再生能量回饋裝置對(duì)外通信模式的改進(jìn)

林 靜

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)第一運(yùn)營(yíng)有限公司，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

城市軌道交通車輛（地鐵、輕軌等）從中、高速牽引運(yùn)行切換至制動(dòng)過(guò)程時(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子磁場(chǎng)給定的“同步轉(zhuǎn)速”，產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向，吸取機(jī)械功率，輸出電功率，此時(shí)吸收裝置控制勵(lì)磁的給定頻率、反并聯(lián)的續(xù)流管為定子電流提供回路，整流后回饋至觸線網(wǎng)，造成直流母線電壓升高。為穩(wěn)定直流母線電壓，濟(jì)南地鐵3 號(hào)線采用逆變回饋的方式將再生制動(dòng)的能量回饋至交流電網(wǎng)。

1 再生能量回饋裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

再生能量回饋裝置安裝在牽引變電所直流側(cè)，用于將車輛制動(dòng)電能以有源逆變的方式回饋到35 kV 交流電網(wǎng)，再生能量回饋裝置由控制柜、功率柜組成，因再生能量回饋裝置具備無(wú)功補(bǔ)償和有源濾波的功能，可提升系統(tǒng)功率因數(shù)改善電能質(zhì)量。再生能量回饋裝置系統(tǒng)電路如圖1 所示，再生能量回饋裝置系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 再生能量回饋裝置系統(tǒng)電路

圖2 再生能量回饋裝置系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 再生能量回饋裝置現(xiàn)有通信方式

再生能量回饋裝置配備一臺(tái)HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面），用于人員與設(shè)備之間的信息交互，再生制動(dòng)能量吸收裝置HMI 如圖3 所示。人員可以通過(guò)HMI 查詢裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)、保護(hù)記錄、回饋電量等信息，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行需求進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。回饋裝置目前對(duì)外通信利用HMI，其讀取主控制器、PLC 和電度表的數(shù)據(jù)信息，再將讀取到的信息上傳至PSCADA（Power Supervision Control and Data Acquisition，變電所自動(dòng)化系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度及復(fù)示系統(tǒng)對(duì)再生能量回饋裝置的電力監(jiān)控。同時(shí)利用觸摸屏RS-232 通信口與遠(yuǎn)程通信模塊通信，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。由于能饋?zhàn)儔浩鞯耐ㄐ判盘?hào)也是先連接到了回饋裝置上，所以變壓器的運(yùn)行狀況也是通過(guò)HMI 上傳至PSCADA。再生能量回饋系統(tǒng)通信方式如圖4 所示。

圖3 再生能量吸收裝置HMI

圖4 再生能量回饋系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

采用HMI 通信的優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：一是其內(nèi)部的RS-485 通信接口自身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。二是RS-485 通信接口提供多種標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，無(wú)需再編寫(xiě)底層的程序，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置即可，維護(hù)上相對(duì)簡(jiǎn)單。

3 存在的弊端

目前濟(jì)南3 號(hào)線自開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)現(xiàn)場(chǎng)已出現(xiàn)了兩次HMI黑屏的現(xiàn)象，黑屏后再生制動(dòng)能量回饋裝置與PSCADA 的通信便會(huì)斷開(kāi)，裝置的所有信息將不能上傳至PSCADA，PSCADA 會(huì)檢測(cè)到通信斷線，發(fā)出報(bào)警信息，設(shè)備工況退出報(bào)警信息如圖5所示。此種故障現(xiàn)象引發(fā)的最大問(wèn)題就是一旦黑屏，電力調(diào)度及復(fù)示系統(tǒng)對(duì)再生能量回饋裝置的電力監(jiān)控便會(huì)中斷，能饋?zhàn)儔浩鞯默F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況也無(wú)法監(jiān)測(cè)，只能通過(guò)檢修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后對(duì)HMI 重啟才能恢復(fù)。對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的人機(jī)界面裝置返廠后從外觀、主板、液晶及T-CON 板三個(gè)方面進(jìn)行了檢測(cè)，均顯示正常。分析了其他會(huì)引起黑屏的原因也都在現(xiàn)場(chǎng)勘察后全部排除，最終將此類黑屏問(wèn)題定位設(shè)備內(nèi)部程序偶發(fā)性事件。

