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隨著變電所調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展和深入，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，新建牽引變電所的自動(dòng)功能和遠(yuǎn)動(dòng)功能都在不斷地發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)與自動(dòng)系統(tǒng)已在新建牽引變電所中得到普遍的應(yīng)用，電氣化鐵道供電系統(tǒng)的可靠性和現(xiàn)代化程度有了顯著的提高。
這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）隨著硬件性能的提高和軟件的不斷成熟, 計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到了有效的保證；（2）牽引變電所的SCADA功能不斷增強(qiáng)和擴(kuò)展；（3）調(diào)度中心從牽引變電所獲取了更多的信息，能及時(shí)地在調(diào)度范圍內(nèi)對(duì)牽引變電所實(shí)現(xiàn)全局性的遠(yuǎn)方監(jiān)視和調(diào)度；（4）變電所綜合自動(dòng)化、無(wú)人值班、少人值守等較新的設(shè)計(jì)思想和方案在得到不斷應(yīng)用。上述這些特點(diǎn)雖然使電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)及自動(dòng)系統(tǒng)的一次投資較大，但長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益顯著，現(xiàn)代化水平較高。這樣也就使許多既有牽引變電所在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上和管理水平上產(chǎn)生了明顯的差距。
對(duì)于多數(shù)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(jiǎn)單的傳統(tǒng)（常規(guī)）遠(yuǎn)動(dòng)功能外，幾乎不具備計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)功能和自動(dòng)功能。這些牽引變電所越來(lái)越迫切地面臨著一個(gè)決策性的問(wèn)題，即如何引進(jìn)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)原有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能的改造。
1977年以前，我國(guó)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(guó)的電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度超過(guò)10 000 km。在這1萬(wàn)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(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)方式，即所謂布線邏輯式遠(yuǎn)動(dòng)方式，這種遠(yuǎn)動(dòng)裝置完全由硬件組成，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)動(dòng)功能。在硬件的構(gòu)成上有電磁式、晶體管式，以后發(fā)展為集成電路元件式。這些裝置按預(yù)定的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其裝置的各部分邏輯電路按固定的時(shí)序工作，因而不能隨意進(jìn)行功能擴(kuò)展，所完成的功能也僅局限于牽引變電所內(nèi)較有限的“四遙”功能。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展和推廣，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)裝置開(kāi)始投入，早期的微程序化遠(yuǎn)動(dòng)裝置以片級(jí)設(shè)計(jì)和板級(jí)設(shè)計(jì)為主，直到80年代末期，真正的微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)裝置和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)才逐步發(fā)展和應(yīng)用。
從我國(guó)牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能的現(xiàn)狀看，我國(guó)90年代以前，尤其是1985年以前投入的大多數(shù)牽引變電所都不同程度地面臨著遠(yuǎn)動(dòng)功能的技術(shù)改造問(wèn)題，這些牽引變電所在我國(guó)當(dāng)前運(yùn)營(yíng)的牽引變電所中占有相當(dāng)大的比例，如果不進(jìn)行改進(jìn)和改造，不僅直接影響這些牽引變電所的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且對(duì)全路電氣化鐵路現(xiàn)代化運(yùn)營(yíng)管理水平的提高帶來(lái)很大的影響，因此，對(duì)這些既有牽引變電所傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)功能的改造問(wèn)題應(yīng)引起我們的重視。
既有牽引變電所傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)功能的改造，如果采用新建牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)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(lái)很重的負(fù)擔(dān)，而且，由于既有牽引變電所老設(shè)備與新建牽引變電所新投入的設(shè)備之間在功能和性能上存在的差異，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的功能配置上也不盡相同。因而，既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能技術(shù)改造的模式應(yīng)具有自身的特點(diǎn)：
(1) 面向既有設(shè)備與對(duì)象，實(shí)現(xiàn)基本完善的遠(yuǎn)動(dòng)功能和自動(dòng)功能，即針對(duì)不同牽引變電所的設(shè)備情況進(jìn)行配置和改造，尤其在與設(shè)備和對(duì)象直接關(guān)聯(lián)的接口部分，不采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)模式，以保證現(xiàn)有設(shè)備的利用率。
