基于上位机KingView的牵引供电系统监控平台演示研究

欧志新， 刘延凯

(1.安徽交通职业技术学院，安徽 合肥 230051; 2.上海铁路局合肥供电段，安徽 合肥 230051)

基于上位机KingView的牵引供电系统监控平台演示研究

欧志新1， 刘延凯2

(1.安徽交通职业技术学院，安徽 合肥 230051; 2.上海铁路局合肥供电段，安徽 合肥 230051)

“牵引供电系统”作为中枢环节对机车运行安全非常重要，建立牵引供电监控系统演示仿真平台，可以模拟、演示设备操作和电路特性，上位机采用KingView组态软件，下位机利用C语言采集数据，分析计算负荷运行数据和仿真能量损耗情况，并建立数据和查询报表、遥控事故分析等演示操作系统，对于理论创新并进一步将其实践化具有重要意义。

KingView组态软件；C语言；牵引变电所；电能补偿装置；MATLAB仿真

0 引 言

目前国内研究和应用的牵引变电所监控系统的发展方向是实现无人值班[1]，通过监控平台为设备与电路安全运行提供保障。如出现故障点应尽快排除，确保系统安全供电、继电保护动作，数据采集和测量记录应完善的保存处理，倒闸操作时应尽量对牵引负荷的影响最小，报警系统和数据库体系应符合监控系统的需求[2-3]。本论文结合实践开发模拟仿真平台，提出一种可视交换界面的解决方法，为以后在实验室建设中得以应用奠定基础。

目前变电所采用的三维演示与动态仿真监控系统[4]，都是在搭建上位机模拟演示+下位机程序的牵引供电监控体系，主要在模拟教学和专业考证中发挥作用。

本文在实现监控设备和电路运行状态的同时，通过控制屏或主操作界面，达到监控、数据自动记录、报警查询一体化和模拟变电所无人值班等功能。这些功能包含故障报警与诊断，历史数据库导入导出，界面切换，互感器测量与保护(过载和速断)数据导入报表系统等[5-6]。建立的牵引供电监控系统仿真平台，主要针对轨道交通(特别是高铁和客运专线)中的110 kV/35 kV/10 kV电压等级的供电系统，包括设备型号选择、一次回路和二次回路的监测与控制(正常运行与故障点监测)、数据库查询与报表数据记录、报错机制与修复功能、切换互动界面的功能[7]、设置数据采集通信以及保障供电可靠性等。其动态演示和操作均由相应的C程序控制完成。对于理论创新并进一步将其实践化具有现实意义。

1 设计思路和控制方案

整体构思和设计围绕牵引变电所监控系统一次回路和二次回路展开，电气设备的功能体现是核心，动态演示和目标操作是主要内容，兼具安全可靠性测试。

建立的牵引供电监控系统操作模拟平台要符合可视化和动态操作演示的要求[8]；电路设计和调试符合轨道交通和电气化铁路供电系统运行的供电模式；设备型号和参数选择要符合设备产品特性，为后期建立真实牵引变电所实训实验室提供理论方案支撑。设置内部通信系统链接，上位机演示界面的参数数据采集能与下位机(通用西门子/欧姆龙PLC可编程控制器[9])实现数据交换和共享。

(1)上位机监控界面包括：主变压器(110 kV/35 kV/10 kV)，升降压、档位和温度、容量，三相电压和电流的参数采集和计算。

(2)高压开关(断路器和带接地刀闸隔离开关)型号选择，分合闸原理、演示分位、分位合、合位、合位分状态。

(3)互感器(计量表)测量与保护功能，电源侧、负荷侧电能分配和能耗的计算，记录数据设置报表系统。

(4)测量线路和母线数据可以进行报表查询设置等一系列功能，兼有报警体系。

(5)设备的联锁操作，倒闸操作以及“五防”系统[10]，挂消牌操作等均对应相关电路的运行控制。二次回路还应有信号控制，自恢复和重合闸功能，故障锁闭等功能。

1.1 KingView组态上位机功能

KingView组态软件通过I/O驱动程序从现场获得实时数据，对数据进行加工后一方面以图形方式显示在屏幕上；另一方面按照组态设计界面和指令将控制数据传送给I/O设备，对参数进行控制或调整。

如图1所示，基于KingView组态作为动态演示的上位机，要反应牵引供电系统的特性，监控和仿真其性能，根据设备运行参数确定牵引供电电气图的特性和选择供电模式，符合和体现牵引变电所在供电系统中发挥的变配电功能。

