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案例頻道 1 引言
地鐵是我國大型城市公共交通的重點發展方向,而可靠的供電是地鐵安全運營的重要保障,功能強大的地鐵供電變電站自動化系統又是保證供電質量的基礎。地鐵供電變電站的一次設備、運行方式及管理模式與大電網變電站有一定的差異,導致了其自動化系統的功能也與大電網變電站的功能存在不少差異。
變電站自動化系統，經過幾代的發展，已經進入了分散式控制系統時代。遙測、遙信、遙控命令執行和繼電保護功能等均由現場單元部件獨立完成，并將這些信息通過通訊系統送至后臺計算機系統。變電站自動化的綜合功能均由后臺計算機系統承擔。將變電站中的微機保護、微機監控等裝置通過計算機網絡和現代通信技術集成為一體化的自動化系統。它取消了傳統的控制屏臺、表計等常規設備，因而節省了控制電纜，縮小了控制室面積。
由于可編程序控制器技術經過幾十年的發展，已經相當成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應用于工業控制的各個領域。用PLC來實現地鐵變電站自動化的RTU功能，能夠很好地滿足“三遙”的要求。本系統采用了OMRON C200HG中型PLC，來實現變電站自動化的RTU功能。歐姆龍系列PLC具有模塊化，可擴展的體系結構，用于工業和制造過程實時控制。當然，對應于變電站的電壓等級和點數的多少，可以選用大、中、小型不同容量的PLC產品。
隨著當地保護裝置功能的日益強大，可以通過與保護裝置的通訊來實現遙控和遙信功能。一些特殊要求的情況下，采用DI、DO、AI模塊來實現遙控和遙信。使用PLC的DI模塊來實現遙信、用PLC的DO模塊來實現遙控、用PLC的AI模塊來實現遙測、用PLC的通信功來完成與微機保護單元的通訊。利用PLC的各種模塊可以很方便的實現“三遙”基本功能。
2 地鐵變電站自動化系統組成
在本地鐵變電站自動化系統設計中，采用分層分布式功能分割方案。系統縱向分三層，即區域調度層、變電站調度層和現場設備層。分層式設計有利于系統功能的劃分，結構清晰明了。系統采用集中管理、分散布置的模式，各下位監控單元安裝于各開關柜內，上位監控單元通過通信網絡對其進行監視控制。變電站自動化系統需要對35kV交流微機保護測控裝置、直流1500kV牽引系統微機保護測控裝置、380/220V監測裝置、變壓器及整流器的溫控裝置、直流/交流電源屏等設備進行監控和數據采集。
2.1 系統結構
變電站管理單元內的主監控部分采用可編程控制器PLC。主機采用研華系列的工控機進行監視和數據處理及備份等。
電源模塊，采用冗余配置。電源采用冗余配置，系統輸入兩路直流電源，保證系統在1路電源失電時，系統仍可無擾動安全運行，提高系統的可靠性。
變電站自動化系統，經過幾代的發展，已經進入了分散式控制系統時代。遙測、遙信、遙控命令執行和繼電保護功能等均由現場單元部件獨立完成，并將這些信息通過通訊系統送至后臺計算機系統。變電站自動化的綜合功能均由后臺計算機系統承擔。將變電站中的微機保護、微機監控等裝置通過計算機網絡和現代通信技術集成為一體化的自動化系統。它取消了傳統的控制屏臺、表計等常規設備，因而節省了控制電纜，縮小了控制室面積。
由于可編程序控制器技術經過幾十年的發展，已經相當成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應用于工業控制的各個領域。用PLC來實現地鐵變電站自動化的RTU功能，能夠很好地滿足“三遙”的要求。本系統采用了OMRON C200HG中型PLC，來實現變電站自動化的RTU功能。歐姆龍系列PLC具有模塊化，可擴展的體系結構，用于工業和制造過程實時控制。當然，對應于變電站的電壓等級和點數的多少，可以選用大、中、小型不同容量的PLC產品。
隨著當地保護裝置功能的日益強大，可以通過與保護裝置的通訊來實現遙控和遙信功能。一些特殊要求的情況下，采用DI、DO、AI模塊來實現遙控和遙信。使用PLC的DI模塊來實現遙信、用PLC的DO模塊來實現遙控、用PLC的AI模塊來實現遙測、用PLC的通信功來完成與微機保護單元的通訊。利用PLC的各種模塊可以很方便的實現“三遙”基本功能。
2 地鐵變電站自動化系統組成
在本地鐵變電站自動化系統設計中，采用分層分布式功能分割方案。系統縱向分三層，即區域調度層、變電站調度層和現場設備層。分層式設計有利于系統功能的劃分，結構清晰明了。系統采用集中管理、分散布置的模式，各下位監控單元安裝于各開關柜內，上位監控單元通過通信網絡對其進行監視控制。變電站自動化系統需要對35kV交流微機保護測控裝置、直流1500kV牽引系統微機保護測控裝置、380/220V監測裝置、變壓器及整流器的溫控裝置、直流/交流電源屏等設備進行監控和數據采集。
