北京地鐵昌平線變電所綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

◎ 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 虞 庸

1、引言

城市軌道交通自動化技術(shù)發(fā)展到今天，進入了全數(shù)字化、智能化、信息化的新階段。從世界發(fā)展上看，地鐵運營在新的自動化平臺支持下，實現(xiàn)資源共享、信息互通使得運營效率以及安全性、可靠性更加提高；乘客至上，以人為本的服務(wù)理念深入到監(jiān)控管理的每一層面；而且，新的自動化平臺支持了整個城市軌道交通體系的綜合監(jiān)控管理，支持了城市軌道交通線網(wǎng)的資源共享。

城市軌道運營交通系統(tǒng)是一種高密度、大運量的交通系統(tǒng)，必須保證其高度的安全性和可靠性，而變電所綜合自動化系統(tǒng)則為整個軌道交通的安全運行提供了基礎(chǔ)保障。變電所綜合自動化系統(tǒng)對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號報警等各項功能，使調(diào)度中心實時掌握各個變電所設(shè)備的運行情況，遠程對設(shè)備進行操作。變電所綜合自動化系統(tǒng)保障了變電所系統(tǒng)的正常運行，同時大大提升供電系統(tǒng)調(diào)度、管理及維修的自動化程度，提高供電質(zhì)量，保證系統(tǒng)安全、可靠地運行。

2、工程概況

北京市軌道交通昌平線是一條連接中心城區(qū)與昌平新城的南北向的軌道交通快速客運線路，線路北起十三陵景區(qū)，南至城鐵13號線西二旗站。

3、變電所綜合自動化系統(tǒng)概況

昌平線一期供電系統(tǒng)采用開環(huán)雙環(huán)網(wǎng)接線，全線設(shè)置5個供電分區(qū)，各供電分區(qū)之間設(shè)置常開的應(yīng)急聯(lián)絡(luò)開關(guān)。為保證繼電保護的選擇性，中壓供電網(wǎng)絡(luò)采用縱差主保護加過電流后備保護。

昌平線工程設(shè)有綜合監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)對電力監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)進行集成。供電系統(tǒng)設(shè)備采用兩級管理、三級控制模式，兩級管理分別為：控制中心、車站控制室；三級控制分別為控制中心、車站/變電所控制室、設(shè)備就地。變電所綜合自動化系統(tǒng)通過通信接口與車站/停車場綜合監(jiān)控系統(tǒng)連接，由控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)電力調(diào)度中心功能，由車站/停車場綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)車站/停車場對變電所設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控功能。

昌平線變電所綜合自動化系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的10kV開關(guān)柜、750V開關(guān)柜、0.4kV開關(guān)柜、0.4kV有源濾波裝置、牽引變壓器、硅整流器、配電變壓器、排流柜、牽引網(wǎng)電動隔離開關(guān)、制動能量消耗裝置、鋼軌電位限制裝置等配置的綜合測控保護裝置、智能采集裝置通過通信接口連接實現(xiàn)集中監(jiān)控。

圖1給出的是北京軌道交通昌平線生命科學(xué)園典型站的變電所系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。10KV開關(guān)柜、10KV保護的GE F650綜合保護測控裝置和GE L30差動保護裝置，直流750V開關(guān)柜，通訊單元主要由SEPCOS保護測控設(shè)備和S7-200 PLC構(gòu)成。400V開關(guān)柜，通訊單元主要由Schneider PLC-Twido 系列構(gòu)成。

變電所綜合自動化系統(tǒng)包括全線23個變電所綜合自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分為三類，第一類是牽引降壓混合變電所自動化系統(tǒng)、第二類是區(qū)間牽引變電所自動化系統(tǒng)、第三類是跟隨式降壓變電所自動化系統(tǒng)。

為了便于接口管理，區(qū)間變電所綜合自動化系統(tǒng)接入本供電分區(qū)的上級變電所綜合自動化系統(tǒng)。

圖1 北京地鐵昌平線變電所系統(tǒng)典型站結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

停車場、車輛段跟隨式降壓變電所各類設(shè)備通過光纜直接接入停車場、車輛段牽引降壓混合變電所綜合自動化系統(tǒng)通信控制器。

車站、停車場牽引降壓混合變電所綜合自動化系統(tǒng)與本車站、停車場的綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口，實現(xiàn)電力調(diào)度中心與變電所綜合自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

4、變電所綜合自動化系統(tǒng)功能實現(xiàn)

變電所綜合自動化實現(xiàn)變電所各種設(shè)備的控制、監(jiān)視、聯(lián)鎖/閉鎖、電流、電壓、功率、電度的采集等功能。變電所綜合自動化系統(tǒng)通過冗余的通信通道實現(xiàn)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的通信，通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)接受電力調(diào)度中心的控制命令；向電力調(diào)度中心傳送變電所操作、事故、預(yù)告、測量等信息。全線所有變電所綜合自動化系統(tǒng)通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)信息匯總，并實現(xiàn)控制中心、變電所控制室對變電所的統(tǒng)一調(diào)度管理。綜合監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，變電所綜合自動化系統(tǒng)可以獨立運行，并實現(xiàn)變電所綜合自動化系統(tǒng)的正常功能。

變電所綜合自動化系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式，分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由站內(nèi)管理層、數(shù)據(jù)通信層、間隔層組成。

圖2 北京地鐵昌平線變電所綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)方案

（1）站內(nèi)管理層實現(xiàn)變電所控制室對本車站變電所設(shè)備的監(jiān)視、報警功能，并負(fù)責(zé)變電所綜合自動化系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。包括雙冗余通信處理裝置DK3510E、一體化監(jiān)控計算機PC677B、自動化屏、綜合測控裝置DK3571B（含DI/DO/AI模塊）。

