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1、需求分析
城市軌道交通供電系統(tǒng)是自成體系的配電系統(tǒng)，包含有傳統(tǒng)的交流供電系統(tǒng)和直流牽引供電系統(tǒng)兩部分。為了實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)營和管理的自動化。
變電站綜合自動化系統(tǒng)是軌道交通供電自動化的基本組成，是實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)功能的基本單元。軌道交通變電站內(nèi)各層之間的信息可充分共享，并通過通信接口與外系統(tǒng)交換信息。設(shè)計(jì)一個快速、穩(wěn)定、可靠的控制網(wǎng)絡(luò)是軌道交通變電站自動化系統(tǒng)的基本要求之一，是實(shí)現(xiàn)軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)行管理功能的前提。
整個上來講，軌道交通變電站綜合自動化系統(tǒng)劃分為站級管理層，網(wǎng)絡(luò)通信層，間隔層：
1） 站級管理層為設(shè)置在控制信號盤內(nèi)的冗余熱備的通信控制器、通用測控裝置和一體化監(jiān)視計(jì)算機(jī)。
2） 間隔層包括分散安裝于供電一次設(shè)備中的各種微機(jī)保護(hù)測控單元、信息采集設(shè)備、智能測控單元以及采用硬接點(diǎn)接入的現(xiàn)場設(shè)備。設(shè)備包括400V及10kV交流保護(hù)測控單元、750V直流保護(hù)測控單元、變壓器溫控器、軌電位限制裝置、制動能量吸收裝置、雜散電流監(jiān)控單元、UPS直流屏、電度表、上網(wǎng)隔離開關(guān)、跟隨所負(fù)荷開關(guān)等；
3） 網(wǎng)絡(luò)通信層即為所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和接口設(shè)備，間隔單元通過所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)層與站級管 理層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
整個系統(tǒng)面向變電所通盤考慮，通過間隔單元與一次開關(guān)設(shè)備、CT/PT等設(shè)備接口，實(shí)現(xiàn)對變電所設(shè)備的控制、監(jiān)視、測量、繼電保護(hù)及數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程通信等綜合自動化管理，以保證供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
一般來講，軌道交通供電系統(tǒng)分為高壓電源系統(tǒng)，直流牽引供電系統(tǒng)，動力、照明、信號電源三個系統(tǒng)。在軌道交通五號線供電系統(tǒng)中，作為軌道交通變電所自動化系統(tǒng)間隔層非常重要的組成部分，直流牽引供電系統(tǒng)直接給列車提供動力，其好壞直接影響整個地鐵供電系統(tǒng)質(zhì)量的高低。如果牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，小則影響某個變電站、幾個供電區(qū)間的輸送電，大則引起整個牽引供電系統(tǒng)崩潰，給地鐵列車的安全、運(yùn)營造成影響。
軌道交通牽引供電系統(tǒng)是直接為地鐵列車提供動力的系統(tǒng)，可以保證地鐵列車高速、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)電地運(yùn)行。目前北京軌道交通五號線牽引供電的運(yùn)行采用雙機(jī)組雙邊供電方式，即每個牽引變電站2臺牽引機(jī)組帶2臺總閘，并列向直流母線供電運(yùn)行，直流母線下設(shè)4臺分閘，即饋線開關(guān)（加上備用共5臺）,分別向上行、下行車輛進(jìn)行主備供電，兩個相鄰的牽引變電站同時向站內(nèi)同一饋電區(qū)間供電，如圖1所示：
圖1 軌道交通變電站直流牽引供電系統(tǒng)典型主接線圖
2 S7-200 PLC具體實(shí)現(xiàn)功能
圖1中，R1、R2為整流器裝置，60、70為直流進(jìn)線隔離開關(guān)，10、20、30、40和50為饋線斷路器，61和71為進(jìn)線斷路器，65和75為負(fù)極斷路器，14、24、34和44為旁路隔離開關(guān)，而16、26、36和46為上網(wǎng)隔離開關(guān)，813和824為越區(qū)隔離開關(guān)，除了旁路隔離開關(guān)和上網(wǎng)隔離開關(guān)之外，所有的保護(hù)和測控工作一般均由直流保護(hù)裝置（如DPU 96）進(jìn)行監(jiān)視和控制，而對于旁路隔離開關(guān)和上網(wǎng)隔離開關(guān)的監(jiān)視和控制工作將是由S7-200 PLC來完成，對于每一個饋線開關(guān)來講，均配置一個型號為“6ES7 277-0AA2-0XA0”的S7-200 PLC，該P(yáng)LC主要有8個字節(jié)的輸出和8個字節(jié)的輸入，其完成的監(jiān)控功能如下表1所示：
