摘要：利用PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)地鐵變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，系統(tǒng)中采用分散式控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總線技術(shù)，通訊技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)高可靠性的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：變電站/自動(dòng)化/可編程控制器
引言
地鐵的供電系統(tǒng)為地鐵運(yùn)營(yíng)提供電能。無(wú)論地鐵列車還是地鐵中的輔助設(shè)施都依賴于電能。地鐵供電電源一般取自城市電網(wǎng)，通過(guò)城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸送或變換，然后以適當(dāng)?shù)碾妷旱燃?jí)供給地鐵各類設(shè)備。
地鐵全面采用變電站自動(dòng)化設(shè)計(jì)，由于變電站數(shù)量多、設(shè)備多，在加上其完善的綜合功能，信息交換量大，而且要求信息傳輸速度快和準(zhǔn)確無(wú)誤，因此在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要，是確保整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了分散式控制系統(tǒng)時(shí)代。遙測(cè)、遙信、遙控命令執(zhí)行和繼電保護(hù)等功能均由現(xiàn)場(chǎng)單元部件獨(dú)立完成，并將這些信息通過(guò)通訊系統(tǒng)送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。變電站自動(dòng)化的綜合功能均由后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)。
將變電站中的微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控等裝置通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)集成為一體化的自動(dòng)化系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的控制屏臺(tái)、表計(jì)等常規(guī)設(shè)備，因而節(jié)省了控制電纜，縮小了控制室面積。
地鐵變電站自動(dòng)化系統(tǒng)組成
在本地鐵變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用分層分布式功能分割方案。系統(tǒng)縱向分三層，即變電站管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和間隔設(shè)備層。分層式設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)功能的劃分，結(jié)構(gòu)清晰明了。系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式。下位監(jiān)控單元安裝于各開關(guān)柜內(nèi)，上位監(jiān)控單元通過(guò)所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視控制。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)需要對(duì)35kV 交流微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、直流1500kV 牽引系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、380/220V 監(jiān)測(cè)裝置、變壓器及整流器的溫控裝置、直流/交流電源屏等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。
由于可編程序控制器技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。其品種齊全，功能繁多，己被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。用PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)地鐵變電站自動(dòng)化的RTU 功能，能夠很好地滿足“三遙”的要求。本系統(tǒng)采用了ModiQuantum 系列PLC ，來(lái)實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化的RTU 功能.QuantumPLC 具有模塊化，可擴(kuò)展的體系(con) 結(jié)構(gòu)，用于工業(yè)和制造過(guò)程實(shí)時(shí)控制。對(duì)應(yīng)于變電站的電壓等級(jí)和點(diǎn)數(shù)的多少，可以選用大、中、小型不同容盈的PLC 產(chǎn)品。
隨著保護(hù)裝置功能的日益強(qiáng)大，PLC 可以通過(guò)與保護(hù)裝置的通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)三遙功能。一些特殊要求的情況下，采用DI, DO, AI 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和遙信。使用PLC 的DI 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)遙信、用PLC 的DO 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控、用PLC 的AI 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、用PLC 的通信功來(lái)完成與微機(jī)保護(hù)單元的通訊。利用PLC 的各種模塊可以很方便的實(shí)現(xiàn)“三遙”基本功能。
地鐵變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
變電站管理單元內(nèi)的主監(jiān)控部分采用可編程控制器PLC 。CPU 模塊采用80586 處理器，主頻66MHz ，內(nèi)存2M ，并配有存放數(shù)據(jù)、可調(diào)參數(shù)和軟件的RAM 和FLASH MEMORY 。能對(duì)CPU 及I/O 進(jìn)行自診斷。
