軌道交通變電所綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計

丁樹奎

DING Shu-kui

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100081）

0 引言

城市軌道交通運營所需的各種動力、照明的能量供給和分配均來源于變電所，而變電所內(nèi)的設(shè)備種類較多。這就決定了其設(shè)備管理繁瑣、接口形式復(fù)雜，通信方式和接口協(xié)議多樣。針對變電所諸多特點，現(xiàn)代化的變電所綜合自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)果，以良好的開放性和擴(kuò)展性、抗干擾能力強、可靠性高等特點對軌道交通的變電所進(jìn)行優(yōu)化配置管理；實現(xiàn)了軌道交通供電系統(tǒng)的信息互資源共享和實時監(jiān)控，提高了安全可靠性和響應(yīng)性。軌道交通變電所按地理位置一般設(shè)置在軌道沿線的車站、較長的區(qū)間、車輛段及停車場。為了實現(xiàn)軌道交通各專業(yè)系統(tǒng)之間的信息共享，提高各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合能力，提高軌道交通全線的整體自動化水平；軌道交通變電所綜合自動化系統(tǒng)通過冗余的通信通道接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS），實現(xiàn)軌道交通的綜合監(jiān)控統(tǒng)一管理。提高了軌道交通應(yīng)對各種突發(fā)事件的反應(yīng)速度，增強了應(yīng)變能力，提高的服務(wù)水平和運營管理水平。

圖1 PSCADA接口關(guān)系示意圖

1 PSCADA系統(tǒng)組成

變電所自動化系統(tǒng)以供電設(shè)備為監(jiān)控對象，通過網(wǎng)絡(luò)將分散布置的設(shè)備連接起來，通過監(jiān)控計算機進(jìn)行集中管理。變電所綜合自動化系統(tǒng)由站級管理層，網(wǎng)絡(luò)通信層和間隔設(shè)備層組成，采用分層分布式結(jié)構(gòu)。

站級管理層由自動化屏及安裝于自動化屏內(nèi)的監(jiān)控計算機和智能接口單元，智能測控單元和通信控制器，按鈕指示燈和轉(zhuǎn)換開關(guān)以及用于維護(hù)和維修的筆記本電腦等設(shè)備構(gòu)成。

網(wǎng)絡(luò)通信層為變電所內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信和接口設(shè)備，實現(xiàn)變電所內(nèi)管理層與基礎(chǔ)設(shè)備層之間的通信。該層采用國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的開放性、可擴(kuò)充性以及工程化的相關(guān)問題。

間隔設(shè)備層包括安裝在一次供電設(shè)備中的各種測控智能單元、采集信息設(shè)備單元、測控保護(hù)微機單元、以及采用硬接點接入的現(xiàn)場設(shè)備。設(shè)備包括10KV測控保護(hù)綜合單元、DC750V測控保護(hù)綜合單元、0.4kV開關(guān)柜智能信息采集單元、交直流電源裝置監(jiān)控單元、上網(wǎng)電動隔離開關(guān)、軌電位限制裝置、排流柜等。

變電所自動化系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的某一部分控制或線路受到損壞，整個系統(tǒng)的運行也不會影響到。變電所自動化系統(tǒng)具有適應(yīng)各種通訊接口的能力，完成間隔設(shè)備單元接口轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

系統(tǒng)監(jiān)控對象主要有：10kV饋線開關(guān)柜、10kV母聯(lián)柜、10kV進(jìn)、出線開關(guān)柜、10kV開關(guān)柜計量表計、750V直流系統(tǒng)開關(guān)柜、接觸網(wǎng)電動隔離開關(guān)柜、0.4kV開關(guān)及表計、整流變壓器溫控器、整流器監(jiān)控單元、配電變壓器溫控器、交/直流屏智能監(jiān)控單元、雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)智能監(jiān)控單元、單向?qū)ㄑb置測控單元、鋼軌電位限制裝置測控單元和再生制動測控裝置。車站主要設(shè)備是監(jiān)控工作站和自動化屏。

