地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測分析

陳哲

（中鐵電氣化局集團第一工程有限公司，北京100029）

1 項目概況

以某市地鐵2 號線供配電系統(tǒng)作為試驗對象進行供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測方案設(shè)計。在本項目中涉及的供配電設(shè)備包括GIS、變壓器、直流開關(guān)柜、氣體絕緣開關(guān)柜、整流變壓器、配電變壓器、交流以及直流電纜等，構(gòu)成比較復(fù)雜。由于所有的設(shè)備都帶電運行，因此，設(shè)計的在線監(jiān)測方案不能對設(shè)備正常運行造成干擾，在不停電的狀態(tài)下完成設(shè)備的安裝調(diào)試。

2 地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備的基本構(gòu)成

當(dāng)前，地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備主要包括變壓器、整流器、交流開關(guān)、直流開關(guān)等。為了適時掌控這些設(shè)備的運行狀態(tài)，確保供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，對這些設(shè)備進行在線監(jiān)測勢在必行。

2.1 變壓器

在地鐵供配電系統(tǒng)當(dāng)中采用的變壓器通常為110kV 三相油浸式變壓器，其主要作用是將110kV 的電源轉(zhuǎn)換為10kV或者35kV 交流電。變壓器在運行過程中通常容易出現(xiàn)的故障有局部升溫、滲漏油、局部放電、絕緣下降或者消失、異常噪聲等，無論哪種故障都會直接影響到供配電系統(tǒng)的安全運行。

2.2 直流開關(guān)

直流開關(guān)的主要作用是控制直流牽引電源的正常供給，在系統(tǒng)發(fā)生故障時可以快速做出反應(yīng)，切斷發(fā)生故障的電路，確保供配電系統(tǒng)的安全，直流斷路器是直流開關(guān)的核心構(gòu)件[1]。直流開關(guān)比較容易出現(xiàn)的故障包括絕緣故障、斷路器故障、局部升溫、觸頭燒損等，這些故障會導(dǎo)致直流開關(guān)難以正常發(fā)揮作用，從而無法對供配電系統(tǒng)形成保護。

2.3 整流器

整流器的本質(zhì)是電流變換的裝置，需要和牽引變壓器進行組合使用，當(dāng)牽引變壓器所供給的交流電通過時整流器將其轉(zhuǎn)換為直流電。整流器容易出現(xiàn)的故障包括二極管擊穿、局部升溫、絕緣下降或者消失、壓倉電阻、壓敏電阻等。

2.4 低壓400V開關(guān)柜

低壓400V 開關(guān)柜的主要作用是電所或地鐵站低壓交流負載的供電和保護功能。低壓400V 開關(guān)柜比較容易的故障包括絕緣下降或者消失、局部升溫、絕緣閃絡(luò)、斷路器故障、絕緣擊穿。

3 地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文擬采用S7-200 的PLC，人機界面選擇TP177A 觸摸屏，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1 所示，其中1 號和2 號PLC 控制整流柜中2 個控制器，3 號PLC 控制交流開關(guān)和直流開關(guān)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖

3.1.1 MPI 網(wǎng)絡(luò)

MPI 指的是多點接口網(wǎng)絡(luò)，由西門子研發(fā)，主要是用于PLC 系統(tǒng)之間的通信保密協(xié)議。利用MPI 網(wǎng)絡(luò)可以與S7-200的PLC 組成通信網(wǎng)絡(luò)，其對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸鄬Φ膫鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量也不大，屬于一種比較簡單、性價比高的通信網(wǎng)絡(luò)。S7-200 的PLC 支持MPI 通信協(xié)議，一個MPI 網(wǎng)絡(luò)最高可以允許連接32 個站點，在本方案中連接的個數(shù)主要受PLC的CPU 限制，最多可以連接4 個。

3.1.2 交流開關(guān)柜、直流開關(guān)柜和PLC 的通信

在本方案中，交流開關(guān)柜、直流開關(guān)柜和PLC 的通信擬用Modbus 通信協(xié)議，以3 號PLC 為助戰(zhàn)，利用PORT1 端口實現(xiàn)對交流開關(guān)柜的信息采集。直流開關(guān)柜的控制器采用S7-300的PLC，二者之間以交叉網(wǎng)線進行連接，從而實現(xiàn)通信。