通訊模塊采用Modbus+ 通訊模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
間隔層的微機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)過(guò)RS 一485 總線分成幾個(gè)組，連接到網(wǎng)橋的Modbus 通訊口上，通過(guò)網(wǎng)橋收集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)MB+ 網(wǎng)絡(luò)送到主監(jiān)控單元PLC 。
系統(tǒng)的主監(jiān)控單元通過(guò)可編程網(wǎng)橋編制不同的規(guī)約，滿足與不同智能設(shè)備之間的接口需要。MODBUS 網(wǎng)橋NW-BM85C002 MB+ 網(wǎng)橋/多路轉(zhuǎn)換器，每臺(tái)網(wǎng)橋具有4個(gè)通訊口與間隔層的智能設(shè)備通訊，網(wǎng)橋?qū)ODBUS 協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)化，通過(guò)MB 十網(wǎng)絡(luò)與PLC 建立網(wǎng)絡(luò)通訊，同時(shí)在中央信號(hào)屏中還配有可編程網(wǎng)橋NW 一BM85C485 ，通過(guò)MB+ 網(wǎng)絡(luò)與PLC 連接，每個(gè)可編程網(wǎng)橋具有四個(gè)通訊協(xié)議可編程的RS 一485 口，在本方案中對(duì)其中的兩個(gè)口進(jìn)行編程，使之通過(guò)IEC 一60870-7-101 與中央控制中心通訊。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊層向上通過(guò)可編程網(wǎng)橋的RS 一422 接口采用IEC60870-5-101 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約實(shí)現(xiàn)與控制中心通訊;向下網(wǎng)絡(luò)通訊層通過(guò)網(wǎng)橋RS-422 接口MODBUS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約實(shí)現(xiàn)與主變電站內(nèi)的各開關(guān)柜或保護(hù)屏內(nèi)的微機(jī)綜合保護(hù)測(cè)控單元等智能裝置通訊，滿足變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)控制、測(cè)量、保護(hù)的技術(shù)要求。通過(guò)網(wǎng)橋與智能設(shè)備及控制中心通訊，由網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，降低PLC 的CPU 模塊負(fù)荷率，提高系統(tǒng)的可靠性。
配置液晶顯示器，用于變電所內(nèi)監(jiān)控、軟件維護(hù)，設(shè)備調(diào)試，站控層操作等人機(jī)接口。帶有液晶顯示器實(shí)現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的顯示和控制。液晶顯示以漢字實(shí)時(shí)顯示所內(nèi)所有事故、預(yù)告信號(hào)、所內(nèi)各微機(jī)綜合保護(hù)測(cè)控單元的運(yùn)行狀態(tài)。事件變位的內(nèi)容、時(shí)間等。當(dāng)多個(gè)事故信號(hào)同時(shí)發(fā)生時(shí)，液晶顯示報(bào)警裝置按新舊次序，在所內(nèi)時(shí)間分辨率的范圍內(nèi)依次顯示各種信息，并能存儲(chǔ)。操作員通過(guò)按鈕對(duì)顯示進(jìn)行選擇，必要時(shí)操作員可通過(guò)該組操作按鈕對(duì)開關(guān)進(jìn)行所內(nèi)集中控制。
“就地一遠(yuǎn)方”控制切換裝置。為便于系統(tǒng)運(yùn)行的需要，在中央信號(hào)屏內(nèi)設(shè)有“就地一遠(yuǎn)方”切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)方控制之間的方式切換和閉鎖。在變電站控制上，方便分層控制和管理。
系統(tǒng)的電源采用冗余配置，系統(tǒng)輸人兩路直流電源，保證系統(tǒng)在一路電源失電時(shí)，系統(tǒng)仍可無(wú)擾動(dòng)安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。
開放式、宜擴(kuò)展性設(shè)計(jì)可以與滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約(profibus, spabus, modbus 等)的其它公司相關(guān)的(IED) 互聯(lián)進(jìn)行信息交換。充分考慮到變電站擴(kuò)建、改造等因素，間隔層設(shè)備基于模塊式標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可根據(jù)要求隨意配置，變電站層設(shè)備設(shè)置靈活。
網(wǎng)絡(luò)通訊層設(shè)計(jì)考慮到工業(yè)以太網(wǎng)、CAN 、422 、modbus+ 等現(xiàn)場(chǎng)總線的接口設(shè)計(jì)，能充分滿足大流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性和可靠性。
軟件設(shè)計(jì)
PLC 軟件方面，由于PLC 以循環(huán)掃描和中斷兩種方式來(lái)執(zhí)行程序。為了完成所有RTU 功能，PLC 采用循環(huán)掃描方式，與各個(gè)間隔層保護(hù)單元進(jìn)行通訊。通過(guò)Modbus 總線，讀取各個(gè)保護(hù)單元的遙測(cè)、遙信信息，同時(shí)通過(guò)總線通訊對(duì)各個(gè)智能保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)點(diǎn)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的遙控功能。本系統(tǒng)采用了Quantum 系列PLC 配套的con-cept 編程軟件中的FBD 方式，進(jìn)行了PLC 的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了變電站自動(dòng)化的三遙功能。