圖5 設(shè)備報(bào)警信息

4 方案的分析

針對(duì)此類偶發(fā)性事件，若想徹底有效解決，只能將與PSCADA 通信的接口由HMI 改為主控箱或PLC，能饋?zhàn)儔浩鞯臏乜叵洳辉龠B接回饋裝置，直接由一組RS-485 線敷設(shè)至控制信號(hào)屏的通信端子排，這樣繞過(guò)HMI 這一環(huán)節(jié)，設(shè)備工況便不會(huì)受黑屏現(xiàn)象的影響。

（1）主控箱做主站，將HMI 與主控的通信進(jìn)行更改，將HMI作為從站，主控部分做主站，將PLC、HMI、電度表等掛接到總線上。此種情況可以空閑出一路通信口作為對(duì)外通信用，但是需要考慮好如何處理參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題。而且采用主控箱做主站PLC程序變更的內(nèi)容多，PLC 需要不停的讀取HMI 設(shè)定的數(shù)據(jù)，并判斷是否有變化。改造后的通信方式如圖6 所示。

圖6 方案一改造后系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

（2）打亂現(xiàn)在的方式，重新設(shè)計(jì)主控部分的硬件，將DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）的SCI（Serial Communication Interface，串行通信接口）通信口引出，此種方式需要重新設(shè)計(jì)主控箱。重新設(shè)計(jì)主控部分系統(tǒng)會(huì)更加的合理，但工作量是最大的，需要重新驗(yàn)證的的工作量也最大。

（3）PSCADA 通信接口由HMI 改為PLC，此方案存在以下問(wèn)題：①目前現(xiàn)場(chǎng)用PLC 只有一路RS-485 通信接口，這路RS-485 通信接口已用于內(nèi)部系統(tǒng)控制，硬件接口條件不具備；②現(xiàn)有的通信數(shù)據(jù)中涉及的電度表遙測(cè)數(shù)據(jù)、主控箱采集的遙測(cè)數(shù)據(jù)、部分主控箱采集的遙信數(shù)據(jù)可能不能正常上傳，即使能完成上傳，上述數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部需要多次中轉(zhuǎn)，時(shí)效性大大降低；③遙控功能與主控箱信息需要重新分配，增加一定處理難度。PLC 程序需要重新開(kāi)發(fā)，存在不確定的因素，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)不可把控。

（4）能饋?zhàn)儔浩鳒乜叵渲量刂菩盘?hào)盤(pán)距離太遠(yuǎn)，有的站設(shè)備房都不在同一樓層，而且大部分都是控制柜內(nèi)走線，對(duì)于已經(jīng)帶電運(yùn)行的設(shè)備重新敷線工程量太大不易實(shí)現(xiàn)。

鑒于以上風(fēng)險(xiǎn)和工作難度系數(shù)，綜合考慮不建議在正常投運(yùn)的設(shè)備上做較大改動(dòng)，不利于保證設(shè)備后期的安全運(yùn)行。

5 解決措施

經(jīng)與廠家交流，決定從問(wèn)題根源入手，增加HMI 黑屏（死機(jī)）后自啟功能。若HMI 出現(xiàn)黑屏，設(shè)備內(nèi)部程序自檢到死機(jī)狀態(tài)超過(guò)3 s 便開(kāi)啟自啟功能。而此種方法只需考慮設(shè)備自身如何判定死機(jī)狀態(tài)，及對(duì)自啟功能進(jìn)行驗(yàn)證確保功能性正常即可。既能解決黑屏后無(wú)需人工現(xiàn)場(chǎng)自啟設(shè)備便可恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的問(wèn)題，又能確保對(duì)已經(jīng)投運(yùn)的設(shè)備改動(dòng)最小，把后期運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)降到最低。