（电气工程专业论文）牵引供电系统微机远动仿真教学系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 摘要 电气化铁道远动技术发展迅速，设备运行维护人员的专业技能能力培训 迫切而急需，培训教学设备的开发研究具有较高的社会、经济效益。 目前，各铁路供电段尚无用于进行远动技术培训的专用教学设备，各高 校、职业学校也仅有不设远动通信接口的模拟仿真教学设备，无法实现大规 模人员培训，提高人才诸养质量。本文提出一种能接驳一组真实牵引变电所 和模拟开闭所的电气化铁道微机远动仿真系统，使仿真教学设备的功能更加 完备，更加接近于实际运行设备的工作环境，人员培训实效更高。 本文介绍了该系统的结构、组成及软硬件功能。 该系统应用w i n d o w s 平台，采用串行通讯方式，b o r l a n dc + + 5 0 编制通 讯软件，独立设计多个线路，既能及时通讯，又不影响各变电所的操作，即 在计算机问收发信息的同时，不影响实际变电所的演练操作。采用软件并行 查寻方式，提高系统快速响应能力。 该系统硬件电路全部采用总线式结构，大型电路由单元电路组成，预留 扩展口，增强了系统扩展、改造、添加功能的灵活性。硬件与计算机间通讯 采用双向并行方式。 建立实际牵引变电所及模拟开闭所与系统的连接，可以在牵引变电所的 故障模拟实验台设备上设置变电运行故障，提高培训实效，具有一定的推广 价值。 关键词：计算机通讯牵引变电所故障模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文 第li 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t e l e c o n t r o lt e c h n o l o g y i nt h ee l e c t r i cr a i l w a y , i ti sn e c e s s a r ya n de x i g e n tt ot r a i nt h ep r o f e s s i o n a lo p e r a t i o na b i l i t yo f t h es t a f f s t h a to p e r a t et h et e l e m e c h a n i c a la p p a r a t u s t h e r e f o r e ，m u c he c o n o m i cp r o f i tc a l l b eg a i n e db ys t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gs i m u l a t i o nt e a c h i n gs y s t e m a tp r e s e n t ，e a c hr a i l w a ye l e c t r i cp o w e rs u p p l ys e c t i o nd o e s n t s t i l lh a v e s p e c i a li n s t r u m e n tt h a tc a l lb eu s e df o rt r a i n i n gi nr e m o t et e c h n o l o g y m e a n t i m e ， t h e r ea r eo n l ys i m u l a t i o nt e a c h i n gi n s t r u m e n tw i t h o u ta n yi n t e r f a c ei nn o to n l y c o l l e g eb u t a l s op r o f e s s i o n a ls c h 0 0 1 t h i sp h e n o m e n o na 腩c t st h eq u a l i t ya n dt h e q u a n t i t yi nw o r k e r s t r a i n i n g t h i sp a p e rp r o v i d e sa ne l e c t r i f i c a t i o np cr e m o t e s i m u l a t es y s t e mw i t hi n t e r f a c et h r o u g hw h i c hc a l lc o n n e c tag r o u pr e a lt r a c t i o n t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n ds i m u l a t e ds s p , w h i c hm a k et h ef i m c t i o no fs i m u l a t e d t r a i n i n gi n s t m m e u t f i l r t h e rm o r em a t u r i t ya n dm o r ec l o s e dt ot h er e a ls u r r o u n d i n g s t h a tr u n n i n gr e a li n s t r u m e n t i n t r o d u c et h es y s t e m ss t r u c t u r e ，c o m p o s i n ga n df u n c t i o no fs