行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
子計畫一：軌道運輸供電系統之監控研究(1/2)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC92-2213-E-011-089-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學電機工程系
計畫主持人： 陳南鳴
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 93 年 5 月 31 日
行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告
軌道運輸系統供電品質與保護系統--
子計畫一：軌道運輸供電系統之監控研究（Ⅱ）
SCADA System Design for Railway Power Supply Systems 計畫編號：NSC 92-2213-E-011-089-
執行期限： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
主持人：陳南鳴 教授 國立台灣科技大學 電機工程技術系
一、中文摘要
本文針對 軌道運 輸供 電系統， 利用 LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）軟體將保護系統與 監 控 系 統 合 而 為 一 ， 並 將 其 網 路 化 。 LabVIEW 具 有 內 建 之 網 際 網 路 伺 服 器 (Web Server)，可讓程式設計人員建立網 頁，提供遠端使用者瀏覽靜態與動態之人 機介面。最後再藉由實驗室之軌道供電系 統做測試，以驗證本系統之可行性。
關鍵詞：虛擬儀表、LabVIEW、軌道運輸 供電系統、網際網路伺服器。
Abstract
This research integrates the protection and SCADA system into one system by LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ） software and made it networked for railway power supply systems. LabVIEW has a built in web server that allows programmers to publish web pages. Remote users can view static and animated images of man-machine interface via internet. Finally, it is tested using a simulation system of the specially connected transformers in the laboratory.
Keywords ： Virtual Instrument, LabVIEW, Railway Power Supply Systems, Web Server 二、緣由與目的
多年來，單晶片微處理機的發展可說 是一日千里，高性能、高速度、多功能及 低價格的特性，使得結合單晶片微處理器 的保護電驛對於取代傳統式保護電驛更具
有無可限量的發展。而經過多年的努力，
以單晶片為核心的軌道牽引變壓器數位保 護系統已有了初步成果[1,2]。
但是，數位保護系統在保護參數修改 與設定、波形紀錄以及資料讀取方面，都 未能與監控系統連接，為改善上述缺點，
本研究提出利用 LabVIEW 網際網路伺服 器將保護系統與監控系統合而為一，透過 網際網路的便利性，提供系統維護人員對 保護系統下達修改保護參數的命令，並解 決系統維護人員必須親至到現場讀取系統 資料的人力浪費。
三、系統架構
數位保護系統的功能很單純，其定位 在監視電力系統的狀態，並於系統發生故 障時，將相關設備切離，以避免事故擴大 及設備受損，而為了要將系統狀態如實的 反映出來，比流器或比壓器就需將信號提 供給保護系統，同時為了要能執行設備切 離的任務，保護系統亦將送出控制信號給 切離設備，以完成保護的目的。基於此一 觀念，本系統硬體規劃了三個子系統，主 要包括改良式木橋連接變壓器模擬系統、
數位保護系統及開關跳脫電路等三個部 分。此外，為了便於維護人員遠端修改電 驛參數，數位保護系統亦可藉由網路方 式，達成此一目的，如圖 1 所示。