2.1 系統結構
變電站管理單元內的主監控部分采用可編程控制器PLC。主機采用研華系列的工控機進行監視和數據處理及備份等。
電源模塊，采用冗余配置。電源采用冗余配置，系統輸入兩路直流電源，保證系統在1路電源失電時，系統仍可無擾動安全運行，提高系統的可靠性。
圖1 系統組成示意圖
系統采用業界通用的三層模式，如圖1所示。
（1）底層為現場總線網CONTROLLER LINK。它把智能儀表延伸到現場，對數字量、模擬量直接控制，信息通過現場總線傳到控制站。
（2）中間層為高速實時SYSNET網，它把各站房聯成一體。SYSNET既可以與PLC也可以與普通計算機聯網，從而便于與其他類型的DCS系統互聯，達到系統開放的目的。
（3）上層為ETHERNET網，可與各站房和區域電力總調度相聯，并與MIS系統互聯。ETHERNET的通信服務器可為遠程用戶提供方便，共享有關信息。
上位機采用組態軟件(組態王Kingview5.0) 編程。Controller Link是一種FA(工廠自動化)網絡，它可以在OMRON C200HX/HG/HE可編程序控制器和IBM PC機或其兼容機之間方便、靈活地發送和接收大容量數據包，采用令牌總線方式，雙絞線電纜連接，最大傳輸距離可達500m(2Mb/s)-1km(500Kb/s)。通信協議宏(Protocol Macro)是一種通信協議，實現SYSMAC。系列PLC同各種帶有RS-232C或RS-422/485端口的通用器件的數據傳送。用戶可以用OMRON通信協議支持軟件(PST)設定數據傳送步驟(通信序列)，并在梯形圖程序中使用PMCR指令執行該通信序列本系統中，設置了2個通訊序列，分別用于發送和接收數據，每個序列內又分成4步。
各層都配置液晶顯示器，用于系統設備監控、軟件維護、設備調試、站控層操作等人機接口，實時顯示所內所有事故、預告信號、所內各微機綜合保護測控單元的運行狀態，事件改變的內容、時間等。當多個事故信號同時發生時,液晶顯示報警裝置按新舊次序，在所內時間分辨率的范圍內依次顯示各種信息，并進行存儲。操作員通過按鈕對顯示進行選擇，必要時操作員可通過該組操作按鈕對開關進行所內集中控制。
“就地-遠方”控制切換裝置。為便于系統運行的需要，在中央信號屏內裝有“就地-遠方”切換開關，實現就地控制和遠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。
系統的電源采用冗余配置，系統輸入兩路直流電源，保證系統在一路電源失電時，系統仍可無擾動安全運行，提高系統的可靠性。
“就地-遠方”控制切換裝置。為便于系統運行的需要，在中央信號屏內裝有“就地-遠方”切換開關，實現就地控制和遠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。
系統的電源采用冗余配置，系統輸入兩路直流電源，保證系統在一路電源失電時，系統仍可無擾動安全運行，提高系統的可靠性。
2.2 開放式、宜擴展性設計
可以與滿足相應標準規約的其它公司相關的(IED)互聯進行信息交換。充分考慮到變電站擴建、改造等因素，間隔層設備基于模塊式標準化設計，可根據要求隨意配置，變電站層設備設置靈活。
網絡通訊層設計考慮到工業以太網、CAN、422、等現場總線的接口設計，能充分滿足大流量實時數據傳送的實時性和可靠性。
3 軟件設計
PLC軟件方面，由于PLC以循環掃描和中斷兩種方式來執行程序。為了完成所有RTU功能，PLC采用循環掃描方式，與各個間隔層保護單元進行通訊。通過總線，讀取各個保護單元的遙測、遙信信息，同時通過總線通訊對各個智能保護裝置進行設點操作，實現對開關的遙控功能。編程軟件采用CX-Programmer編程環境。該軟件是OMRON開發的應用于
C200H PLC的編程軟件，運行在Windows2000操作系統中，在自動化工程各方面具有友好的用戶功能。本系統軟件通過相應設計和配置，實現了變電站自動化的三遙功能。
主程序示意圖如圖2 所示。
遙測的實現也包含兩種方式。一種是通訊方式，PLC通過與智能保護裝置的通訊，實時獲取保護裝置采集的遙測量信息，相當于由保護裝置完成現場級的采集功能。另一種為AI模塊方式，由PLC自己來完成現場的遙測量采集，并將采集到的數據存放在RAM中。網橋將RAM中的遙測量信息，作為二級數據，實時的與控制中心進行通訊。
4 系統功能及特點
變電站自動化系統對變電站各種設備進行實時控制和數據采集，實現對各種設備的微機控制、監視、邏輯閉鎖、微機測量以及實現所有開關聯跳功能。