2 PSCADA系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)可由位于遠(yuǎn)方的調(diào)度中心或車站對變電所內(nèi)的一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、測量、保護(hù)、控制并記錄處理各種信息。系統(tǒng)支持功能包括數(shù)據(jù)采集、運行或遙控、繼電保護(hù)、聯(lián)鎖、順控、電壓無功控制、自檢、時鐘同步、系統(tǒng)配置和維護(hù)等。

2.1 監(jiān)視功能

通過對開關(guān)量的判斷處理，可以監(jiān)視各斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、有載調(diào)壓變壓器分接頭的位置和動作情況，以及微機保護(hù)、直流設(shè)備和其它自動裝置的狀態(tài)和動作情況。發(fā)生狀態(tài)變位時給出相應(yīng)的聲光語音報警、彈出相應(yīng)畫面并作出相應(yīng)的動作記錄。通過對電氣及非電氣模擬量的判斷處理，來監(jiān)視電網(wǎng)的運行；并根據(jù)其數(shù)據(jù)確定是處于正常狀態(tài)還是異常狀態(tài)。當(dāng)處于非正常運行范圍時給出相應(yīng)的聲光和語音報警、彈出相應(yīng)畫面并做出相應(yīng)的記錄。

2.2 操作功能

圖2 PSCADA系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖

操作員執(zhí)行的所有操作都嚴(yán)格受到權(quán)限的控制，沒有相應(yīng)操作權(quán)限的操作員無法執(zhí)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)提供的主要調(diào)度員操作有：掛牌操作、遙控操作、升降操作、人工置數(shù)、保護(hù)定值查看與修改、保護(hù)的投退。

2.3 遙控和閉鎖功能

系統(tǒng)控制操作對象包括：各電壓等級的斷路器以及隔離開關(guān)、接地刀閘、主變及所用變分接頭位置、站內(nèi)其它重要設(shè)備的啟動/停止。站內(nèi)主控制室所顯示的畫面上對各可控設(shè)備進(jìn)行開/合、投/退等控制操作，可以按選擇-返校-執(zhí)行的方式實現(xiàn)每次操作一個對象的控制；可以設(shè)立操作人、監(jiān)護(hù)人雙重檢查操作控制以提高安全性。

系統(tǒng)具有完備的控制閉鎖功能：對斷路器分合正確控制、對有載調(diào)壓變壓器分接頭進(jìn)行升降調(diào)節(jié)、對其他可控點進(jìn)行控制（電動刀閘等）、控制時具有防誤閉鎖功能（如接地刀沒拉開時不能合閘）、控制功能可增加監(jiān)督認(rèn)可功能、每個操作步驟系統(tǒng)自動記錄。

另外，系統(tǒng)還提供人機界面顯示功能、接地顯示功能和趨勢顯示功能等。

2.4 站級管理層

車站管理層設(shè)備主要完成全站的數(shù)據(jù)通訊及處理、人機界面、數(shù)據(jù)庫等功能。是系統(tǒng)與運行和維護(hù)人員的接口。

本系統(tǒng)站控級網(wǎng)絡(luò)采用星型光纖以太網(wǎng)方式，實現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性高和高安全可靠性。如支持多種通信媒介，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均有網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，可根據(jù)車站現(xiàn)場的實際情況選用通信媒介和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在站控級網(wǎng)絡(luò)可平滑地進(jìn)行系統(tǒng)升級。

間隔級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為多種方式并存的方案。信息量大、實時性要求高、遠(yuǎn)方操作頻繁的設(shè)備采用光纖以太網(wǎng)方式，其他設(shè)備采用串口通訊方式，通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纖。10KV保護(hù)測控裝置、750V直流保護(hù)測控裝置、相鄰跟隨變電所采用光纖以太網(wǎng)接入，0.4KV測控單元、再生制動裝置、經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換器接入通訊處理機，其他設(shè)備通信采用RS485屏蔽雙絞線。

間隔層智能設(shè)備主要包括整流器監(jiān)控單元、交直流電源系統(tǒng)監(jiān)控單元、整流變壓器溫控器和動力變壓器溫控器，以及10kV、750V、0.4kV開關(guān)柜等測控保護(hù)監(jiān)控單元。

