的開發建立在已有的工業控制軟件平臺基礎上，這不僅大大縮短了應用軟件的開發周期，而且，更有效地保證了軟件的穩定性和可靠性。這種突破將軟件開發的層次由面向過程的開發方式提高到了面向對象的開發層次上。
紫金橋的實時數據庫為快速開發工業控制應用軟件提供了良好平臺，它是在石化行業中得到廣泛應用的計算機人機界面軟件，在長期的運行中經受了實踐的檢驗，并且已經應用在冶金、建筑、機械、環保等多個行業得到了推廣。它集成了數據采集、歷史保存、報警處理、數據共享、流程顯示等多方面的功能。不僅提供強大的實時監控功能和豐富的畫面生成、記錄、報警等功能，具有開放式的用戶界面，并支持網絡功能，在實現在線監視與控制功能的同時，還能實現在線修改，這為諸如既有牽引變電所遠動功能改造等項目中縮短調試和開發周期又提供了另一可靠保證。
功能分析：
SCL級的功能主要通過屏幕顯示和人機對話方式來實現，按照上述方式進行系統配置，可以實現無鍵盤全鼠標式操作，在運行現場減少了人為操作對計算機系統運行的影響。主要功能可以達到以下幾個方面：
(1) 屏幕顯示與人機對話：顯示系統總目錄，主結線，主變運行狀態及運行參數圖，牽引變電所實時運行參數表及歷史運行參數表，定值表、密碼等級設定及輸入，電度表，實時動態參數棒圖、曲線，模擬指針式和數字式儀表，控制與操作畫面，自動功能投切畫面，事故、故障、越限、操作、事件信息及歷史記錄，SOE表，各種日報表、月報表、查燈信息等。
(2) 記錄、制表、打印功能：實現運行日志定點打印及召喚打印，事故、故障、越限、操作、事件等可隨機打印及存入歷史數據庫和歷史記錄中，并完成日報、月報以及年報表的制表和數據生成，所有實時、歷史記錄均可召喚打印。
(3) 報警功能：可將報警內容分級、分類并設置成不同的報警方式。例如，對事故，故障（包括監控系統內部故障），斷路器分合閘，變壓器過負荷、饋線過流等越限，一次側三相電流不平衡，誤操作等各種事件分級分類報警，報警方式分語音報警（通過多媒體聲卡）、打印報警、屏幕顯示報警，三種方式可任意組合應用于同一事件中。
(4) 故障數據收集與記錄：遠動系統的主要目標之一是防止系統事故，而一旦出現事故，當時的記錄將是分析事故和預防事故的寶貴資料。因此，故障數據的收集與記錄是遠動系統的重要功能之一。故障數據的收集與記錄可分為順序事件記錄SOE（Sequence Of Events）和事故追憶PDR（Post Disturbance Review）兩部分。
順序事件記錄SOE：牽引變電所內開關變位和繼電保護等狀態量出現變化時，通常要按時間（內部時鐘）準確加以記錄，時間分辨率要求較高，這對分析故障是很重要的。要作到較好的時間分辨率（毫秒級），利用SCL級完成是比較困難的，一般應采用LCL級硬件設備（如RTU、PLC等）進行順序記錄，并與SCL級計算機保持時鐘同步，SOE記錄結果在SCL級的人機界面上進行反映，SCL級可采用事件表的形式滾動存放SOE數據。SOE正常狀態下以較長的周期、較低的優先級作為SCADA正常掃描的一部分，一旦出現SOE所涉及的狀態量變化，立即提高其優先級，順序記錄事件信息，用于事后追查和分析事故。尤其對于復雜事故，故障過程的專家系統分析，必須有SOE的支持。
事故追憶PDR：事故追憶PDR功能用于連續記錄事故前后的量測數據和狀態數據。一旦出現規定的事件，連續記錄的數據就送到專門的存儲區PDR區內，PDR循環采集規定的數據集合或相關量測量值，循環周期由數秒到數分，利用PDR區存儲的數據，可以“實時”再現事故過程的參數及狀態變化情況。
(5) 與調度中心的通訊:SCL級通過MODEM或計算機通訊接口接入通道實現與調度中心的通訊，一方面將牽引變電所內的運行情況上送到調度中心，另一方面，調度中心向牽引變電所發送控制命令以及對各種控制參數進行修改，實現遠方遠動功能和全局性調度控制。
(6) 與繼電保護的聯接并進行信息交換:牽引變電所的遠動和自動化系統一般應能反映繼電保護的信息和數據，以便為綜合自動化系統奠定基礎。對既有牽引變電所遠動功能的改造也應實現這一目標。具備微機保護系統的既有牽引變電所，可以采用計算機通訊級的聯接，將保護的主要內容反映在SCL級人機界面，進而還可以進一步完成保護定值的監視和設定等功能；不具備微機保護系統的既有牽引變電所，應將保護的主要狀態量通過DI（開關量輸入）的形式，由LCL級硬件設備采樣并反映在遠動與自動化系統中。
(7) 自動功能:既有牽引變電所遠動系統改造所實現的自動功能主要由現場設備的具體情況決定。自動功能主要包括：對可以利用分接頭進行有載調壓的變壓器，采用遙控操作變壓器分接頭的方式實現電壓的自動調節；對具有多組補償電容器并可獨立投切的牽引變電所，采用遙控操作方式自動投切；電壓和無功綜合調節的原則按“九域圖”的規則進行。當某段母線因故失去工作電源，則由遠動系統自動合母聯開關，投入備用電源，以維持該段母線供電的連續性，備用電源的自動投入閉鎖條件（如無壓側系統無事故信號，主變后備保護未動作，與線路重合閘配合整定等）由SCL級設置。 | 