通信處理裝置是變電所自動化系統(tǒng)的核心設(shè)備，實現(xiàn)各類間隔層設(shè)備與監(jiān)控工作站、綜合監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信傳輸，接收電力調(diào)度中心/變電所控制室指令、向間隔層設(shè)備發(fā)布指令、收集并處理從間隔層設(shè)備采集到的各類信息。通信處理裝置采用天津凱發(fā)電氣公司生產(chǎn)的DK3510E雙冗余通訊處理裝置。DK3510E通信處理裝置采用Linux實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，控制器支持RS485/422/232、以太網(wǎng)等物理接口，可以實現(xiàn)IEC61850、PROFIBUS、DP/FMS、RS485/422/232、modbus、以太網(wǎng)等不同的接口協(xié)議轉(zhuǎn)換。主備機運行模式采用主機輪詢、備機監(jiān)聽、備份規(guī)約同步的方式保持雙機之間實時數(shù)據(jù)庫的連續(xù)性和一致性，當(dāng)發(fā)生主備機切換時，實時數(shù)據(jù)能無延遲的從主機發(fā)送出去，做到系統(tǒng)的無縫切換。當(dāng)主機更新參數(shù)時，通過該備份規(guī)約完成主備機參數(shù)的同步功能。

自動化屏用于集中放置站內(nèi)管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層設(shè)備，同時為這些設(shè)備提供DC220V電源自動化屏配有電鈴、電笛等報警設(shè)備，當(dāng)發(fā)生所內(nèi)預(yù)告報警、事故報警時，可以通過不同的方式引起管理人員的注意。自動化屏內(nèi)配有音響報警設(shè)備測試轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于音響報警裝置的測試。

智能測控單元可通過輸入、輸出模塊與基礎(chǔ)設(shè)備的二次無源接點連接，采集基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)或向其發(fā)送控制指令。

監(jiān)控工作站采用西門子一體化機SIMATIC Panel PC677B安裝變電所綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用軟件，用于提供變電所綜合自動化系統(tǒng)的人機操作界面。工作人員可以通過此工作站監(jiān)視變電所內(nèi)各類供電系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)、報警信號等。

（2）數(shù)據(jù)通信層實現(xiàn)變電所內(nèi)管理層與間隔層之間的通信。包括雙冗余以太網(wǎng)交換機，以太網(wǎng)、RS485/422光電轉(zhuǎn)換裝置、光纜、通信電纜等設(shè)備。

其中雙冗余以太網(wǎng)交換機采用赫斯曼RS30系列交換機，專業(yè)為工業(yè)通訊應(yīng)用而設(shè)計，具有即插即用、占用空間小、易于安裝、雙冗余電源、抗干擾能力強、通信穩(wěn)定等特點。DK3510E通訊處理裝置與10kV保護測控裝置、750V保護測控裝置之間安裝以太網(wǎng)光電轉(zhuǎn)換器，與400V PLC測控裝置安裝485/422光電轉(zhuǎn)換器，設(shè)備間經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器通過光纖介質(zhì)相連。變壓器溫控器、整流器、再生制動、交直流屏、排流柜智能通訊設(shè)備與DK3510E通訊處理裝置采用485總線連接。電能質(zhì)量管理系統(tǒng)直接通過雙冗余交換機與通訊處理裝置連接。

（3）間隔層實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、測量等功能。包括10kV保護測控裝置、750V保護測控裝置、0.4kV PLC測控單元、交直流電源系統(tǒng)監(jiān)控單元、變壓器與整流器監(jiān)控單元、鋼軌電位限制裝置、排流柜、雜散電流監(jiān)測裝置、制動能量消耗裝置等設(shè)備。

間隔層設(shè)備的運行不依賴于局域網(wǎng)絡(luò)，自身可以獨立完成各種保護、測量和控制功能。這些設(shè)備分散安裝于各開關(guān)柜內(nèi)或一次設(shè)備附近，各類設(shè)備之間互相獨立，互不影響。

5、經(jīng)濟效益和社會效益

KEYVIA-PSCADA變電所綜合自動化系統(tǒng)完全具有自主知識版權(quán)。VIA-PSCADA變電所綜合自動化系統(tǒng)采用先進的計算機軟硬件技術(shù)和最新的國際標(biāo)準(zhǔn)，基于分層、分布、高可靠性、高安全性、冗余等設(shè)計思想，采用計算機型分層、分布式開放局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)備采用模塊化、安全可靠性高、運行成熟、功能完善、性能先進、質(zhì)量穩(wěn)定、免維護或少維護等特點的產(chǎn)品。系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計充分考慮可靠性、可維修性和可擴性的要求。

KEYVIA-PSCADA變電所綜合自動化系統(tǒng)系統(tǒng)是一套技術(shù)先進、配置靈活、維護方便、功能完善、穩(wěn)定可靠，適用于地鐵、輕軌等城市軌道交通的電力監(jiān)控自動化系統(tǒng)。憑著可靠的產(chǎn)品質(zhì)量及完善的系統(tǒng)解決方案，KEYVIA-PSCADA變電所綜合自動化系統(tǒng)為打破國外產(chǎn)品壟斷，大幅度降低工程造價，發(fā)展民族經(jīng)濟做出了自己的貢獻。隨著它在軌道項目中的應(yīng)用、實施，將極大的推進軌道交通自動化系統(tǒng)國產(chǎn)化進程。