图1 监控系统模拟操作界面(控制面板)

用KingView组态设计的监控系统界面，包括导线和母线控制状态，主变压器升降压和档位、温度调节，高压开关断路器和隔离开关分、合闸状态、信号灯，能量储存和动作过程演示界面，闭锁和“五防”系统，电流互感器、电流互感器测量数据(三相电压、电流、有功功率、无功功率、补偿因子与损耗)和报表系统的形成，实时数据库和历史数据库的保存、查询等,如图2所示。

图2 牵引供电系统实现功能的系统框图

1.2 基于C语言的下位机程序应用

基于C语言程序设置主要体现在上位机设置参数指令并辅助完成相应的动作和操作要求，如高压开关断路器和隔离开关分、合闸控制、主变压器档位、温度的调节等主要设备动作[11]，以及故障诊断和报表报警系统的调入和保存数据方面[12]。

C语言可控修改指令具有报错功能，并有报表和数据库系统查询功能。实现电气主接线正常运行和非正常情况下，灯光(红绿灯信号)和声音报警， “五防”系统控制高压开关的分合闸等功能，完成后可实现单机运行检测。

1.3 模拟通信与联调联试

在调试前，先在KingView组态主界面中确定下位机设备型号和通信参数设置[13]，标准的通信在数据库中保存便于后台查看记录，选择COM1口[14],如图3所示。

图3 网络架构通信体系设置

联调联试阶段，进入/切换到KingView运行模式，从一路主供电源(或另一路备用电源)到负荷侧开始检查高压开关的控制分合闸情况，灯光和信号灯状态正常情况，计算互感器测量数据是否符合负载正常运行情况，有无出现过载或空载等[15]。“五防”系统和闭锁装置的设置，能否准确控制开关的分合闸和及时解锁实现分合闸等。能量存储和释放过程，信号灯是否正确反映高压开关的控制状态。就地运行方式通过上位机工控软件程序编译，模拟实验界面进行操控。C语言编译程序控制各个参量选择内存量和I/O接口从外部下位机采集的参量，将理论与实践进行结合，具有一定的可行性和实践性。

2 MATLAB仿真结果与操作演示

2.1 理论研究基础

建立演示平台的理论支撑在于内部某段线路或设备发生故障，对于故障点处参数的变化和预警；外部受到谐波、噪声、闪边电压、通信干扰而造成供电电压不稳定等现象。牵引供电监控系统模拟平台的建立是基于检测数据处理误差的理论，主要解决供电安全稳定运行，修正谐波产生的电压波动，增加补偿装置，减少能量损耗提高供电质量[16]。

互感器在电源侧和负荷侧的数据值(电流，电压和三相功率)，在母线部位需加装并联补偿装置，稳定供电电压，减少能耗提高供电质量，增大功率因子。采用并联补偿装置，通过计算和仿真结果表明，在减小能量损耗和提高供电质量方面效果良好，能有效控制电能谐波。

这些理论基础研究都为搭建合理的电路模型和建立模拟监控演示平台提供了重要的理论支撑，为后期实验室建设提供理论保障，如图4所示。

图4 母线并联补偿装置与输出结构图

仿真条件的参数定义[17-18]：la为变电所到AT侧(故障点靠近变电所侧的AT)的距离(单位为km)；

x为AT(故障点靠近变电所侧的AT)到故障点的距离(单位为km)；

D为故障点所在AT段的长度(单位为km)；

lb为故障点远离变电所侧的AT 到供电臂末端的距离(单位为km)；

ZT、ZR、ZF、ZTR、ZRF、ZTF分别为接触线(T)、钢轨(R)和正馈线(F)的单位自阻抗及它们之间的单位互阻抗(单位为Ω /km)。

计算出变电所处测得的阻抗值为[19]：

通过模拟分析牵引变电所采集数据的计算，建立牵引供电主接线实验模拟。利用MATLAB仿真软件，修正负荷用电参数，补偿装置在提供系统功率，减少能量损耗，提高功率因子。采用V/v接线变压器的牵引变电所在电力系统中引起的电压畸变率问题。为下一步从现场(或与下位机通信采集数据)进行实测数据分析提供理论参考。