o t ! t w a r ea n d h a r d w a r e t h es y s t e mi sb a s e dw i n 9 8p l a t f o r m ，a d o p ts e r i a lm o d ei nc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc o m p u t e r s t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t hb o r l a n dc + + 5 0 t h el i n e s w h i c hi ss e p a r a t e dn o to n l yc o m m u n i c a t e de a c ho t h e ri nt i m e ，b u ta l s od o n te f f e c t i n t e r f e r et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o no p e r a t i o n i no t h e rw o r d ，w h e nc o m p u t e r ss e n d a n dr e c e i v ei n f o r m a t i o n s i td o n ti n t e r f e r el e a lt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o no p e r a t i o n s t h e s y s t e m s s o f t w a r e a d o p t sp a r a l l e ls e a r c h i n gm o d e ，w h i c hi m p r o v e t h e s y s t e m sr a p i dr e s p o n s ea b i l i t y t h eh a r d w a r es y s t e ma d o p t sb u s t h el a r g ec i r c u i tc o n s i s to ft i r e t i l tu n i ta n d o b l i g a t ee x p a n d i n gi n t e r f a c e ，w h i c hs t r o n gt h ef l e x i b i l i t yf o rs y s t e me x p a n s e 、 a l t e r a t i o na n df u n c t i o na p p e n d e n c e i ta d o p t sp a r a l l e lb i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nh a r d w a r ea n dc o m p u t e r c o n s t i t u t i n gc o n n e c t i o nb e t w e e ns y s t e ma n d r e a lt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n d s i m u l a t e ds s p ，c a ns e tu ps i m u l a t e dm a l f u n c t i o n 、w h i c hi m p r o v ee 任b c t t h e s y s t e mp o s s e s s e s ac e r t a i ns p r e a d i n gv a l u e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i l 页 k e yw o r d s ：c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n t r a c t i o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nm a l f u n c t i o n 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 电力系统综合自动化的发展状况 随着社会主义建设与国民经济的持续发展，我国电网装机容量迅速增长， 电力供应紧张状况已暂时得到缓解。目前存在的主要问题是电网技术管理薄 弱，难以满足用户对供电质量愈来愈高的要求，因此，采用先进技术和现代 化管理手段建设电力网，实现电网自动化成为电力事业发展的主题。 变电所在电网中的地位十分重要，所以实现其自动化是整体电网自动化 的基础和重点。铁道供电系统中的主体牵引变电所也无例外。 1 1 1 变电所综合自动化发展历史 我国对变电所综合自动化的研究、开发和应用开始于8 0 年代中、后期， 9 0 年代逐渐形成高潮，目前已发展成一个相对独立的技术领域。 变电所综合自动化是微计算机技术、数字信号处理技术、大规模集成电 路技术和通信技术等高科技在变电所的集中应用，是传统的变电所二次系统 的一场重大变革。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，变电所 综合自动化技术也得到了迅速发展。