(2) 計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)配置應(yīng)盡量簡(jiǎn)單化，例如，不采用智能化模擬屏系統(tǒng)，減少工程師工作站，減少培訓(xùn)工作站，采用高性能設(shè)備與元件，以減少冗余設(shè)計(jì)等，這樣不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置，減少投資，而且，由于元件技術(shù)指標(biāo)的提高和軟件成熟性提高，簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置也是遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)趨于發(fā)展的一個(gè)新的方向。
(3) 采用集成化、組態(tài)化的軟硬件設(shè)備，盡量減少全面開(kāi)發(fā)型軟硬件的使用，以縮短改造周期，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。例如，使用組態(tài)化的應(yīng)用軟件，可以大大縮短軟件開(kāi)發(fā)周期，提高軟件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，這種方法在電力部門(mén)的變電所改造項(xiàng)目中已有了成功的嘗試，可以在牽引變電所的遠(yuǎn)動(dòng)功能改造中借鑒。
既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用分層分布式系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）或分級(jí)控制系統(tǒng)HCS（Hierarchical Control System），將遠(yuǎn)動(dòng)功能分為兩級(jí)——牽引變電所控制級(jí)SCL（Substation Control Layer）和單元控制級(jí)LCL（Local Control Layer）。牽引變電所控制級(jí)由計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，單元控制級(jí)功能由單元設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。單元設(shè)備的配置方式可以采用常規(guī)RTU單元結(jié)構(gòu)或加強(qiáng)型RTU單元結(jié)構(gòu)，也可以采用底層智能化結(jié)構(gòu)PLC（Programmable Logical Controller），還可以采用智能儀表與RTU或PLC混合配置結(jié)構(gòu)，這主要取決于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和監(jiān)控對(duì)象的具體特點(diǎn)。
牽引變電所控制級(jí)SCL實(shí)現(xiàn)對(duì)單元控制級(jí)的監(jiān)控，提供人機(jī)界面，完成各種報(bào)表、數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警、與調(diào)度中心通訊等功能。單元控制級(jí)LCL主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、控制輸出，如果采用加強(qiáng)型RTU或PLC機(jī)構(gòu)，還可以在單元控制級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)功能。
單元控制級(jí)LCL
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和具體要求，LCL級(jí)可以采用RTU或加強(qiáng)型RTU單元結(jié)構(gòu)，或PLC可編程控制器式底層智能化結(jié)構(gòu)，還可以配置智能儀表。PLC內(nèi)部具有一定數(shù)量的內(nèi)存單元（如有8K、16K、32K等多種內(nèi)存容量），通過(guò)編程后，可以順序執(zhí)行程序預(yù)定的功能，程序修改簡(jiǎn)便易行。由PLC來(lái)完成部分重要的自動(dòng)功能較之通過(guò)牽引變電所控制級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，在實(shí)時(shí)性和可靠性方面均能得到更有效的保證。當(dāng)PLC與計(jì)算機(jī)之間通訊聯(lián)接發(fā)生異常時(shí)，不影響PLC程序設(shè)定功能的實(shí)現(xiàn)。智能儀表是一種新型的表計(jì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由智能芯片和測(cè)量機(jī)構(gòu)組成，可以完成對(duì)多種電氣量的綜合測(cè)量功能，而不需要再使用各種變送器，安裝體積小，功能強(qiáng)。例如，一塊智能儀表可以同時(shí)完成對(duì)電流、電壓、功率、電能、功率因數(shù)的測(cè)量任務(wù)，并具有通訊接口，可以與計(jì)算機(jī)接口直接相連或通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換等與其他智能化設(shè)備相連。
LCL完成的主要功能包括：
(1) 數(shù)據(jù)采集和傳送:數(shù)據(jù)采集和傳送的內(nèi)容包括遙信量和遙測(cè)量。
(2) 接收和執(zhí)行控制命令:LCL級(jí)控制命令的執(zhí)行一般采用開(kāi)關(guān)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(diào)壓（對(duì)具有分接頭可以進(jìn)行有載調(diào)壓的變壓器）、無(wú)功調(diào)整（對(duì)具有多組無(wú)功功率補(bǔ)償器可以分組投切的牽引變電所）、信號(hào)復(fù)歸、遙控查燈、消防控制等。在執(zhí)行控制命令時(shí)，為滿足現(xiàn)場(chǎng)操作機(jī)構(gòu)在執(zhí)行分、合閘等操作時(shí)的具體要求，可以增設(shè)一級(jí)執(zhí)行繼電器以擴(kuò)大接點(diǎn)容量及數(shù)量。
(3) 通訊功能:LCL級(jí)應(yīng)具有通訊接口，以便聯(lián)接遠(yuǎn)動(dòng)通道、牽引變電所級(jí)計(jì)算機(jī)以及當(dāng)?shù)乇銛y式計(jì)算機(jī)，一般可配置2～3個(gè)計(jì)算機(jī)通訊接口。
