1 引 言

　　地鐵的供電系統(tǒng)為地鐵運(yùn)營提供電能,。無論地鐵列車還是地鐵中的輔助設(shè)施都依賴電能。地鐵供電電源一般取自城市電網(wǎng),，通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸送或變換,，然后以適當(dāng)?shù)碾妷旱燃壒┙o地鐵各類設(shè)備。

　　地鐵全面采用變電站自動化設(shè)計(jì),，由于變電站數(shù)量多,、設(shè)備多，在加上其完善的綜合功能,，信息交換量大,，而且要求信息傳輸速度快和準(zhǔn)確無誤。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中,，監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要,，是確保整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　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(shí)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,。

　　2 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,，即變電站管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和間隔設(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)控單元通過所內(nèi)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。

　　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(gè)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Modicon Quantum系列PLC,，來實(shí)現(xiàn)變電站自動化的RTU功能。Quantum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(shí)控制。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,。

　　3 地鐵變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 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。CPU模塊采用80586處理器,主頻66MHz,，內(nèi)存2M,，并配有存放數(shù)據(jù)、可調(diào)參數(shù)和軟件的 RAM和FLASH MEMORY,。能對CPU及I/O進(jìn)行自診斷,。

　　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(shí),，系統(tǒng)仍可無擾動安全運(yùn)行,，提高系統(tǒng)的可靠性。通訊模塊采用Modbus＋通訊模塊,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　間隔層的微機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)過RS-485總線分成幾個(gè)組,，連接到網(wǎng)橋的Modbus通訊口上，通過網(wǎng)橋收集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)通過MB+網(wǎng)絡(luò)送到主監(jiān)控單元PLC,。

　　系統(tǒng)的主監(jiān)控單元可通過可編程網(wǎng)橋編制不同的規(guī)約,，滿足與不同智能設(shè)備之間的接口需要。MODBUS網(wǎng)橋NW-BM85C002 MB+網(wǎng)橋/多路轉(zhuǎn)換器,，每臺網(wǎng)橋具有4個(gè)通訊口與間隔層的智能設(shè)備通訊,，網(wǎng)橋?qū)ODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)化，通過MB+網(wǎng)絡(luò)與PLC建立網(wǎng)絡(luò)通訊;同時(shí)在中央信號屏中還配有可編程網(wǎng)橋NW-BM85C485,，通過MB+網(wǎng)絡(luò)與PLC連接,，每個(gè)可編程網(wǎng)橋具有四個(gè)通訊協(xié)議可編程的RS-485口，在本方案中對其中的兩個(gè)口進(jìn)行編程，使之通過IEC-60870-7-101與中央控制中心通訊,。

　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊層向上通過可編程網(wǎng)橋的RS-422接口采用IEC60870-5-101國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約實(shí)現(xiàn)與控制中心通訊;向下網(wǎng)絡(luò)通訊層通過網(wǎng)橋RS-422接口MODBUS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約實(shí)現(xiàn)與主變電站內(nèi)的各開關(guān)柜或保護(hù)屏內(nèi)的微機(jī)綜合保護(hù)測控單元等智能裝置通訊,，滿足變電所綜合自動化系統(tǒng)控制、測量,、保護(hù)的技術(shù)要求,。通過網(wǎng)橋與智能設(shè)備及控制中心通訊，由網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換,，降低PLC的CPU模塊負(fù)荷率,，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　配置液晶顯示器,，用于變電所內(nèi)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,。帶有液晶顯示器實(shí)現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的顯示和控制。液晶顯示以漢字實(shí)時(shí)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),。事件變位的內(nèi)容,、時(shí)間等。當(dāng)多個(gè)事故信號同時(shí)發(fā)生時(shí),液晶顯示報(bào)警裝置按新舊次序,，在所內(nèi)時(shí)間分辨率的范圍內(nèi)依次顯示各種信息,并能存儲,。操作員通過按鈕對顯示進(jìn)行選擇,必要時(shí)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(shí)，系統(tǒng)仍可無擾動安全運(yùn)行,，提高系統(tǒng)的可靠性,。

　　3.2 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(profibus, spabus, modbus等)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,、modbus＋等現(xiàn)場總線的接口設(shè)計(jì)，能充分滿足大流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性和可靠性,。

　　3.3 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(gè)間隔層保護(hù)單元進(jìn)行通訊。通過Modbus總線,，讀取各個(gè)保護(hù)單元的遙測,、遙信信息，同時(shí)通過總線通訊對各個(gè)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,。本系統(tǒng)采用了Quantum系列PLC配套的concept編程軟件中的FBD方式，進(jìn)行了PLC的組態(tài),，實(shí)現(xiàn)了變電站自動化的三遙功能,。

　　如圖2所示的遙控功能的組態(tài)。通過使用合適的功能塊的組合,，可以實(shí)現(xiàn)你所要的功能,。其中的功能塊有concept軟件的FFB libarary 提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，也可以自己定義,，自己獨(dú)特的功能塊,。

　　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(shí)，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模塊方式,，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。

　　圖2 遙控功能的組態(tài)

　　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(shí)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(shí)的與控制中心進(jìn)行通訊,。

　　網(wǎng)橋中的報(bào)文接收分析程序分析控制中心傳來的報(bào)文,，如果分析認(rèn)為其是遙控報(bào)文，對其進(jìn)行報(bào)文解析,，將獲取的遙控對象信息寫入PLC,，由PLC程序與智能保護(hù)裝置通訊，來完成遙控功能,。

　　3.4 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

　　變電站自動化實(shí)施對變電站各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)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)所間開關(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(shí)二者相互監(jiān)視,，一旦發(fā)生異常，及時(shí)報(bào)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) 取消了常規(guī)光字牌,，采用計(jì)算機(jī)模擬光字牌，并按不同電壓等級的分層模式來顯示,。

　　(5) 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。

　　(6) 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。

　　4 結(jié)束語

　　在實(shí)際運(yùn)行中,，網(wǎng)橋與控制中心的雙通道設(shè)計(jì),，給運(yùn)營和檢修帶來了很大的便利。因?yàn)槭擒浖詣忧袚Q,，克服了進(jìn)口系統(tǒng)手動切換通道的缺點(diǎn),，通道的狀態(tài)由軟件來判斷，大大提高了發(fā)現(xiàn)問題的及時(shí)性,。雙通道同時(shí)出現(xiàn)故障的概率并不是很高,，實(shí)際運(yùn)營中有在備用通道長時(shí)間運(yùn)行的情況，這樣就給檢修人員預(yù)留了充足的時(shí)間來檢查問題,。

　　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)行中非常可靠,，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)也使的系統(tǒng)的檢修和更換更為便捷,。

　　需要更改進(jìn)的方面，就是對通信的改進(jìn),。由于設(shè)計(jì)中沒有采用光纖通訊模塊,，各設(shè)備對由絕緣檢修和線纜破損竄進(jìn)來的高壓電，不能非常有效的隔離,，會造成設(shè)備的高壓擊穿,，造成不必要的損失，計(jì)劃在今后的設(shè)計(jì)中對于高電壓的隔離方面加以改進(jìn),，就可以很好的避免這種問題,。