變電站自動化系統的特點:
(1) 完善的自檢功能，除通過通信對各單元進行監控外，各單元中保護和監控模塊都具有極強的自檢功能，同時二者相互監視，一旦發生異常，及時報警，提高系統運行可靠性。
(2) 開關、刀閘狀態信息采用常開及常閉雙位置接點，通過軟件判斷其合法性。
(3) 監控系統采用PLC代替傳統的RTU，各智能模塊采集的數據通過現場總線上傳到通訊控制器。
(4) 簡化防誤閉鎖設計，重要設備之間用硬接線實現閉鎖功能，綜合自動化軟件具備軟件邏輯判別功能，但考慮到已有運行和檢修經驗，一般不在后臺軟件中進行閉鎖。
(5) 對暫態變位信號，經軟件處理，采用自保持方式，未經人工確認信號不會消失。
5 結束語
在實際運行中，因為是采用的雙機熱冗余方案，大大提高了發現問題的及時性。實際運營中即便是主機出現故障，備用主機也可以堅持長時間的正常運行，這樣就給檢修人員預留了充足的時間來檢查問題，并保證了萬家燈火、長久璀璨的實際效果。
PLC硬件由于應用工業級可靠性設計，因此實際運行中非常可靠，絕少出現死機的情況，可靠性遠高于采用windows操作系統的通用計算機，很好的滿足了供電監控的要求。從交付使用到現在PLC還沒有出現過硬件故障，凸顯了PLC對地鐵的潮濕、高溫環境的適應性。模塊化的設計也使系統的檢修和更換更為便捷。
整個系統設計采用光纖通訊模塊，可以有效的隔離各設備對由絕緣檢修和線纜破損竄進來的高壓電，避免設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用經驗。
圖2 主程序示意圖
遙信的實現，有兩種方式。一種是通訊方式，當變電站設備發生變位時，通過PLC與智能保護裝置的通訊，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，通過連接設備的位置繼電器，PLC的DI模塊能夠感知設備的變位信息。
遙測的實現也包含兩種方式。一種是通訊方式，PLC通過與智能保護裝置的通訊，實時獲取保護裝置采集的遙測量信息，相當于由保護裝置完成現場級的采集功能。另一種為AI模塊方式，由PLC自己來完成現場的遙測量采集，并將采集到的數據存放在RAM中。網橋將RAM中的遙測量信息，作為二級數據，實時的與控制中心進行通訊。
4 系統功能及特點
變電站自動化系統對變電站各種設備進行實時控制和數據采集，實現對各種設備的微機控制、監視、邏輯閉鎖、微機測量以及實現所有開關聯跳功能。
變電站自動化系統的特點:
(1) 完善的自檢功能，除通過通信對各單元進行監控外，各單元中保護和監控模塊都具有極強的自檢功能，同時二者相互監視，一旦發生異常，及時報警，提高系統運行可靠性。
(2) 開關、刀閘狀態信息采用常開及常閉雙位置接點，通過軟件判斷其合法性。
(3) 監控系統采用PLC代替傳統的RTU，各智能模塊采集的數據通過現場總線上傳到通訊控制器。
(4) 簡化防誤閉鎖設計，重要設備之間用硬接線實現閉鎖功能，綜合自動化軟件具備軟件邏輯判別功能，但考慮到已有運行和檢修經驗，一般不在后臺軟件中進行閉鎖。
(5) 對暫態變位信號，經軟件處理，采用自保持方式，未經人工確認信號不會消失。
5 結束語
在實際運行中，因為是采用的雙機熱冗余方案，大大提高了發現問題的及時性。實際運營中即便是主機出現故障，備用主機也可以堅持長時間的正常運行，這樣就給檢修人員預留了充足的時間來檢查問題，并保證了萬家燈火、長久璀璨的實際效果。
PLC硬件由于應用工業級可靠性設計，因此實際運行中非常可靠，絕少出現死機的情況，可靠性遠高于采用windows操作系統的通用計算機，很好的滿足了供電監控的要求。從交付使用到現在PLC還沒有出現過硬件故障，凸顯了PLC對地鐵的潮濕、高溫環境的適應性。模塊化的設計也使系統的檢修和更換更為便捷。
整個系統設計采用光纖通訊模塊，可以有效的隔離各設備對由絕緣檢修和線纜破損竄進來的高壓電，避免設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用經驗。
【參考文獻】
[1] 楊長能, 張興毅.可編程序控制器（PC）基礎應用［M］.重慶大學出版，1999.
[2] 王建南. 工廠供電系統繼電保護及自動化裝置［M］. 北京:冶金工業出版社,1998
[3] 揚曉憲等. 變電站可編程控制的中央信號系統［J］. 電網技術,1996(8)
[4] 可編程序控制器操作手冊.OMRON公司， 1997.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號