圖3 PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件要求

綜合自動化系統(tǒng)軟件建立在不依賴于硬件設(shè)備的分布式軟件系統(tǒng)平臺之上，組成系統(tǒng)的軟件部件可以按照具體項目的硬件配置進(jìn)行部署；同時，具有良好開放性和與大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)相適應(yīng)的軟件構(gòu)架，豐富的數(shù)據(jù)和通信接口，并可以根據(jù)工程要求，擴(kuò)展開發(fā)新的數(shù)據(jù)和通信接口，可以與變電所供電設(shè)備智能接口實現(xiàn)信息互通，也可以與其它更高層的系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通。 用戶可以非常靈活的來搭配軟硬件平臺，系統(tǒng)的功能完全是可以進(jìn)行定制進(jìn)行部屬。

在使用管理上，系統(tǒng)軟件平臺提供一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE），對分布在多個服務(wù)器上的同一個應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一的開發(fā)。支持多個開發(fā)人員同時開發(fā)同一個應(yīng)用。軟件平臺本身提供技術(shù)和手段保證多個開發(fā)人員同時開發(fā)時的交互。

變電所綜合自動化系統(tǒng)的維護(hù)軟件主要實現(xiàn)以下功能。

1）系統(tǒng)配置功能：定義模塊、數(shù)字量參數(shù)庫配置、遙信量參數(shù)庫配置、遙測參數(shù)庫的設(shè)置、電度參數(shù)庫的設(shè)置、遙控參數(shù)庫的設(shè)置、遙調(diào)參數(shù)庫的設(shè)置、同期參數(shù)庫的設(shè)置、定值參數(shù)庫的設(shè)置、事故簡報參數(shù)庫的設(shè)置、SPI參數(shù)庫的設(shè)置、BCD參數(shù)庫的設(shè)置、其他數(shù)據(jù)參數(shù)庫的設(shè)置、直接采樣點數(shù)據(jù)庫的設(shè)置、處理器通訊口參數(shù)的配置。

2）系統(tǒng)維護(hù)功能：系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)復(fù)位，提供功能方塊圖、梯形圖、順序流程圖等編程語言工具，使用編程語言對閉鎖、程控等條件直觀方便地進(jìn)行編程，并將條件代碼下載至相應(yīng)的通信控制器。根據(jù)權(quán)限修改閉鎖、程控等條件代碼、查看系統(tǒng)錯誤信息等。

4 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

遙控正確率≥99.99%；遙信正確率≥99.9%；模擬量測量總誤差≤0.5%；站內(nèi)事件順序記錄分辨率≤5ms；站間事件順序記錄分辨率≤15ms；通信控制器對本變電所內(nèi)所有接口設(shè)備的巡檢周期不大于500ms；變電所監(jiān)控工作站遙信變位響應(yīng)時間小于2秒；裝置平均無故障工作時間不小于20000小時。

5 結(jié)束語

由于軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)備種類繁多和運營管理要求，其變電所綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計有其特殊性。隨著軌道交通新線的建設(shè)和新技術(shù)的發(fā)展，對變電所綜合自動化系統(tǒng)提出了更高的要求。本系統(tǒng)采用分層分布、實時開放和安全可靠的系統(tǒng)構(gòu)成，保證了整個系統(tǒng)的成熟性、可靠性、先進(jìn)性、實時性和可擴(kuò)展性；系統(tǒng)不但符合高安全、高可靠和節(jié)能的要求，而且滿足地鐵運營對其管理的需要。同時隨著PLC技術(shù)的大力發(fā)展，多專業(yè)學(xué)科的縱橫交叉應(yīng)用，采用標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)約、協(xié)議，為本系統(tǒng)提供了可靠保證。

[1] 徐勁松,江平. 地鐵供電變電所綜合自動化系統(tǒng)的功能[J]. 江蘇電機工程,2004(5)： 23-3.

[2] 王亞妮. 地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[J]. 廣東電力,2006(10),19-10.

[3] GB/T13729-2002遠(yuǎn)動終端設(shè)備[S].

[4] TB/T2831-1997電氣化鐵道牽引供電遠(yuǎn)動系統(tǒng)技術(shù)條件[S].