图5 谐波干扰电路能量损耗曲线

图6 谐波干扰电路筛选补偿参数，进行优化修正

通过对比仿真图5,6中曲线补偿点优化过程可以得出，无论对于无补偿还是投入补偿装置，随着系统短路容量的增加，电压畸变率在不断降低，特别是当短路容量超过一定值(设定变压器容量峰值MVA)时，降低的趋势变得缓慢。当系统短路容量一定时，投入补偿装置后，电压畸变率要低于无补偿时的畸变率，而这种变化幅度随着系统短路容量的增加而减少。因此，为使电气化铁路对电力系统的影响降至最低，通常对于牵引变电所的外部电源，应考虑选择短路容量较大的电源。牵引变电所应该投入补偿装置，以便减少电力系统测得谐波电流，降低电力系统测得电压畸变率[20]。对于牵引供电系统而言，安全、稳定、可靠的保障牵引负荷和动力负荷受电，在设计和选择设备的型号和参数时需要重点考虑。

2.2 设计与演示操作界面功能

建立报表查询系统目的在于检测系统模拟运行时，原始采集数据与谐波干扰波动产生的误差，为后期建立数学模型进行参数修正和调节。同时可以设定报警预警系统和数据库查询，为供电系统安全可靠运行提供保障，防止谐波造成供电电压波动危及供电安全和事故发生，如图7所示。

图7 报表检测数据运行

图8 高压开关倒闸操作与联锁演示

图9 安全操作提示与执行/监督工作票

倒闸作业是供电系统监控中一项重要任务，检测安全操作设备、电路注意事项和规范，记录和预报工作票制度，故障检修作业流程，通过演示操作界面，保障线路检修按照正确的操作顺序完成各项断电和送电等流程，如图8～10所示。

图10 实时数据/历史数据库查询与记录界面

3 结束语

无论是城市轨道交通或电气化铁路系统，牵引供电系统都是主要组成部分，其中牵引变电所具有提供电能，保障安全供电的特殊功能，保障牵引供电系统的安全可靠，通常都具备复杂的电路设计，备份电源是防止意外事故中断对负荷供电的措施。本文综合设计一套完备和安全的供电操作和演示动态界面，在不断结合现场实践的基础上，结合模拟仿真进行实时操作演练，其具有以下一些优点。

(1)利用KingView仿真软件，分析确定牵引供电电气主接线电路图的监控对象和运行方式，在数据库中建立变量和系列参数，定义变量属性，完成系统需求分析。

(2)建立人机界面子系统，并编译C语言实现数据互换功能。包括实时报表系统，报警系统，数据库查询系统，远动操作，“五防”闭锁系统，倒闸操作挂消牌演示，变压器高低压侧电流电压测量界面。

(3)建立上位机与下位机通信网络，完成通信程序设计。

(4)以负荷侧27.5 kV-CT型真空断路器和CS型单极隔离开关设备为案例，建立二次控制信号回路图，演示在就地/远程模式下，设备的操作安全事项，通电调试断路器在分闸位、合闸操作、合闸位、分闸操作，二次信号与控制回路在安全性和可靠性等方面的功能。

(5)单机调试运行，源文件可加载，可根据现实情况修改参数与C语言程序，为实现远程监控提供方案支持。

(6)通过模拟分析牵引变电所采集数据的计算，建立牵引供电主接线实验模拟。利用MATLAB仿真软件，修正负荷用电参数，补偿装置在提供系统功率，减少能量损耗，提高功率因子。采用V/v接线变压器的牵引变电所在电力系统中引起的电压畸变率问题。为下一步从现场(或与下位机通信采集数据)进行实测数据分析提供理论参考。

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A Research on Demonstration of the Monitoring Platform for the Traction Power Supply System Based on Upper Computer KingView Simulation

Ou Zhixin1，Liu Yankai2

(1. Anhui Communications Vocational & Technical College, Hefei Anhui 230051, China;2. Hefei Power Supply Section, Shanghai Railway Bureau, Hefei Anhui 230051, China)

The traction power supply system, as central link, is very important for operational safety of the locomotive. A demonstration and simulation platform is established for the monitoring system of traction power supply, and it can simulate and demonstrate equipment operation and circuit characteristics. The upper computer adopts KingView configuration software, while the lower computer uses C language for data collection. Load operation data is calculated and analyzed, energy loss is simulated, data and query reports are generated, accident analysis and other demonstration and operation systems are controlled remotely. All these are important for theoretical innovation and application in practice.

KingView configuration software;C language; traction substation; electric energy compensating device; MATLAB simulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.033

TP273+.3

A

1000-3886(2017)04-0111-04

定稿日期: 2016-11-10

2016年安徽省自然科学基金重点研究项目(项目编号：KJ2016A159)

欧志新，(1982-)，男，安徽肥东人，硕士，讲师/工程师。