(4) 自動(dòng)功能:自動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)與LCL級(jí)配置的硬件設(shè)備有關(guān)，有些自動(dòng)功能既可以設(shè)在LCL級(jí)實(shí)現(xiàn)，也可以設(shè)在SCL級(jí)實(shí)現(xiàn)。關(guān)于牽引變電所的自動(dòng)功能在下節(jié)作進(jìn)一步討論。
牽引變電所控制級(jí)SCL
硬件配置：
SCL應(yīng)采用工業(yè)PC機(jī)為基架的配置方式。工業(yè)PC機(jī)在設(shè)計(jì)和工藝上具有很強(qiáng)的抗干擾、抗震動(dòng)、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，且價(jià)格較之服務(wù)器、工作站、小型機(jī)等計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。以目前良好的工業(yè)PC機(jī)配置來(lái)看，完全可以滿足實(shí)現(xiàn)牽引變電所內(nèi)的遠(yuǎn)動(dòng)和自動(dòng)功能的要求。在牽引變電所采用的工業(yè)PC機(jī)及其外設(shè)，配置內(nèi)容大致可包括：主機(jī)（工業(yè)PC機(jī)），顯示器，通訊接口板，MODEM以及打印機(jī)、聲卡（用于語(yǔ)音報(bào)警和提示）等。
軟件配置：
隨著牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)和自動(dòng)功能的加強(qiáng)，應(yīng)用軟件的功能要求越來(lái)越高，一般來(lái)講，軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試的時(shí)間也越長(zhǎng)，這在新建牽引變電所的遠(yuǎn)動(dòng)功能實(shí)施中已有所反映。對(duì)于既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能的改造，對(duì)開(kāi)發(fā)與調(diào)試（尤其是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試）周期的要求更短，這給應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了一定的難度。目前，在國(guó)外以及國(guó)內(nèi)電力部門(mén)變電所綜合自動(dòng)化改造項(xiàng)目中，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)采用了一種新的途徑，即是：將應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)建立在已有的工業(yè)控制軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，這不僅大大縮短了應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)周期，而且，更有效地保證了軟件的穩(wěn)定性和可靠性。這種突破將軟件開(kāi)發(fā)的層次由面向過(guò)程的開(kāi)發(fā)方式提高到了面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)層次上。
紫金橋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為快速開(kāi)發(fā)工業(yè)控制應(yīng)用軟件提供了良好平臺(tái)，它是在石化行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)人機(jī)界面軟件，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，并且已經(jīng)應(yīng)用在冶金、建筑、機(jī)械、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)得到了推廣。它集成了數(shù)據(jù)采集、歷史保存、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)共享、流程顯示等多方面的功能。不僅提供強(qiáng)大的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能和豐富的畫(huà)面生成、記錄、報(bào)警等功能，具有開(kāi)放式的用戶界面，并支持網(wǎng)絡(luò)功能，在實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)視與控制功能的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)在線修改，這為諸如既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能改造等項(xiàng)目中縮短調(diào)試和開(kāi)發(fā)周期又提供了另一可靠保證。
功能分析：
SCL級(jí)的功能主要通過(guò)屏幕顯示和人機(jī)對(duì)話方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，按照上述方式進(jìn)行系統(tǒng)配置，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)鍵盤(pán)全鼠標(biāo)式操作，在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)減少了人為操作對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。主要功能可以達(dá)到以下幾個(gè)方面：
(1) 屏幕顯示與人機(jī)對(duì)話：顯示系統(tǒng)總目錄，主結(jié)線，主變運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)圖，牽引變電所實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)表及歷史運(yùn)行參數(shù)表，定值表、密碼等級(jí)設(shè)定及輸入，電度表，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)棒圖、曲線，模擬指針式和數(shù)字式儀表，控制與操作畫(huà)面，自動(dòng)功能投切畫(huà)面，事故、故障、越限、操作、事件信息及歷史記錄，SOE表，各種日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、查燈信息等。
(2) 記錄、制表、打印功能：實(shí)現(xiàn)運(yùn)行日志定點(diǎn)打印及召喚打印，事故、故障、越限、操作、事件等可隨機(jī)打印及存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史記錄中，并完成日?qǐng)?bào)、月報(bào)以及年報(bào)表的制表和數(shù)據(jù)生成，所有實(shí)時(shí)、歷史記錄均可召喚打印。