點(diǎn)描述 點(diǎn)類型 上位機(jī) DP地址
－ － － 字節(jié) 位
旁路隔離開關(guān)分 DI 采集 2 0
旁路隔離開關(guān)合 DI 采集 2 1
旁路隔離開關(guān) 故障 DI 采集 2 2
上網(wǎng)電隔操作就地方式 DI 采集 3 0
上網(wǎng)電隔操作遙控方式 DI 采集 3 1
上網(wǎng)隔離開關(guān)分 DI 采集 3 2
上網(wǎng)隔離開關(guān)合 DI 采集 3 3
上網(wǎng)隔離開關(guān) 故障 DI 采集 3 4
三軌有壓 DI 采集 3 5
上網(wǎng)隔離開關(guān)MCB跳閘 DI 采集 4 0
三軌有壓檢測設(shè)備故障 DI 采集 4 1
旁路隔離開關(guān)分閘命令 DO 控制 1 0
旁路隔離開關(guān)合閘命令 DO 控制 1 1
上網(wǎng)隔離開關(guān)分閘命令 DO 控制 1 2
上網(wǎng)隔離開關(guān)合閘命令 DO 控制 1 3
3 S7-200 PLC與上位機(jī)通信過程
以北京軌道交通五號線為例，變電所自動化系統(tǒng)采用的是南瑞的RT21-SAS系統(tǒng)，而750V直流開關(guān)柜測控單元S7-200 PLC與上位機(jī)RT21-SAS系統(tǒng)的通信接口采用就是PROFIBUS-DP規(guī)約與南瑞的C101通信控制器PROFIBUS主站進(jìn)行連接， C101通信控制器除了S7-200 PLC進(jìn)行主從連接外，還提供另一路PROFIBUS-DP接口與750V直流開關(guān)柜直流保護(hù)測控單元DPU96，每個站設(shè)置2套協(xié)議及光電轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)PROFIBUS－DP信息的接入。此外，10KV的整流器監(jiān)控單元與RT21-SAS系統(tǒng)的通信接口方案也是經(jīng)過PROFIBUS-DP規(guī)約與C101通信控制器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。具體連接方案如圖2所示。
圖2 S7-200 PLC與軌道交通變電所自動化系統(tǒng)上位機(jī)連接圖
S7-200 PLC作為DP從站，與C101通信控制器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信。C101通信控制器為南瑞自主研發(fā)的遵循EN50170標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP主站，它主要完成PROFIBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換成與總控通信的CAN2.0B協(xié)議。S7-200 PLC作為C101的從站，主要用于750V直流饋線柜的旁路隔離開關(guān)和上網(wǎng)隔離開關(guān)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等功能。
從通信流程上來講，S7-200 PLC主要是通過EM 277將S7-200 PLC CPU作為DP從站連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，此外，S7-200 PLC的EM 277還用來作為西門子STEP7 V5.3對S7-200 PLC進(jìn)行組態(tài)，主要是通過S7-200 PLC的MPI通訊口與裝有西門子STEP7 V5.3的計(jì)算機(jī)來對STEP S7軟件進(jìn)行組態(tài)。為了使S7-200 PLC的EM 277 PROFIBUS-DP模塊可以與主站通訊，S7-200 PLC與主站必須工作在相同的波特率下。當(dāng)EM 277 PROFIBUS-DP模塊用作MPI通訊時，其MPI主站必須使用DP模塊的站址向S7-200發(fā)送組態(tài)信息，發(fā)送到EM 277 DP模塊的MPI組態(tài)信息，將會被傳送到S7-200 PLC上，從而達(dá)到對S7-200 PLC組態(tài)的目標(biāo)。以下為S7-200 PLC作為DP從站與C101主站的組態(tài)參數(shù)配置如表2所示：
參數(shù) 數(shù)值 備注
主站站址 2 處于通信效率考慮，一般要求主站站址小于子站站址
子站地址 11、12, 13, 14 子站地址連續(xù)可以取得更高的通信效率
波特率 187,5 kbit/s 通信速率須適中，過高將會帶來通信誤碼率過高
