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案例頻道◆ 引言
地鐵是我國大型城市公共交通的重點(diǎn)發(fā)展方向，而可靠的供電是地鐵安全運(yùn)營的重要保障，功能強(qiáng)大的地鐵供電變電站自動化系統(tǒng)又是保證供電質(zhì)量的基礎(chǔ)。地鐵供電變電站的一次設(shè)備、運(yùn)行方式及管理模式與大電網(wǎng)變電站有一定的差異，導(dǎo)致了其自動化系統(tǒng)的功能也與大電網(wǎng)變電站的功能存在不少差異。
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(dú)立完成，并將這些信息通過通訊系統(tǒng)送至后臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。變電站自動化的綜合功能均由后臺計(jì)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(jì)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(jì)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。
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(shí)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OMRON C200HG中型PLC，來實(shí)現(xiàn)變電站自動化的RTU功能。歐姆龍系列PLC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(shí)時控制。當(dāng)然，對應(yīng)于變電站的電壓等級和點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)遙控和遙信。使用PLC的DI模塊來實(shí)現(xiàn)遙信、用PLC的DO模塊來實(shí)現(xiàn)遙控、用PLC的AI模塊來實(shí)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(shí)現(xiàn)“三遙”基本功能。
◆ 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(jì)中，采用分層分布式功能分割方案。系統(tǒng)縱向分三層，即區(qū)域調(diào)度層、變電站調(diào)度層和現(xiàn)場設(shè)備層。分層式設(shè)計(jì)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。
·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。主機(jī)采用研華系列的工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)視和數(shù)據(jù)處理及備份等。
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。
系統(tǒng)采用業(yè)界通用的三層模式，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)組成示意圖
（1）底層為現(xiàn)場總線網(wǎng)CONTROLLER LINK。它把智能儀表延伸到現(xiàn)場，對數(shù)字量、模擬量直接控制，信息通過現(xiàn)場總線傳到控制站。
（2）中間層為高速實(shí)時SYSNET網(wǎng)，它把各站房聯(lián)成一體。SYSNET既可以與PLC也可以與普通計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，從而便于與其他類型的DCS系統(tǒng)互聯(lián)，達(dá)到系統(tǒng)開放的目的。
（3）上層為ETHERNET網(wǎng)，可與各站房和區(qū)域電力總調(diào)度相聯(lián)，并與MIS系統(tǒng)互聯(lián)。ETHERNET的通信服務(wù)器可為遠(yuǎn)程用戶提供方便，共享有關(guān)信息。
上位機(jī)采用組態(tài)軟件（組態(tài)王Kingview5.0）編程。Controller Link是一種FA（工廠自動化）網(wǎng)絡(luò)，它可以在OMRON C200HX/HG/HE可編程序控制器和IBM PC機(jī)或其兼容機(jī)之間方便、靈活地發(fā)送和接收大容量數(shù)據(jù)包，采用令牌總線方式，雙絞線電纜連接，最大傳輸距離可達(dá)500m（2Mb/s）-1km（500Kb/s）。通信協(xié)議宏（Protocol Macro）是一種通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)SYSMAC。系列PLC同各種帶有RS-232C或RS-422/485端口的通用器件的數(shù)據(jù)傳送。用戶可以用OMRON通信協(xié)議支持軟件（PST）設(shè)定數(shù)據(jù)傳送步驟（通信序列），并在梯形圖程序中使用PMCR指令執(zhí)行該通信序列本系統(tǒng)中，設(shè)置了2個通訊序列，分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，每個序列內(nèi)又分成4步。
各層都配置液晶顯示器，用于系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控、軟件維護(hù)、設(shè)備調(diào)試、站控層操作等人機(jī)接口，實(shí)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)，事件改變的內(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，并進(jìn)行存儲。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(shí)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。
·開放式、宜擴(kuò)展性設(shè)計(jì)
可以與滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的其它公司相關(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(jì)，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(jì)考慮到工業(yè)以太網(wǎng)、CAN、422、等現(xiàn)場總線的接口設(shè)計(jì)，能充分滿足大流量實(shí)時數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時性和可靠性。
◆ 軟件設(shè)計(jì)
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(diǎn)操作，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)的遙控功能。編程軟件采用CX-Programmer編程環(huán)境。該軟件是OMRON開發(fā)的應(yīng)用于C200H PLC的編程軟件，運(yùn)行在Windows2000操作系統(tǒng)中，在自動化工程各方面具有友好的用戶功能。本系統(tǒng)軟件通過相應(yīng)設(shè)計(jì)和配置，實(shí)現(xiàn)了變電站自動化的三遙功能。
主程序示意圖如圖2所示。
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遙信的實(shí)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。
遙測的實(shí)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(shí)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(shí)時的與控制中心進(jìn)行通訊。
◆ 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)
變電站自動化系統(tǒng)對變電站各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時控制和數(shù)據(jù)采集，實(shí)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(shí)現(xiàn)所有開關(guān)聯(lián)跳功能。
變電站自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)：
（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(diǎn)，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）簡化防誤閉鎖設(shè)計(jì)，重要設(shè)備之間用硬接線實(shí)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(yàn)，一般不在后臺軟件中進(jìn)行閉鎖。
（5）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。
◆ 結(jié)束語
在實(shí)際運(yùn)行中，因?yàn)槭遣捎玫碾p機(jī)熱冗余方案，大大提高了發(fā)現(xiàn)問題的及時性。實(shí)際運(yùn)營中即便是主機(jī)出現(xiàn)故障，備用主機(jī)也可以堅(jiān)持長時間的正常運(yùn)行，這樣就給檢修人員預(yù)留了充足的時間來檢查問題，并保證了萬家燈火、長久璀璨的實(shí)際效果。
PLC硬件由于應(yīng)用工業(yè)級可靠性設(shè)計(jì)，因此實(shí)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(jì)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(jì)也使系統(tǒng)的檢修和更換更為便捷。
整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用光纖通訊模塊，可以有效的隔離各設(shè)備對由絕緣檢修和線纜破損竄進(jìn)來的高壓電，避免設(shè)備因意外引起的高壓擊穿而造成不必要的損失，對于同行來講這是一個很好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］楊長能，張興毅.可編程序控制器（PC）基礎(chǔ)應(yīng)用［M］.重慶大學(xué)出版，1999.
［2］王建南.工廠供電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化裝置［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.
［3］揚(yáng)曉憲等.變電站可編程控制的中央信號系統(tǒng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1996（8）.
［4］可編程序控制器操作手冊.OMRON公司，1997.
——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號