(3) 報(bào)警功能：可將報(bào)警內(nèi)容分級(jí)、分類(lèi)并設(shè)置成不同的報(bào)警方式。例如，對(duì)事故，故障（包括監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部故障），斷路器分合閘，變壓器過(guò)負(fù)荷、饋線過(guò)流等越限，一次側(cè)三相電流不平衡，誤操作等各種事件分級(jí)分類(lèi)報(bào)警，報(bào)警方式分語(yǔ)音報(bào)警（通過(guò)多媒體聲卡）、打印報(bào)警、屏幕顯示報(bào)警，三種方式可任意組合應(yīng)用于同一事件中。
(4) 故障數(shù)據(jù)收集與記錄：遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一是防止系統(tǒng)事故，而一旦出現(xiàn)事故，當(dāng)時(shí)的記錄將是分析事故和預(yù)防事故的寶貴資料。因此，故障數(shù)據(jù)的收集與記錄是遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的重要功能之一。故障數(shù)據(jù)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(nèi)開(kāi)關(guān)變位和繼電保護(hù)等狀態(tài)量出現(xiàn)變化時(shí)，通常要按時(shí)間（內(nèi)部時(shí)鐘）準(zhǔn)確加以記錄，時(shí)間分辨率要求較高，這對(duì)分析故障是很重要的。要作到較好的時(shí)間分辨率（毫秒級(jí)），利用SCL級(jí)完成是比較困難的，一般應(yīng)采用LCL級(jí)硬件設(shè)備（如RTU、PLC等）進(jìn)行順序記錄，并與SCL級(jí)計(jì)算機(jī)保持時(shí)鐘同步，SOE記錄結(jié)果在SCL級(jí)的人機(jī)界面上進(jìn)行反映，SCL級(jí)可采用事件表的形式滾動(dòng)存放SOE數(shù)據(jù)。SOE正常狀態(tài)下以較長(zhǎng)的周期、較低的優(yōu)先級(jí)作為SCADA正常掃描的一部分，一旦出現(xiàn)SOE所涉及的狀態(tài)量變化，立即提高其優(yōu)先級(jí)，順序記錄事件信息，用于事后追查和分析事故。尤其對(duì)于復(fù)雜事故，故障過(guò)程的專(zhuān)家系統(tǒng)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(xù)記錄事故前后的量測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。一旦出現(xiàn)規(guī)定的事件，連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)就送到專(zhuān)門(mén)的存儲(chǔ)區(qū)PDR區(qū)內(nèi)，PDR循環(huán)采集規(guī)定的數(shù)據(jù)集合或相關(guān)量測(cè)量值，循環(huán)周期由數(shù)秒到數(shù)分，利用PDR區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，可以“實(shí)時(shí)”再現(xiàn)事故過(guò)程的參數(shù)及狀態(tài)變化情況。
(5) 與調(diào)度中心的通訊:SCL級(jí)通過(guò)MODEM或計(jì)算機(jī)通訊接口接入通道實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心的通訊，一方面將牽引變電所內(nèi)的運(yùn)行情況上送到調(diào)度中心，另一方面，調(diào)度中心向牽引變電所發(fā)送控制命令以及對(duì)各種控制參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遠(yuǎn)動(dòng)功能和全局性調(diào)度控制。
(6) 與繼電保護(hù)的聯(lián)接并進(jìn)行信息交換:牽引變電所的遠(yuǎn)動(dòng)和自動(dòng)化系統(tǒng)一般應(yīng)能反映繼電保護(hù)的信息和數(shù)據(jù)，以便為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。對(duì)既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能的改造也應(yīng)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。具備微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的既有牽引變電所，可以采用計(jì)算機(jī)通訊級(jí)的聯(lián)接，將保護(hù)的主要內(nèi)容反映在SCL級(jí)人機(jī)界面，進(jìn)而還可以進(jìn)一步完成保護(hù)定值的監(jiān)視和設(shè)定等功能；不具備微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的既有牽引變電所，應(yīng)將保護(hù)的主要狀態(tài)量通過(guò)DI（開(kāi)關(guān)量輸入）的形式，由LCL級(jí)硬件設(shè)備采樣并反映在遠(yuǎn)動(dòng)與自動(dòng)化系統(tǒng)中。
(7) 自動(dòng)功能:既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)改造所實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)功能主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體情況決定。自動(dòng)功能主要包括：對(duì)可以利用分接頭進(jìn)行有載調(diào)壓的變壓器，采用遙控操作變壓器分接頭的方式實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)；對(duì)具有多組補(bǔ)償電容器并可獨(dú)立投切的牽引變電所，采用遙控操作方式自動(dòng)投切；電壓和無(wú)功綜合調(diào)節(jié)的原則按“九域圖”的規(guī)則進(jìn)行。當(dāng)某段母線因故失去工作電源，則由遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)合母聯(lián)開(kāi)關(guān)，投入備用電源，以維持該段母線供電的連續(xù)性，備用電源的自動(dòng)投入閉鎖條件（如無(wú)壓側(cè)系統(tǒng)無(wú)事故信號(hào)，主變后備保護(hù)未動(dòng)作，與線路重合閘配合整定等）由SCL級(jí)設(shè)置。
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