近几年来，变电所综合自动化已成为热 门话题，引起了各部门的注意和重视，成为我国电力工业推行技术进步的重 点之一。变电所综合自动化，其发展动因是： l 、电力系统对变电所的安全、经济运行要求越来越高，实现变电所综合 自动化，可提高电网的安全、经济运行水平，减少基建投资，并为推广变电 所无人值班提供了手段。 2 、各级电力生产调度中心要求获取更多的设备运行信息，以便及时掌握 电网及变电所的运行情况。 3 、为提高变电所的可控性，要求采用更多的远方集中控制、集中操作和 反事故措施等。 4 、利用现代计算机技术、微电子技术、通信技术等等，提供先进的技术 装备，可改变传统的变电所二次设备模式，实现信息共享，简化系统，减少 电缆，减少占地面积。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 页 简单地说，变电所综合自动化就是将变电所包括测量仪表、信号系统、 继电保护、自动装置和远动装置等二次设备经过功能的组合和优化设计。用 自动化设备代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和 远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能 与外界通信的缺陷。利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信 号处理技术，实现对变电所的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、 自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。而在此过程 中，远动装置的功能进一步得到扩充与发展。变电所综合自动化不是对远动 技术的否定。 因此，变电所综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科 技的综合应用，与远动技术有相同的基础与目标。 1 1 2 国外变电所综合自动化的发展概况 在国外，变电所综合自动化的研究工作始于7 0 年代。英国、意大利、法 国、西德、澳大利亚等国于7 0 年代末，新装的远动装置都是微计算机型的， 个别有用1 6 位小型计算机的。布线逻辑的远动装置已开始淘汰，微机远动装 置的监控系统功能扩大，监控功能正以综合自动化为目标迅速发展，除三遥 外，又增加了遥视功能，另外还具有以下功能，并形成了综合自动化的雏形： 1 、寻找并处理单相接地故障。 2 、作为保护拒动或断路器拒动的补充保护。 3 、负荷管理。 4 、成组数据记录。其中包括负荷曲线、最大需量、运行数据、事故及事 件顺序记录等。 5 、自动重合闸及馈线保护。 7 0 年代，日本关西电子公司和三菱电气有限公司开始研究用于变电所的 数字控制系统( 称为s d c s - - 1 ) ，并于1 9 8 0 年开始商品化生产。s d c s - - 1 是以1 3 台微处理机为基础的系统，分三个子系统。继电保护子系统建立4 种 类型的保护功能：高压母线保护、主变压器保护、低压母线保护和馈线保护； 测量子系统的功能有：测量电压、电流有效值、有功功率、无功功率、电能 量，监视主变压器负荷；控制子系统的功能有：备用电源自投控制、故障线 路探测、自动重合闸、有载调压分接开关控制、排除变压器故障后自动恢复 供电、数据传送和远方控制等。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第3 页 8 0 年代以后，研究变电所综合自动化系统的国家和大公司越来越多。例 如：德国西门子公司、a b b 公司、a e g 公司，美国g e 公司、西屋公司，法 国阿尔斯通公司等都有自己的综合自动化系统的产品。其中，西门子公司于 1 9 9 5 年后，在中国也陆续得到十几个工程项目：a b b 公司在中国铁路供电系 统也有产品运行。 进入9 0 年代，国际电工委员会为了配合变电所综合自动化方面的进展， 成立了“变电所控制和保护接口”工作组，负责起草该接口的通信标准，并 于1 9 9 5 年2 月出台了保护通信伙伴标准i e c 8 7 0 一5 1 0 3 ，为控制与保护之 间的通信提供了一个国际标准【i 】。 由此可见，国外研究变电所综合自动化系统，始于7 0 年代后期，8 0 年 代发展较快。著名的制造厂商颇多。但他们彼此间一开始就十分注意这一领 域的技术规范和标准的制定与协调，避免各自为政造成不良后果。 1 1 3 我国变电所综合自动化的发展过程 我国变电所综合自动化的研究工作开始于8 0 年代中期。1 9 8 7 年，清华 大学电机工程系研制成功第一个符合国情的变电所综合自动化系统。该系统 主要由3 台微机及其外围接口电路组成，分成三个予系统，担负了变电所安 全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等全部任务。 1 、安全监控子系统 安全监控系统由一台微型计算机系统及其外围接口电路组成，完成当地 的监控功能其中包括： ( 1 ) 测量。对全站主要设备( 变压器、电容器、全部输、配电线路) 的 电压、电流、有功功率、无功功率、主变压器温度进行采集和处理。 ( 2 ) 监视。对所采集的电压、电流、主变压器温度等不断进行越限判断， 若有越限，则发警告信号，同时对全站断路器状态进行监视。 ( 3 ) 记录。记录继电保护动作信息，并记录保护动作前、后的短路电流 值。 ( 4 ) 显示。