地鐵變電站PLC自動化系統(tǒng)設(shè)計

地鐵的供電系統(tǒng)為地鐵運(yùn)營提供電能。無論地鐵列車還是地鐵中的輔助設(shè)施都依賴電能。地鐵供電電源一般取自城市電網(wǎng)，通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實現(xiàn)輸送或變換，然后以適當(dāng)?shù)碾妷旱燃壒┙o地鐵各類設(shè)備。

地鐵全面采用變電站自動化設(shè)計，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)確無誤。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要，是確保整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

變電站自動化系統(tǒng)，經(jīng)過幾代的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了分散式控制系統(tǒng)時代。遙測、遙信、遙控命令執(zhí)行和繼電保護(hù)功能等均由現(xiàn)場單元部件獨立完成，并將這些信息通過通訊系統(tǒng)送至后臺計算機(jī)系統(tǒng)。變電站自動化的綜合功能均由后臺計算機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)。

將變電站中的微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控等裝置通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)集成為一體化的自動化系統(tǒng)。它取消了傳統(tǒng)的控制屏臺、表計等常規(guī)設(shè)備，因而節(jié)省了控制電纜，縮小了控制室面積。

2 地鐵變電站自動化系統(tǒng)組成

在本地鐵變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計中，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，各下位監(jiān)控單元安裝于各開關(guān)柜內(nèi)，上位監(jiān)控單元通過所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行監(jiān)視控制。變電站自動化系統(tǒng)需要對35kV交流微機(jī)保護(hù)測控裝置、直流1500kV牽引系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)測控裝置、380/220V監(jiān)測裝置、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)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。用PLC來實現(xiàn)地鐵變電站自動化的RTU功能，能夠很好地滿足“三遙”的要求。本系統(tǒng)采用了Modicon Quantum系列PLC，來實現(xiàn)變電站自動化的RTU功能。Quantum具有模塊化，可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，用于工業(yè)和制造過程實時控制。對應(yīng)于變電站的電壓等級和點數(shù)的多少，可以選用大、中、小型不同容量的PLC產(chǎn)品。

隨著當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)裝置功能的日益強(qiáng)大，可以通過與保護(hù)裝置的通訊來實現(xiàn)遙控和遙信功能。一些特殊要求的情況下，采用DI、DO、AI模塊來實現(xiàn)遙控和遙信。使用PLC的DI模塊來實現(xiàn)遙信、用PLC的DO模塊來實現(xiàn)遙控、用PLC的AI模塊來實現(xiàn)遙測、用PLC的通信功來完成與微機(jī)保護(hù)單元的通訊。利用PLC的各種模塊可以很方便的實現(xiàn)“三遙”基本功能。

3 地鐵變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 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CPU及I/O進(jìn)行自診斷。

電源模塊，采用冗余配置。電源采用冗余配置，系統(tǒng)輸入兩路直流電源，保證系統(tǒng)在1路電源失電時，系統(tǒng)仍可無擾動安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。通訊模塊采用Modbus＋通訊模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

間隔層的微機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)過RS-485總線分成幾個組，連接到網(wǎng)橋的Modbus通訊口上，通過網(wǎng)橋收集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)通過MB+網(wǎng)絡(luò)送到主監(jiān)控單元PLC。

系統(tǒng)的主監(jiān)控單元可通過可編程網(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，每臺網(wǎng)橋具有4個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MB+網(wǎng)絡(luò)與PLC建立網(wǎng)絡(luò)通訊;同時在中央信號屏中還配有可編程網(wǎng)橋NW-BM85C485，通過MB+網(wǎng)絡(luò)與PLC連接，每個可編程網(wǎng)橋具有四個通訊協(xié)議可編程的RS-485口，在本方案中對其中的兩個口進(jìn)行編程，使之通過IEC-60870-7-101與中央控制中心通訊。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊層向上通過可編程網(wǎng)橋的RS-422接口采用IEC60870-5-101國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約實現(xiàn)與控制中心通訊;向下網(wǎng)絡(luò)通訊層通過網(wǎng)橋RS-422接口MODBUS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約實現(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)測控單元等智能裝置通訊，滿足變電所綜合自動化系統(tǒng)控制、測量、保護(hù)的技術(shù)要求。通過網(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。帶有液晶顯示器實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的顯示和控制。液晶顯示以漢字實時顯示所內(nèi)所有事故、預(yù)告信號、所內(nèi)各微機(jī)綜合保護(hù)測控單元的運(yùn)行狀態(tài)。事件變位的內(nèi)容、時間等。當(dāng)多個事故信號同時發(fā)生時,液晶顯示報警裝置按新舊次序，在所內(nèi)時間分辨率的范圍內(nèi)依次顯示各種信息,并能存儲。操作員通過按鈕對顯示進(jìn)行選擇,必要時操作員可通過該組操作按鈕對開關(guān)進(jìn)行所內(nèi)集中控制。