第一個部份為軌道供電變壓器模擬系 統，此模擬系統在於模擬軌道供電變電站 的功能，作為保護系統的被保護設備。軌 道供電變壓器模擬系統電源是引用三相三 線式 220V 的電壓，經由一個斷路器開關以
控 制 器 D A Q
Internet
Client 1
Client 2
Client N 開關跳脫電路
數位保護系統
軌 道 供 電 變 壓 器 模 擬 系 統
做為整個模擬系統的電源切換，再經由一 個△-Y 接線變壓器供給軌道牽引連接變壓 器一次側，將三相電力轉換成提供牽引負 載使用的二相電源，其負載為純電阻性，
分別裝設於二個單相電源之中。
第二部份為數位保護系統，其包含硬 體與軟體兩大部分。硬體採用 PXI (PCI eXtension for Instrumentation)架構，搭配 NI(Nation Instrument)公司 PXI-8175 嵌入 式 控 制 器 (Embedded Controller) 、 PXI-6025E 多 功 能 資 料 擷 取 卡 (Multifunction I/O DAQ) 及 PXI-1002 機 箱，建立了具備電腦技術、模組化架構及 儀控功能的量測平台；並且在軟體上，使 用 LabVIEW 6.1 圖形發展環境，其具備內 建的函數，可以進行訊號擷取、數據分析，
以及資料呈現，讓程式設計者具有強大程 式語言的彈性，而沒有傳統發展工具的複 雜度。
第三部份為開關跳脫電路，當系統發 生故障時，數位保護系統必須發出跳脫信 號，控制斷路器跳脫，為達此目的，可透 過資料擷取卡 D/O(Digital Output)輸出數 位信號，驅動固態繼電器(Solid State Relay, SSR)來控制斷路器的跳脫與否。
四、監控系統之開發
本 研 究 採 用 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) Real-Time 應用軟體設作為軌道運輸供電 監控系統之核心，LabVIEW 為了結合網路 功能，提供設計者下列六種方式產生 Web 文件[3]：
(1) 使用 LabVIEW 指令產生超文件編寫語 言(HyperText Markup Language, HTML) 文件
(2) 使用 VI 伺服器產生 HTML 文件 (3) 使用 Web 伺服器瀏覽遠端 VI 之人機介
面
(4) 使用網際網路工具箱(Internet Toolkit) 瀏覽遠端 VI 之人機介面
(5) 使用 Internet Toolkit 產生自訂之 HTML 文件
(6) 使用程式方塊圖產生自訂之 HTML 文 件
為了節省開發時間與費用，我們採用 第三種方式建立數位保護系統遠端監控人 機介面。使用 Web 伺服器瀏覽遠端 VI 之 人機介面，就是透過 LabVIEW Web 伺服 器，動態即時的產生人機介面的 Web 網 頁，而且不需要在程式方塊圖中使用任何 的編輯。
在使用 Web 伺服器之前，為了避免系 統產生衝突，必須先查明接埠(HTTP Port) 上是否還有其他的 Web 伺服器，避免重複 使用，如圖 2 所示。除此之外，為防止 Web 伺服器遭受網路病毒的攻擊，本 Web 伺服 器不選擇預設之第 80 接埠，而是選擇第 81 接埠，所以欲遠端瀏覽 VI 的人機介面時，
須 在 全 球 資 源 定 址 器 (Uniform Resource Locator, URL)加以表明。
因此，藉其內建 Web Server，系統規 劃人員只需適當設定 Web Server 選項下的 組態(Configuration)，即可將應用程式的前 面板嵌入到 Web 瀏覽器中，如此一來，便 可實現出可靠度高、低成本及維護簡單的 軌道運輸供電監控系統。
圖 1 系統架構圖
圖 2 架構 LabVIEW Web 伺服器
五、監控畫面之規劃
本研究針對軌道特殊變壓器其中之一 的 改 良 式 木 橋 連 接 變 壓 器 (Modified-Woodbridge)作為研究對象。本地 端監控畫面如圖 3 所示。
監控畫面一共可分為八個部分，各部 分之功能描述如下：
(1) 第一部分：程式停止鈕。顧名思義就是 提供使用者欲終止執行數位保護系統 功能時，按壓此鈕即可。
(2) 第二部分：保護法設定選擇鈕。數位保 護系統中共設計有三電驛法、二電驛法 及一電驛法等三種保護法提供使用者 選擇。當使用者選擇三電驛法保護法 時，畫面右側的第六部分、第七部分及 第八部分會分別顯示 87T-3、87T-2 及 87T-1 各電驛一、二次側的輸入電流波 形；若當使用者選擇二電驛法保護法 時，畫面右側只會顯示 87T-3 及 87T-2 兩電驛之一、二次側的輸入電流波形；