通过c r t 显示器显示全站的实时主接线图和各开关状态， 并以不同画面显示全部巡回检测的量；自动显示保护动作性质和保护动作前 后的电流值。 ( 5 ) 制表打印。可定时打印报表，可召唤打印实时检测数据，自动打印 越限值和越限时刻，事故记录打印。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 2 、微机保护子系统 微机保护予系统的主要功能包括如下4 项： ( 1 ) 全部进线和馈电线路的微机保护与自动重合问和后加速跳闸。 ( 2 ) 主变压器保护。 ( 3 ) 电容器保护。 ( 4 ) 单相接地自动选线、相。 3 、电压、无功控制子系统 电压、无功控制子系统由一台微机组成，可对两台带负荷调压变压器的 分接开关和无功补偿电容器进行综合自动控制。 4 、中央信息系统 由各子系统直接发出报警信号和预告信号，直接触发发光管，显示故障 性质和发出故障音响，简化了常规的中央信号系统。其中担负微机保护的计 算机和担负电压、无功控制的计算机的软、硬件配置相同，可互为备用。在 正常运行情况下，各自完成自己的主任务。后者同时监视保护机的工作状态， 一旦发现保护机故障，则在4 m s 内，控制机立刻停止执行电压、无功控制程 序而转去担负保护机的任务确保了保护子系统的可靠性。 该系统于1 9 8 7 年成功地投入运行，1 9 8 8 年通过技术鉴定。鉴定结论为 国内首创，填补了国内一项空白，并达国际8 0 年代先进水平。其运行结果表 明：微机技术可以全面、系统、可靠地应用于变电所的自动化工程中。同时 也证明了变电所综合自动化对提高变电所的运行、管理水平及技术水平、缩 小占地面积、减少值班员抄表和记录，以及减少维修工作量等方面有显著的 优越性。 8 0 年代后期，投入变电所综合自动化研究的高等院校、研究单位和生产 厂家逐步增加。9 0 年代，变电所综合自动化已成为热门话题，研究单位和产 品如雨后春笋般蓬勃发展。规模比较大的有许继集团、南瑞公司、四方公司 等。 变电所综合自动化系统的研究和生产工作之所以会引起这么多的科技工 作者和生产厂家的注意，其根本原因在于变电所实现综合自动化，能够全面 提高变电所的技术水平，提高运行的可靠性和管理水平。近几年来，大规模 集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给变电所综合自动化技术水平的提高， 注人了新的活力。1 6 位、3 2 位单片机及p e n t i u m 微处理器的问世，活跃了计 算机市场：网络技术、现场总线等的出现，给广大科技工作者创造了大显才 能的条件。因此，近几年来研究变电所综合自动化进人了高潮，其功能和性 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 能也不断完善。变电所综合自动化将成为今后新建变电所的主导技术“。 1 2 电气化铁道远动技术的发展概况 我国电气化铁道始建于1 9 5 7 年，1 9 6 1 年8 月1 5 日，在新建的宝成线宝 鸡至风州段建成了我国第一条电气化铁路，全长9 i 公里。4 0 年来，我国电气 化铁路从无到有，从单线到复线，从山区到平原，从运煤专线到繁忙干线从 常速到快速，而且我国电气化设计水平、施工能力、装备质量都发生了翻天 覆地的变化，取得了举世公认的成就，到2 0 0 2 年底我国电气化铁路总里程己 达到1 8 0 0 0 余公里。 与我国电力工业发展相对一致的铁道电气化供电系统，同样经历了建设、 发展与改造的过程。为解决变电运行的安全性、可靠性要求，科学保证供电 质量，减少建站面积，适应电力系统快速计算和实时控制的要求，减轻维护 工作量。铁道供电系统远动技术的研究始于6 0 年代，在8 0 年代开始得到运 用。并取得了显著的成效。由西南交通大学研发第一套适用于铁道供电系统 的远动装置开始，电气化铁道供电系统远动装置走过了布线逻辑时代与微机 远动，正迈入了综合自动化时代。电气化铁道远动技术走过了继电器、晶体 管( 分立元件) 、集成电路到微机远动的四个阶段，形成四代产品，到目前为 止，我国电气化铁道已全面广泛应用远动装置，综合自动化装置也已起步【2 l 。 特别是近几年来，在西南交通大学的带动下，华东交通大学、原长沙铁 道学院以及上海、南京等地的高等院校与研究部门，研制开发与生产了多种 型号的电气化铁道远动系统。s c a d a 系统技术得到广泛应用，综合监控功能 更加完善。远动技术与变电所自动化技术紧密地融合为一体。由西南交通大 学与许昌继电器研究所共同开发研制的1 a 2 l 型电气化铁道变电所综合自动 化装置也于2 0 0 2 年开始在郑州铁路局新乡供电段新乡变电所装备运行。 目前，我国电气化铁道牵引供电远动系统的主要功能有： 1 、控制功能：主要对供电设备的断路器、隔离开关、复归信号、重合闸 等进行遥控，控制一般有单控、程控、手动复位、手动置位等控制方法。 2 、监视功能：牵引供电远动监控设备的监视功能是调度端集中监视整个 供电区段的运行，通过定时遥信功能和手动召信功能随时监视各变电所的正 常运行，及时发现事故和处理事故。 3 、测量功能：对牵引供电设备的测量功能是为统计各变电所供电电量及 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第6 页 分析各变电所馈线供电质量、统计目、月报表。测量电量包括次、二次馈 线电压、用电电流、各条馈线的有功功率、无功功率。测量有手动召测和定 时遥测两种方式。 实践证明，铁道供电系统远动化，克服了传统的变电所存在的缺点，实 现了老式控制方式下无法满足电力系统安全、稳定和经济、优化运行的要 求。