地鐵變電站PLC自動化係統設計

摘 要:利用PLC技術設計地鐵變（biàn）電站自（zì）動化（huà）係統，提（tí）出了係統結構（gòu）及特點，係統中采用分散式控製，簡化了係統結構，總線技術，通（tōng）訊（xùn）技術構建了，一個高可靠（kào）性的變電（diàn）站自動化係統。 

1、引言：
   地鐵（tiě）的供電係統為地鐵（tiě）運營提供電能。無論地鐵列車還是（shì）地鐵（tiě）中的輔（fǔ）助設施都依賴電能。地鐵供電電源（yuán）一般取自城市電（diàn）網，通過城市（shì）電網一次電（diàn）力係統和（hé）地鐵供電係統實現輸送或變換，然後以適（shì）當的電壓等級供給地鐵各類（lèi）設備。
   地（dì）鐵全麵采用變電站（zhàn）自動化設計，由於變電站數量多、設備多，在加上其完（wán）善的綜合功（gōng）能，信息交換量大，而且要求信息傳輸速度快和準確無誤。在變電站綜合（hé）自動化係統中（zhōng），監（jiān）控係統至關重要，是確保整個係統可靠運行的關（guān）鍵。
   變電站自動化係統，經過幾代（dài）的發展（zhǎn），已經進（jìn）入了分散式控製係統時代。遙測、遙信、遙控命令執行和繼電保護功（gōng）能等均由現場單元（yuán）部件獨立完成，並將這些信息通過（guò）通訊係統送至後台計算機係統（tǒng）。變電站自動（dòng）化的綜合功能均由後台計算機係統承擔（dān）。
   將變電站中的微機保護、微機監控等裝置通過計算機網（wǎng）絡和現代通信技術集成為（wéi）一（yī）體化的自（zì）動化（huà）係統。它取消了傳（chuán）統的控製屏台、表計等常規設備，因而節（jiē）省了控製電纜，縮小了控製室麵積。
2、地鐵變電站（zhàn）自動化係（xì）統組成：
   在本地鐵變電站自動化係統設計中，采用分層分布式功能分割方案。係統縱向分三層，即變電站管理層、網絡（luò）通訊層和間隔設備層。分層式設計有利於係統功能的劃分（fèn），結構清晰明了。係統采（cǎi）用集中管理、分散布置的模式，各下位監控單元安裝於各開關櫃內，上位監控單元通過所內（nèi）通信網絡對其進行監視控製（zhì）。變電站自（zì）動化係統需要對35kV交流微機保護測控裝置、直流1500kV牽引係統微機保護（hù）測控裝置、380/220V監測裝置、變（biàn）壓器及整（zhěng）流器（qì）的溫控裝置、直流/交流電源屏等設備進行監控和（hé）數據采（cǎi）集。
   由於可編程序（xù）控製器技術經（jīng）過幾十年的發展，已經（jīng）相當成熟。其品種齊全，功（gōng）能（néng）繁多，己被廣泛應用於工業控製的各個領域。用PLC來實現地（dì）鐵（tiě）變電站自動化（huà）的RTU功能，能夠很好地滿足“三遙（yáo）”的要求。本係統采用了Modicon  Quantum係列PLC，來實現變電站自動化的RTU功能。Quantum具有模塊化，可（kě）擴展的體係結構，用於工業和製造過程實時控製。對應於（yú）變電站的（de）電壓等級（jí）和點數的多少，可以選（xuǎn）用（yòng）大、中、小型不同容盈（yíng）的PLC產（chǎn）品。
   隨著當地保（bǎo）護裝置功能的日益強大，可以通過與保護裝置的通訊來（lái）實現遙控和遙信功能。一些特殊要求的情況（kuàng）下，采用DI, DO, AI模塊來實現遙控（kòng）和遙信（xìn）。使用PLC的DI模塊來實現遙信、用PLC的DO模塊（kuài）來實現（xiàn）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（tōng）訊（xùn）。利用PLC的各種模塊可以很方便的實現“三遙”基本功能。
3、地鐵變電站（zhàn）自動化係統設計：
   3.1係統結構
   變電站管理單元內的主監控部分采用（yòng）可編（biān）程控製器PLC。CPU模（mó）塊采用80586處理器，主頻66MHz，內存2M，並配有存放數據、可調參數和軟件的RAM和FLASH MEMORY。能（néng）對（duì）CPU及I/O進行自診斷。
   電源模塊，采用冗餘配（pèi）置（zhì）。電（diàn）源采用冗餘配置，係（xì）統輸人兩路直流電源，保證係統在1路電源失電時，係（xì）統（tǒng）仍可無擾動安全運行，提（tí）高係統的可靠性。通訊（xùn）模塊采用Modbus+通訊模塊。