HSA 31 最高站地址，所有子站地址均要小于該地址
Tslot_Init 600 主站掃描S7-200 PLC全部子站的最大掃描時間
Max.Tsdr 80 主站掃描一個S7-200 PLC子站的最大等待時間
Min.Tsdr 11 主站掃描一個S7-200 PLC子站的最小等待時間
Retry-Limit 1 主站與一個S7-200 PLC子站通信出錯的嘗試次數(shù)
數(shù)據(jù)出入 8 命令控制方向，單位為字節(jié)，參見表1中的DP地址列定義
數(shù)據(jù)輸出 8 數(shù)據(jù)采集方向，單位為字節(jié)，參見表1中的DP地址列定義
整體上，所有的現(xiàn)場PROFIBUS-DP通信設(shè)備均使用PROFIBUS-DP規(guī)約接入南瑞自主研發(fā)的C101通信控制器，C101通信控制器主要目的就是利用PROFIBUS-DP通信規(guī)約采集底層現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，并通過雙CAN現(xiàn)場總線規(guī)約送往南瑞的PSCADA總控系統(tǒng)C302，另外，C101還將接受C302的各種控制、查詢命令，對底層PROFIBUS-DP現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而滿足了北京地鐵五號線的750V直流測控的實(shí)時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、繼電保護(hù)等各種功能。
實(shí)現(xiàn)上，C101通信控制器與底層設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率為187.5K，C101做DP的通信主站，周期性的掃描底層設(shè)備，根據(jù)北京地鐵軌道交通公司的要求，C101通信控制器提供兩組PROFIBUS通信接口。其中一組光纖接口連接西門子的直流測控保護(hù)裝置DPU 96，另一組光纖接口連接西門子的系列S7-200完成對750V直流進(jìn)線柜、負(fù)極柜、饋線柜一次設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控功能。之所以采用兩組光纖接口是由于750V直流開關(guān)室與變電所監(jiān)控中心的距離比較遠(yuǎn)（一般500～1km），使用電接口將會導(dǎo)致信號衰減以致于誤碼率將會大大提高。
PROFIBUS的應(yīng)用，首先必須進(jìn)行嚴(yán)格的組態(tài)，使主站與從站的數(shù)據(jù)嚴(yán)格一致，考慮到使用者大多熟悉SIEMENS公司提供的通用組態(tài)軟件COM PROFIBUS，應(yīng)用軟件使用的數(shù)據(jù)文件格式和用COM PROFIBUS生成的數(shù)據(jù)文件格式完全相同，并且支持到最新的5.0版本。通過“超級終端”，還可以隨時觀察組態(tài)數(shù)據(jù)文件的參數(shù)內(nèi)容，以確認(rèn)組態(tài)的正確性。
4 結(jié)束語
使用西門子S7-200可編程控制器替代繼電控制，不但省略了許多繁瑣的中間控制環(huán)節(jié)，還大大提高了可靠性和精確性，達(dá)到了理想的效果。S7-200PLC應(yīng)用于軌道交通直流牽引領(lǐng)域，不僅在很大程度上減少了二次接線、設(shè)備，減少了變電站運(yùn)行維護(hù)量；取消了軌道交通牽引供電系統(tǒng)保護(hù)屏，大大降低了系統(tǒng)的造價(jià)；而且提高二次回路的智能控制能力、自動化水平和供電質(zhì)量，降低故障率，使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)能更加可靠地運(yùn)行。
S7-200 PLC作為PROFIBUS-DP從站，用一根雙絞線連接主站，若要擴(kuò)展DP從站， 只需將總線延伸，加入其它S7-200 PLC從站，不再增加布線的工作量和費(fèi)用，系統(tǒng)擴(kuò)展非常快捷。目前該應(yīng)用方案可以在北京軌道交通五號線直流牽引監(jiān)控現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行。由于S7-200 PLC具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其必將在軌道交通系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
S7-200 PLC 也有不足之處，它不具備時間記憶功能，即無對時功能，但由于S7-200 PLC的主要定位在直流牽引開關(guān)和斷路器的監(jiān)控，不涉及保護(hù)動作（保護(hù)工作主要由西門子DPU96來完成），因此，完全可以通過C101的時間戳來加以彌補(bǔ)。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號