提高变电所的自动化水平，增加四遥功能，逐步实现无人值班和调度自 动化；提高供电质量，提高电压合格率：提高变电所的安全与可靠运行水平； 提高电力系统的运行、管理水平；减少维护工作量，减少值班员劳动，实现 减人增效。 甚至，远动技术已经扩充到了铁路调度系统的大综合，把铁路行车控制 系统、电力监控系统、列车自动运行系统以及列车监测维修系统集中到个 中心。 1 3 实际问题的提出 随着我国铁路交通运输业的发展，电气化铁道运营里程不断增加，装备 水平更加现代化，体现了高科技的发展趋势。根据不完全统计，我国现有牵 引变电所9 0 以上装备有微机远动装置，并继续朝牵引供电系统综合自动化 方向发展。 牵引供电系统装备水平的提高，特别是远动装置等高技术产品的应用， 使铁路电力运行管理部门的管理人员技术比重进一步提高，他们必须具备较 高的理论与实践素质能力。仿真教学系统就是基于对强化从事于远动设备运 行维护人员技能的培训所开发的一套系统。 仿真教学系统对从事远动设备运行维护的专业技术人员的技能能力培养 与训练具有以下优势： 1 、技术装备运行环境的仿真效果 具有真实感受远动系统设备的教学效果，学员通过对仿真教学装置的观 摩学习，能够在理论学习的基础上对牵引供电远动系统的构成、设备之问的 关联性有更加深刻的认识。避免了生产运行中远动装置规模大，不易系统识 别的教学缺陷。 2 、仿真现实的现场工作环境与氛围 通过教学装置设备布置的工作环境仿真，实现人员工作环境仿真的真实 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第7 页 感受。学员在工作环境仿真条件下，实现远动装置的运行、维护，培养学员 的操作与故障处理能力，读识与远动相关的二次回路等基本技能的培养。缩 短培养周期，提高培养效率与培养质量。 3 、较为全面、广泛的培训项目内容，实现全方位的能力培养 仿真教学装置开发具备电调操作员( 或技术人员) 远动运用基本技能与 较高运行维护技能培训项目两组能力培养体系。实现常用工具、电工仪表、 读识二次电路、基本操作、巡视与清扫等基本技能的培养；实现系统调试、 运行参数维护与计算、故障检修等较高技能能力的培养。全面提升学以致用 的教学目标。 4 、可同时容纳2 0 名以上学员接受培训，具备集中培训的优势 在生产中开展较大规模的学员技能培训，由于受到现场工作条件与环境 的制约，往往使较大规模的培养工作很难达到预期的效果。仿真教学装置应 充分利用网络的优势，将调度所内所有控制设备根据培训人员的数量等量分 配，培训人员就可操作自己站点所分配的开关。同时，系统在运行中还可任 意设置故障，学员可根据故障处理的办法进行故障处理并记录故障处理的操 作过程，根据处理记录以检查学员故障处理的能力。 5 、系统的适应性 良好的仿真教学系统应具有良好的嫁接性，在国家统一的电力部部颁远 动通信协议下，教学仿真系统应象复示系统一样，和当地远动系统的调度端 相同，同步接收下面r t u 端发送来的信息，但在教学系统上，当进行遥控操 作时，首先关闭通信口，在模仿真教学拟系统的数据库管理系统内发生变化， 而当地的实际开关是不会发生变化的：另外，当实际变电所内发生故障时， 首先通信口关闭，然后进行相应的故障处理程序并进行处理程序记录，最后 根据记录结果判断故障处理能力。以此培养现场工人或技术人员，一方面设 备的针对性强，另一方面强大的远动功能模拟培训，对现场职工的工作能力 提高有较大的帮助。 仿真教学系统所具备的人员培训方面的优势，决定了仿真教学系统的运 用前景，特别对以“高级技术应用型人才培养为目标”的高等职业教育院校 而言，就具有更加实际的意义，为人才培养工作创造了良好职业环境与条件。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第8 页 1 4 本文设计的主要内容 本文对电气化铁道远动装置仿真教学系统设计的思路、系统结构、软件 设计、视频装置等方面的内容进行了论述。 第一章，介绍了电力系统综合自动化的发展状况，突出变电所综合自动 化发展动因，国外变电所综合自动化的发展概况和我国变电所综合自动化的 发展过程。同时，就我国电气化铁道远动技术的发展概况做了描述。在了解 电力系统综合自动化设计技术状况下，就面临的运行维护技术人员培训的实 际问题，提出系统设计目标。 第二章，主要从系统的设计思路、基本结构及功能等方面介绍系统的设 计情况。仿真教学系统开发的基本思路以教学培训效果为目标制定开发的原 则与要求，全面实现远动技术设备功能仿真效果；建立仿真教学系统的基本 结构，描述仿真教学系统主要结构部分及功能，包括模拟显示屏、电调中心 计算机、可运行实际变电所、视频监控装置及语音电话等系统主体结构设备 的功能。 第三章，从组态软件、通讯与系统编程组态软件等方面介绍软件开发设 计需求，包括实时数据库的生成、显示画面的生成、历史数据库以及生成报 表的生成等方面，建立系统数据库。较具体地介绍了仿真教学系统软件编程 工作，自初始化程序、遥控信息的接受与发送程序、遥信信息的接受与发送 程序到遥测信息的接受与发送程序。 第四章，本部分主要分析了仿真教学系统功能的实现，包括远动监控、 通讯、测量等。包含控制输出摸板功能、通信采集板功能、测量模拟量采集 等功能实现。 第五章，系统经过4 年时间的运行应用，前期完成系统仿真验证，主要 完成遥控、遥信、遥测、记录、报表等功能的验证；同时，从图像监控系统 数字图像传输的基本原理、远程图像监控系统的基本功能、远程图像监控系 统的结构以及远程图像监控系统的工程设计等方面介绍了视频远程监视的设 计思路。