“就地-遠(yuǎn)方”控制切換裝置。為便于系統(tǒng)運(yùn)行的需要，在中央信號屏內(nèi)裝有“就地-遠(yuǎn)方”切換開關(guān)，實現(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)輸入兩路直流電源，保證系統(tǒng)在一路電源失電時，系統(tǒng)仍可無擾動安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 開放式、宜擴(kuò)展性設(shè)計

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，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)計考慮到工業(yè)以太網(wǎng)、CAN、422、modbus＋等現(xiàn)場總線的接口設(shè)計，能充分滿足大流量實時數(shù)據(jù)傳送的實時性和可靠性。

3.3 軟件設(shè)計

PLC軟件方面，由于PLC以循環(huán)掃描和中斷兩種方式來執(zhí)行程序。為了完成所有RTU功能，PLC采用循環(huán)掃描方式，與各個間隔層保護(hù)單元進(jìn)行通訊。通過Modbus總線，讀取各個保護(hù)單元的遙測、遙信信息，同時通過總線通訊對各個智能保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)點操作，實現(xiàn)對開關(guān)的遙控功能。本系統(tǒng)采用了Quantum系列PLC配套的concept編程軟件中的FBD方式，進(jìn)行了PLC的組態(tài)，實現(xiàn)了變電站自動化的三遙功能。

如圖2所示的遙控功能的組態(tài)。通過使用合適的功能塊的組合，可以實現(xiàn)你所要的功能。其中的功能塊有concept軟件的FFB libarary 提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，也可以自己定義，自己獨特的功能塊。

遙信的實現(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，通過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。

圖2 遙控功能的組態(tài)

遙測的實現(xiàn)也包含兩種方式。一種是通訊方式，PLC通過與智能保護(hù)裝置的通訊，實時獲取保護(hù)裝置采集的遙測量信息，相當(dāng)于由保護(hù)裝置完成現(xiàn)場級的采集功能。另一種為AI模塊方式，由PLC自己來完成現(xiàn)場的遙測量采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存放在RAM中。網(wǎng)橋?qū)AM中的遙測量信息，作為二級數(shù)據(jù)，實時的與控制中心進(jìn)行通訊。

網(wǎng)橋中的報文接收分析程序分析控制中心傳來的報文，如果分析認(rèn)為其是遙控報文，對其進(jìn)行報文解析，將獲取的遙控對象信息寫入PLC，由PLC程序與智能保護(hù)裝置通訊，來完成遙控功能。

3.4 系統(tǒng)功能及特點

變電站自動化實施對變電站各種設(shè)備進(jìn)行實時控制和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對各種設(shè)備的微機(jī)控制、監(jiān)視、邏輯閉鎖、微機(jī)測量以及實現(xiàn)所間開關(guān)聯(lián)跳功能。

變電站自動化系統(tǒng)的特點:

(1) 完善的自檢功能，除通過通信對各單元進(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，同時二者相互監(jiān)視，一旦發(fā)生異常，及時報警，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，通過軟件判斷其合法性。
(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)通過現(xiàn)場總線上傳到通訊控制器。
(4) 取消了常規(guī)光字牌，采用計算機(jī)模擬光字牌，并按不同電壓等級的分層模式來顯示。
(5) 簡化防誤閉鎖設(shè)計，重要設(shè)備之間用硬接線實現(xiàn)閉鎖功能，綜合自動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，一般不在后臺軟件中進(jìn)行閉鎖。
(6) 對暫態(tài)變位信號，經(jīng)軟件處理，采用自保持方式，未經(jīng)人工確認(rèn)信號不會消失。

4 結(jié)束語

在實際運(yùn)行中，網(wǎng)橋與控制中心的雙通道設(shè)計，給運(yùn)營和檢修帶來了很大的便利。因為是軟件自動切換，克服了進(jìn)口系統(tǒng)手動切換通道的缺點，通道的狀態(tài)由軟件來判斷，大大提高了發(fā)現(xiàn)問題的及時性。雙通道同時出現(xiàn)故障的概率并不是很高，實際運(yùn)營中有在備用通道長時間運(yùn)行的情況，這樣就給檢修人員預(yù)留了充足的時間來檢查問題。

PLC硬件由于應(yīng)用工業(yè)級可靠性設(shè)計，因此實際運(yùn)行中非?？煽?，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還沒有出現(xiàn)過硬件故障，凸顯了PLC對地鐵的潮濕、高溫環(huán)境的適應(yīng)性。模塊化的設(shè)計也使的系統(tǒng)的檢修和更換更為便捷。

需要更改進(jìn)的方面，就是對通信的改進(jìn)。由于設(shè)計中沒有采用光纖通訊模塊，各設(shè)備對由絕緣檢修和線纜破損竄進(jìn)來的高壓電，不能非常有效的隔離，會造成設(shè)備的高壓擊穿，造成不必要的損失，計劃在今后的設(shè)計中對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題