同樣地，若當使用者選擇一電驛法保護 法時，畫面右側只會顯示 87T-3 電驛之 一、二次側的輸入電流波形。使用者亦 可由波形圖右上端綠色顯示燈快速判 斷。
(3) 第三部分：差動比例設定。使用者可依 系統特性設定兩組不同差動比率的數 值。
(4) 第四部分：過電流電驛設定。使用者可 分別選定延時曲線設定 CO-8 等七條曲
線與其延時標置設定 TDS。
(5) 第五部分：系統狀態顯示。提供使用者 系統狀態資訊，有程式執行顯示燈與故 障顯示燈兩種。
(6) 第六、七、八部分：波形顯示。顯示 87T-3、87T-2 及 87T-1 各電驛一、二次 側的輸入電流波形，提供本地端保護電 驛狀態。此外，為了方便使用者紀錄電 驛一、二次側的輸入電流波形，分別於 各波形圖畫面的右方，讓使用者直接將 電流波形儲存為圖檔，無須再經轉檔手 續，即可呈現電流波形圖。
六、實測結果
在測試遠端監控之前，必須注意 Web 伺服器存取的設定(Browser Access)，如圖 4 所示，在 Web Server 選項(Options)中有三 種存取的設定，一為既可瀏覽又可控制 (Allow Viewing and Controlling)，二為只可 瀏覽(Allow Viewing)，最後則為拒絕存取 (Deny Access)。因此，遠端監控畫面與本 地端畫面最大的不同是，若系統管理者沒 有開放控制權限時，遠端監控畫面只能監 視而不能控制系統，除此之外，系統管理 者亦可拒絕遠端使用者連線至本地主機。
所以，管理者需針對遠端系統維護人員的 需求，在本地端 LabVIEW Web 伺服器中 作適當的設定，以免因維護人員誤操作，
造成系統誤動作，影響系統的穩定性。
若系統管理者開放控制的權限給遠端 使用者，則遠端使用者可於瀏覽器中要求 轉移控制權(Request Control of VI)，如圖 5 ， 一 旦 系 統 控 制 權 轉 移 之 後 (Control 圖 3 本地端 LabVIEW 人機介面
1 2 3 4 5
6
7
8
圖 4 Web 伺服器存取設定
granted)，如圖 6，遠端使用者即如同本地 端一般，對數位保護系統下達修改各種設 定值的操作，如此一來，由遠端使用者修 改參數的功能即可達成；當遠端使用者完 成設定之後，同樣可於瀏覽器中要求釋放 控制權(Release Control of VI)，如圖 7，將 控制權回歸本地端主機。因此，維護人員 無須親自到牽引變電站現場即可完成修改 參數的工作，以節省人力的浪費。
七、結論
本 研 究 利 用 虛 擬 儀 表 (Virtual Instrument)整合軌道變壓器數位保護與監 控系統，並將本系統網路化，這將使得本 研究相較傳統保護與監控系統增加了更多 的優勢與優點，如遠端監視、遠端控制、
連結合作、分散式執行等等。一旦，將此 單一軌道牽引變壓器系統擴充至多個或甚 至數個牽引變電站時，本系統立即顯現出 其優越性，不僅在系統擴充或系統整合方 面，可完全在同一平台上進行，這對未來 系統整合與後續擴充都極為容易。
八、參考文獻
[1] 林佑宗，「Y-△及改良式木橋連接變壓 器之數位保護系統研製」，國立台灣科 技大學碩士論文，民國八十九年五月。
[2] 陳志沅，「軌道電力監控與保護系統研 製」，國立台灣科技大學碩士論文，民 國九十一年五月。。
[3] “LabVIEW User Manual,” National Instrument, 2000.
圖 5 遠端使用者於瀏覽器中要求轉移控制權
圖 6 控制權轉移給遠端使用者
圖 7 控制權轉移給遠端使用者
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 □ 成 果 報 告
█期中進度報告 軌道運輸系統供電品質與保護系統
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC 92－2213－E－011－089－
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳南鳴 教授
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
█出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學 電機工程系
中 華 民 國 93 年 5 月 26 日