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章系统的设计思路、基本结构及功能 2 1 仿真教学系统开发的基本思路 仿真教学系统开发的基本思路是需要结合高等职业技术教育的特色，依 据远动设备技术运行维护人员岗位的职业能力需求，制订开发原则与要求， 提供仿真的目标与方向。 2 1 1 开发的原则与要求 自从1 9 9 9 年我校自行设计、制造的第一套仿真教学系统开始，就考虑到 微计算机技术和通信技术迅猛发展可能带来系统的技术水平的提高与体系结 构的改进，所以，在研究和制造工作中，对它的设计原则、要求，为了达到 仿真教学的总目标，提出了仿真教学系统应满足以下要求。 1 、考虑技术发展的趋势，保持开放式变电所常规二次设备，并预留多个 微机保护子系统、测量予系统、各种功能的控制子系统，以能替代常规的继 电保护、仪表、中央信号、模拟屏、控制屏和运行控制装置，提高培训的技 术水平。 2 、仿真教学系统的软、硬件设置与教学监控系统相对独立。 3 、要有可靠、先进的通信网络和合理的通信协议，选择学员易于识别的， 既是通用的协议。 4 、必须保证仿真教学系统具有高的可靠性和强的抗干扰能力。虽然仿真 系统是教学设备，但总体要求体现高素质人才的培养，为此，在考虑系统的 总体结构时，要注意主、次分清。对关键环节，要有一定的冗余。 5 、仿真教学系统的功能和配置，远期应实现满足无人值班的总体要求。 随着我国电气化铁道的大发展时代，无人值班的实施已成为铁道供电系统的 必然趋势，是调度管理的发展方向。传统的“四遥”装置。无论从可靠性、 测量精度、传输速率和技术水平等方面，都不能满足现代化电网调度、管理 的要求。所以，应具备进一步开发变电所综合自动化系统的功能设计。 6 、仿真教学系统的研究和开发工作，必须统一规划，统一指挥。仿真教 学系统虽不是一项技术密集、涉及面广、综合性很强的工程，但在研究、开 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第j 0 页 发和应用过程中，全体人员要互相配合，避免各自为战，整个系统才能协调 工作。 2 。1 2 远动功能的仿真效果 牵引变电所的次设备主要由：变压器、高压断路器、隔离开关、各类 互感器等设备构成，二次设备由继电保护、自动装置、测量仪表、操作控制 屏和中央信号屏以及远动装置等几部分组成。 上个世纪末期，由于集成电路技术和微机技术的发展，上述二次设备开 始采用微机型的，由微机监控系统和微机r t u 等组成的远动装置是实现电力 自动的基本平台。由于学校资金有限，设计时考虑利用完备的远动常用“四 遥”( 遥控、遥测、遥信、遥视) 功能，与常规的继电保护和控制设备一起， 实现远动“四遥”功能的模拟与仿真的效果。 结合教学中人员培养目标的发展，考虑到我国牵引变电所自动化技术的 发展，也可以在如下两方面进一步得到改进： l 、利用现代计算机和通信技术，对变电所二次设备进行全面的技术改造， 取消常规的保护、监视、测量、控制屏。实现综合自动化，以全面提高变电 所的技术水平和运行管理水平，逐步提高教学系统的仿真实效。 2 、提高计算机监控系统运行管理水平，与教学相结合，同时采用新的教 学模式，促进专业技能培训在技术上的协调，达到提高学员对自动化设备的 运行、管理水平的目的。 总之，远动教学仿真系统的功能内容应包括电气量的采集和电气设备( 如 断路器等) 的状态监视、控制和调节。其基本监控功能能实现变电所正常运 行的监视和操作，保证变电所的正常运行和安全。能采集包括高压电器设备 本身的正常或故障时的监视信息，并将所采集的信息传送给调度中心。 就仿真教学系统开发中满足目前阶段学员职业技能的培养目标，仿真教 学系统的功能具体包括以下几部分内容： 1 、数据采集功能 变电所的数据包括：模拟量、开关量和电能量。 ( 1 ) 模拟量的采集 实际生产运行的远动装置对变电所需采集的模拟量有：各段母线电压、 线路电压、电流、有功功率、无功功率，主变压器电流、有功功率和无功功 率，电容器的电流、无功功率，变电所馈线的电流、电压、电能功率等。教 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第t1 页 学仿真系统可实现其中关键性电压、电流的模拟量采集，实现仿真实效。 模拟量的采集可以采用将交流电压、电流等信号经变送器转换为适合于 用转换器输入电平的直流信号的直流采样方式，也可以采用将与变电所的电 压、电流成比例关系的交流电压信号输入给转换器的交流采集方式。本教学 仿真系统采用了交流采集方式。 ( 2 ) 开关量的采集 变电所的开关量有：断路器的状态、隔离开关状态、继电保护动作信号、 运行告警信号等。在本教学仿真系统中，这些信号都以开关量的形式，通过 光电隔离电路输人至计算机。 ( 3 ) 电能计量 电能计量即指对电能量( 包括有功电能和无功电能) 的采集。考虑到教 学的实效性，在本教学仿真系统中，设置了模拟的电能计量模块，使教学更 加直观有效。 2 、事件顺序记录功能 事件顺序记录包括变电所中断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录。教 学仿真系统由于配有可以真实运行的变电所，可以通过故障模拟台实现故障 模拟。所以微机监控系统( 即远动装置) 可以存放足够数量或足够长时间段 的事件顺序记录，确保当后台监控系统或远方集中控制主站通信中断时，对 不丢失事件信息的仿真教学，使教学真实规范。 