如圖2所示的遙控功能的組態(tài)。通過(guò)使用合適的功能塊的組合，可以實(shí)現(xiàn)你所要的功能。其中的功能塊既有concept 軟件的FFB libarary 提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，也可以自己定義，編寫特制的功能塊。
圖二 遙控功能的組態(tài)
遙信的實(shí)現(xiàn)有兩種方式。一種是通訊方式，當(dāng)變電站設(shè)備發(fā)生變位時(shí)，通過(guò)PLC 與智能保護(hù)裝置的通訊，讀取變位的信息到PLC 中，并將其上送給控制中心。另一種為DI 模塊方式，通過(guò)連接設(shè)備的位置繼電器，PLC 的DI 模塊能夠感知設(shè)備的變位信息。
遙測(cè)的實(shí)現(xiàn)也包含兩種方式。一種是通訊方式，PLC 通過(guò)與智能保護(hù)裝置的通訊，實(shí)時(shí)獲取保護(hù)裝置采集的遙測(cè)量信息，相當(dāng)于由保護(hù)裝置完成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的采集功能。另一種為AI 模塊方式，由PLC 自己來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)的遙測(cè)量采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存放。網(wǎng)橋?qū)AM 中的遙測(cè)量信息，作為二級(jí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的與控制中心進(jìn)行通訊。
網(wǎng)橋中的報(bào)文接收分析程序分析控制中心傳來(lái)的報(bào)文，如果分析認(rèn)為其是遙控報(bào)文，對(duì)其進(jìn)行報(bào)文解析，將獲取的遙控對(duì)象信息寫入PLC， 由PLC 程序與智能保護(hù)裝置通訊，來(lái)完成遙控功能。
系統(tǒng)功能及特點(diǎn)
變電站自動(dòng)化對(duì)變電站各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的微機(jī)控制、監(jiān)視、邏輯閉鎖、微機(jī)測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)所間開關(guān)聯(lián)
跳功能。
變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn):
(1) 完善的自檢功能，除通過(guò)通信對(duì)各單元進(jìn)行監(jiān)控外，各單元中保護(hù)和監(jiān)控模塊都具有極強(qiáng)的自檢功能，同時(shí)二者相互監(jiān)視，一旦發(fā)生異常，及時(shí)報(bào)警，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。
(2) 開關(guān)、刀閘狀態(tài)信息采用常開及常閉雙位置接點(diǎn)，通過(guò)軟件判斷其合法性。
(3) 監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RTU ，各智能模塊采集的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線上傳到通訊控制器。
(4) 取消了常規(guī)光字牌，采用計(jì)算機(jī)模擬光字牌，并按不同電壓等級(jí)的分層模式來(lái)顯示。
(5) 簡(jiǎn)化防誤閉鎖設(shè)計(jì)，重要設(shè)備之間用硬接線實(shí)現(xiàn)閉鎖功能，綜合自動(dòng)化軟件具備軟件邏輯判別功能，但考慮到已有運(yùn)行和檢修經(jīng)驗(yàn)，一般不在后臺(tái)軟件中進(jìn)行閉鎖。
(6) 對(duì)暫態(tài)變位信號(hào)，經(jīng)軟件處理，采用自保持方式，未經(jīng)人工確認(rèn)信號(hào)不會(huì)消失。
結(jié)束語(yǔ)
在實(shí)際運(yùn)行中，網(wǎng)橋與控制中心的雙通道設(shè)計(jì)，給運(yùn)營(yíng)和檢修帶來(lái)了很大的便利。因?yàn)槭擒浖詣?dòng)切換，克服了進(jìn)口系統(tǒng)手動(dòng)切換通道的缺點(diǎn)，通道的狀態(tài)由軟件來(lái)判斷，大大提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的及時(shí)性。雙通道同時(shí)出現(xiàn)故障的概率并不是很高，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中有在備用通道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的況，這樣就給檢修人員預(yù)留了充足的時(shí)間來(lái)檢查問(wèn)題。
PLC 硬件由于應(yīng)用工業(yè)級(jí)可靠性設(shè)計(jì)，因此實(shí)際運(yùn)行中非常可靠，絕少出現(xiàn)死機(jī)的情況，可靠性遠(yuǎn)高于采用windows 操作系統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)，很好的滿足了供電監(jiān)控的要求。從交付使用到現(xiàn)在PLC 還沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)硬件故障，凸顯了PLC 對(duì)地鐵的潮濕、高溫環(huán)境的適應(yīng)性。模塊化的設(shè)計(jì)也使的系統(tǒng)的檢修和更換更為便捷。
需要更改進(jìn)的方面，就是對(duì)通信的改進(jìn)。由于設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用光纖通訊模塊，各設(shè)備對(duì)由絕緣檢修和線纜破損竄進(jìn)來(lái)的高壓電，不能非常有效的隔離，會(huì)造成設(shè)備的高壓擊穿，造成不必要的損失，計(jì)劃在今后的設(shè)計(jì)中對(duì)于高電壓的隔離方面加以改進(jìn)，就可以很好的避免這種問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
[1] 施耐德.Modicon Tsx Quantum 硬件手冊(cè)，1998
[2] 黃益莊.變電站綜合自動(dòng)化技術(shù).北京: 中國(guó)電力出版社，2000, 1(2): 41-43
[3] 譚文恕.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)約.電網(wǎng)技術(shù)，2001, 25(9); 8-11
[4] 陳劍云，楊豐萍.
上海新華控制技術(shù)(集團(tuán))有限公司 朱炯等