3.2 軟件設(shè)計方案

3.2.1 WinCC flexible

這是一種具有前瞻性、自動化的人機界面軟件，可以用于組態(tài)任務(wù)工程系統(tǒng)黨總，其設(shè)計舒適并且高效，可以針對不同的組態(tài)任務(wù)設(shè)計對應(yīng)的編輯器，其主要的優(yōu)勢表現(xiàn)為處理方式比較直接、處理過程靈活性以及透明性較高。

3.2.2 組態(tài)項目

用于組態(tài)用戶界面的基礎(chǔ)是項目，于項目當(dāng)中創(chuàng)建并完成所有需要組態(tài)的對象，利用這些對象對地鐵供配電系統(tǒng)實現(xiàn)操作以及監(jiān)測。具體主要包括建立連接、變量、畫面、報警4 方面。

建立連接主要是實現(xiàn)PLC 和觸摸屏的連接，在創(chuàng)建項目的過程中，已經(jīng)完成了連接參數(shù)的設(shè)定，定義地址2、10 用于PLC、觸摸屏當(dāng)中，波特率設(shè)定為19.2kb/s，然后在WinCC flexible 當(dāng)中選擇對應(yīng)的驅(qū)動程序就可以實現(xiàn)通信連接。

變量主要分為內(nèi)部變量與外部變量，在WinCC flexible 當(dāng)中，可以實現(xiàn)對變量的集中管理。外部變量主要用于通信，其代表的是PLC 當(dāng)中已定義的內(nèi)存位置映像，關(guān)于數(shù)據(jù)類型主要與人際界面設(shè)備連接的PLC 有關(guān)[2]。PLC 和人機界面設(shè)備都可以讀寫已定義的內(nèi)存位置，支持周期性讀寫，也支持觸發(fā)性讀寫。

畫面作為項目的關(guān)鍵性元素，因此，可以實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的操作以及監(jiān)測，在本設(shè)計方案中，需要監(jiān)測的設(shè)備包括R11、R12 整流器、開關(guān)柜、低壓400V 開關(guān)柜、1500V 設(shè)備、變壓器等，畫面主要包括文本域以及輸出域，根據(jù)設(shè)備的類型顯示相關(guān)監(jiān)測信息，以確保工作人員可以掌握供配電系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)。

報警主要用于人機界面設(shè)備中，用來指示地鐵供配電系統(tǒng)的操作狀態(tài)或者出現(xiàn)的故障。在本設(shè)計方案當(dāng)中，采用的是離散量報警，當(dāng)直流開關(guān)或者其他保護性裝置做出保護動作時，會直接發(fā)出警報，并在人機界面設(shè)備中顯示報警信息，并且還可以實現(xiàn)對歷次報警信息的存儲，以便于運維人員進行維修。WinCC flexible 會在人機界面設(shè)備，也就是觸摸屏上顯示報警視圖，根據(jù)不同組態(tài)可以同時顯示多項報警信息，并且報警窗口關(guān)閉或者打開支持事件觸發(fā)。

4 結(jié)語

在本項目中采用了上述地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測方案，經(jīng)過為期1 年的實踐和監(jiān)測，總結(jié)如下：

1）地鐵供配電系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成比較復(fù)雜，涉及多項設(shè)備，設(shè)備質(zhì)量會直接影響供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，通過采用本在線監(jiān)測方案，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題并進行報警，極大地降低設(shè)備故障發(fā)生的風(fēng)險，有效保證了供配電系統(tǒng)的運行。

2）對老化的設(shè)備或者使用壽命即將終結(jié)的設(shè)備進行實時監(jiān)測，可以最大限度地發(fā)揮其剩余價值，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果適時更新設(shè)備。

3）采用供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測方案替代停電試驗，可以最大限度地減少停電的時間，并節(jié)省用于試驗的費用。

4）目前，各大城市的地鐵運維人員配額為60 人/km，隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模越來越大，需要投入的人力資源越來越多，采用供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測方案，可以有效降低運維人員配額，節(jié)省人力資源成本。

總體來說，采用供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方案以來，取得了良好的效果，極大地提升了地鐵運營效益。