3 、故障记录和测距功能 故障记录是记录继电保护动作前后与故障有关的电流量和母线电压。远 动教学仿真系统采用故障模拟台直接输出记录发生事故的线路或设备在事故 前后的短路电流和相关的母线电压，实现故障记录仿真。同时，在变电所二 次装备有z k t - 1 型故障测距装置，实现测距功能的仿真。 4 、操作控制功能 目前，配备有远动装置的变电所，无论是无人值班还是少人值班，操作 人员都可通过c r t 屏幕对断路器和隔离开关( 如果允许电动操作的话) 进行 分、合操作，或对电容器进行投、切控制，进行远方操作。但同时，为防止 计算机系统故障时无法操作被控设备，在设计时，一般保留有当地人工直接 跳、合闸手段，所以，断路器操作应有闭锁功能。仿真教学装景也不例外。 仿真教学装置操作闭锁包括以下内容： ( 1 ) 断路器操作时，闭锁自动重合闸。 ( 2 ) 当地进行操作和远方控制操作要互相闭锁，保证只有一处操作，以 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第12 页 免互相干扰。 ( 3 ) 根据实时信息，自动实现断路器与隔离开关问的闭锁操作。 ( 4 ) 无论当地操作或远方操作，设有防误操作的闭锁措施，即要收到返 校信号后，才执行下一项；必须有对象校核、操作性质校核和命令执行三步， 以保证操作的正确性。 5 、人机联系功能 人机联系桥梁。c r t 显示器、鼠标和键盘。变电所采用微机监控系统后， 无论是有人值班还是无人值班所。最大的特点之一是操作人员或调度员只要 面对c r t 显示器的屏幕。通过操作鼠标或键盘，对运行工况和运行参数一日 了然。 c r t 显示画面的内容： ( 1 ) 显示采集和计算的实时运行参数，显示画面上显示出时间( 年、凡 日、时、分、秒) 。 ( 2 ) 显示实时主接线图。主接线图上断路器和隔离开关的位置要与实际 状态相对应。进行对断路器或隔离开关的操作时，在所显示的主接线图上， 对所要操作的对象应有明显的标记( 如闪烁等) 。各项操作都有汉字提示。 ( 3 ) 事件顺序记录显示。显示所发生的事件内容及发生事件的时间。 ( 4 ) 历史趋势显示。显示母线电压、馈线电流等。 6 、打印功能 仿真教学系统配备打印机，完成以下打印记录功能： ( 1 ) 定时打印报表和运行日志。 ( 2 ) 开关操作记录打印。 ( 3 ) 事件顺序记录打印。 ( 4 ) 越限打印。 ( 4 ) 召唤打印。 ( 5 ) 抄屏打印。 ( 6 ) 事故追忆打印。 由于，仿真教学系统为达到预计的职业教育教学目标与效果，不考虑对 于无人值班变电所的需求，在调度中一t l , 及可实际运行的变电所均设打印功能， 可完全对比变电所的运行参数及状态效果。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 仿真教学系统的基本结构 在高等职业教育中，其非常重要的一个教学特点就是为学员提供一个与 实际就业岗位相仿的学习环境。所以，仿真教学系统在考虑其教学仿真的程 度上，必须以电气化铁道目前流行的远动装置的结构功能及运行工作环境为 目标，全面保证教学所必须的仿真效果。 在我们多年实践教学的基础上，综合教学所达到的目标，仿真教学系统 由电调中心显示屏、电调中心计算机、虚拟变电所、可运行模拟开闭所、可 运行实际变电所以及独立设置的视频教学监控装置等6 部分组成，其远动装 置主体结构示意图如图2 一l 所示。 图2 1 远动仿真教学系统结构图 仿真教学系统中的远动装置系统在开发研究设计时，结合我国既有电气 化铁道线路的典型供电模型，以郑州铁路局南京广电气化铁路线的实际供电 桃频监视区 摄像头 ” 警警斡 视频监规区 执行墙监拉 图2 _ 2 视频教学监控装置示意图 q 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第14 页 系统为基础，建立真实的可运行牵引变电所，兼附实现多微机远动功能 的虚拟牵引变电所和开闭所( 包括a t 所) 所构成的供电远动教学模型示例。 仿真教学系统配套有独立的视频监控装置，图2 2 为视频教学监控装置 监控示意图。视频教学监控装置为实现教学目标过程中学员操作执行命令的 正确性提供监视功能，同时为教师实施教学提供了必要的手段。 2 3 仿真教学系统主要结构部分及功能设计 仿真教学系统由多个部分的装嚣构成以下突出介绍仿真教学系统各组 成部分中模拟显示屏、远动主机、实际可运行变电所的基本原理、主要功能 及教学作用： 2 3 1 模拟显示屏 电调中心模拟显示屏位于系统调度端教学工作区，主要实现牵引供屯系 统运行状态信息。如图2 3 所示。 图2 3 远动教学仿真系统模拟屏 1 、基本原理 模拟屏是调度工作人员接受与监察远动信息的主要窗口之一，是与c r t 显示相同的供电系统各所、亭主接线。模拟屏输出采用7 位地址、1 6 位数据、 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第15 页 选通l 位的总线方式。系统接收到的遥控、遥信信号通过校核无误后，进 步通过二、十进制转换。仿真教学系统模拟屏采用l d 显示既满足了教学 的需求，又节省了资金投入。 2 、具备的功能 远动教学仿真系统模拟屏具有的功能： ( 1 ) 显示运行时钟。 ( 2 ) 显示两个牵引变电所主接线。 ( 3 ) 显示一个开闭所主接线。 ( 4 ) 显示一个分区亭主接线。 ( 5 ) 显示供电区间分段。 ( 6 ) 受控电器设备位置及信号显示。 ( 7 ) 供电区间的供电状态显示。 3 、实现的教学作用 模拟屏在教学仿真系统中的教学作用与期望效果，体现在： ( 1 ) 让学员感受到真实的工作环境与工作氛围。 ( 2 ) 监视远动操作的信息传输的正确性。 ( 3 ) 学习模拟屏的组建原理。 ( 4 ) 学习开关量输出原理。 ( 5 ) 读识电气一次主接线。 学员需要达到对原理电路的学习。远动遥信信号在模拟屏上有相应的状 态信号灯，利用模拟屏上对位模拟开关与其相对应。当对位模拟开关位置与 遥信对象实际状态一致时，模拟开关所对应的信号灯熄灭：当对位模拟开关 位置与遥信对象实际状态不一致时，模拟开关所对应的信号灯亮，并由遥信 继电器输出完成。如图2 4 为不对应电路原理图。 图2 4 不对应电路原理图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l6 页 2 3 2 电调中心计算机 仿真教学系统电调远动中心计算机系统，即调度端。它所完成的作用是 实现远方监控与数据采集。构成s c a d a 系统。其工作由计算机指令程序实 现。图2 5 为仿真教学系统中心计算机工作台，由主控制机、前置机、通 讯控制器、u p s 电源、打印机等组成。 图2 5 仿真教学系统中心计算机工作台 1 、基本原理 中一t j , i - t - 算机系统以调度中心主控机为基础，负责与前置机、操作站、数 据站的通讯管理与信息交换，支持通信规约，处理上下行命令与信息，实现 设备监管。构成具有远动遥信、遥测、遥控的实时信息传输，并具备数据处 理、人机对话的能力。 由前置机承担信息纽带作用，查询远方终端r t u ，收集转发远方模拟量、 数字量等数据，编辑数据与画面，在c r t 上显示；对数据进行处理、运算， 做出有效的判断。 2 、具备的功能 仿真教学系统中心调度具备的基本功能包括： ( 1 ) 数据采集与处理的功能。 ( 2 ) 控制与调节的功能。 ( 3 ) 实现单控、程控操作管理功能。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 ( 4 ) 上下行信息处理功能。 ( 5 ) 遥信、遥测、对钳的定时服务功能。 ( 6 ) 运行状态记录功能。 ( 7 ) 系统配置管理功能。 ( 8 ) 人机对话的功能。 3 、实现的教学作用 学员通过在仿真教学系统中心调度端的学习，可以达到以下教学目标与 预期效果： ( 1 ) 掌握构成远动数据处理核心的计算机系统的组成，包括硬件与软件 的构成。 ( 2 ) 学习人机对话接口操作系统的基本概念，熟悉各种文书文件、信息 表的使用。 ( 3 ) 掌握计算机系统基本故障的处理技能。 ( 4 ) 了解对设备工作环境的要求，如温度、湿度、清洁度、亮度等方面 的环境指标。 ( 5 ) 掌握报表的维护与打印。 ( 6 ) 修订系统运行参数。 ( 7 ) 设备的巡视与清扫、填写运行日志及检修记录等。 ( 8 ) 掌握调制解调的方法与设备。 ( 9 ) 掌握远动装置的调试。 2 3 3 可运行实际变电所 仿真教学系统配置有可运行的牵引变电所装置一套。如图2 6 为可运 行牵引变电所二次设备。考虑到满足教学的需求，主要配置有控制屏、信号 屏、保护屏、故障模拟实验台等设备。同时，变电所配景有2 7 5 k v 侧高压 开关配电室一处，装备有z n 2 7 5 真空开关4 台。在变电所还设置有远动系 统的执行端。 l 、基本原理 仿真教学系统配置有可运行的牵引变电所装置主体设备的设计按教学内 容需求考虑，实际上主要由主变压器控制电路、2 7 5 k v 馈线控制电路、2 7 5 k v 馈线保护装置接线电路、主变压器保护装置接线电路、自动装置接线电路、 中央信号电路、故障模拟实验台、远动系统执行端等组成。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 图2 6 可运行牵引变电所二次设备与执行端 以下分别介绍2 7 5 k v 馈线控制原理电路、馈线及主变压器保护装置接 线原理电路、自动装置接线原理电路、中央信号装置接线电路。图2 7 为可 运行牵引变电所二次部分屏面结构布置图。 中央信号屏主变控制屏馈线接制屏 团团困囡困困囡 o9 i i 二i 昌昌吕昌昌昌 毕 1 i 。b i 。 白白 口目口 中 王i 二 j口 图2 7 中央信号及控制屏面结构布置图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第19 页 ( 1 ) 2 7 5 k v 馈线控制原理电路 设计以最小教学需求为目标，2 7 5 k v 馈线设计为两路，实现对开关的当 地操作及信号显示。控制电路直接引用z k h - - 2 a 型电气化铁道馈线成套保 护装置中的控制电路。其简化的控制信号电路如图2 8 所示。电路设计为双 灯控制的运行方式，具有传统控制的典型接线电路。 图2 召2 7 5 k v 馈线控制信号电路 ( 2 ) 馈线及主变压器保护装置接线原理电路 仿真教学系统所接变电所中的牵引网馈线保护装置应用许昌继电器公司 出品的z kh _ 一2 a 型电气化铁道馈线成套保护装置。变压器保护采用传统的 分立式继电器产品，设置有差动保护、瓦斯保护( 虚拟) 、11 0 k v 侧低电压启 动过电流保护、2 7 5 k v 侧低电压启动过电流保护、过负荷保护、过热保护( 虚 拟) 、零序电流保护等。其原理接线图分别见图2 9 、图2 1 0 。 ( 3 ) 自动装置接线原理电路 自动装置分别有自