   間隔層的微（wēi）機保護裝置經過RS一485總線分成幾個組，連接到網橋的Modbus通（tōng）訊口上，通過網（wǎng）橋收集數（shù）據並（bìng）將這些數據（jù）通過MB+網絡送到主監控（kòng）單元PLC。
   係統（tǒng）的主監控單元可通過可編程網（wǎng）橋編製不同的規約，滿足與不同智能設備之間的接（jiē）口需要（yào）。MODBUS網（wǎng）橋NW-BM85C002  MB+網橋/多路轉（zhuǎn）換器，每台網橋具有（yǒu）4個（gè）通訊口與間隔層的智能設備通訊，網橋將MODBUS協議的數據進行協議轉（zhuǎn）化，通過 MB十網絡與PLC建立網絡通訊（xùn），同時在中央信號屏中還配有可編程網橋NW一BM85C485，通過MB+網絡與PLC連接，每個可編程網橋（qiáo）具有四個通訊協議可編程的RS一485口，在本方案中對其中的兩個口進行編（biān）程，使之通過IEC一60870-7-101與中央控製中心通訊。
   係統網絡通訊層向上（shàng）通過可編程網橋的RS一422接口采用IEC60870-5-101國際（jì）標準規約實現與控製中心（xīn）通訊（xùn）;向（xiàng）下網絡通訊層通過（guò）網橋RS-422接口MODBUS標準規約實現與主變電站內的各開關櫃或保護屏內（nèi）的微機（jī）綜（zōng）合保護測控單元等智能裝置通訊，滿足變電所綜合自動化係統控製、測量、保護的技術要求。通過網橋與智能設備及（jí）控製中心通訊，由網橋（qiáo）實現協議（yì）轉換，降低PLC的CPU模塊負荷率，提高係統的可（kě）靠（kào）性。
   配置液晶顯示器，用於變電所內監控、軟件維護，設備調試，站（zhàn）控層操作等人機接口。帶（dài）有液晶顯示（shì）器實現站內數（shù）據的顯示和控製。液晶顯示以漢字實時顯示所內所有（yǒu）事故、預告信號、所內各微（wēi）機（jī）綜合保護測控單（dān）元的運行狀態（tài）。事件變位的內容、時間等。當多（duō）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（lǜ）的範圍內依次顯示各種信息，並能存儲。操（cāo）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（kòng）製。
“就地一遠方”控製切換裝置。為便於係統運（yùn）行的需要，在中央（yāng）信號（hào）屏（píng）內裝有“就地（dì）一遠方”切（qiē）換開關，實現就地控製和遠方控製之間的方式切換和閉鎖（suǒ）。在變電站控製上，方便分層控製和管（guǎn）理（lǐ）。
   係統的電源采用（yòng）冗餘配置，係統輸人兩路直流電源，保證係統在一路電源失電時，係統（tǒng）仍可無擾動安（ān）全運行，提高係統的可靠性。
   3.2開放式、宜擴展性設計（jì）
   可（kě）以與滿足相（xiàng）應標準規約(profibus, spabus, modbus等)的其它（tā）公司相關的(IED)互聯進行（háng）信息交換。充分考慮到（dào）變電站擴建、改造等（děng）因素，間隔層設備基於模塊式標準化設計，可根（gēn）據要求隨意配置，變電站層設備設置（zhì）靈活。
   網絡通訊層設計考慮到工業以太網、CAN、422、modbus+等現場總線的接口（kǒu）設（shè）計，能充分滿足大流量實時（shí）數據傳（chuán）送的實時性和可靠性。
   3.3軟（ruǎn）件設計
   PLC軟件方麵，由於PLC以（yǐ）循環掃描和中斷兩種方式來執（zhí）行程序。為了完成（chéng）所有RTU功能，PLC采用循環掃描方式，與各個間隔（gé）層保護單元進行通訊。通過Modbus總線，讀取各個保護單（dān）元的遙測、遙信信息，同時通過總線通（tōng）訊對各個智能保（bǎo）護裝置進行設點操作，實現對開關（guān）的遙控功（gōng）能。本係統采用了Quantum係列PLC配（pèi）套的con-cept編程軟件中的FBD方式，進行了PLC的組態，實現了變（biàn）電站（zhàn）自動化的三遙功能（néng）。
   如圖（tú）2所示的遙控功能的組態。通過使用合（hé）適的功能塊的組合，可以實現你所要的（de）功能。其中的功能塊（kuài）有concept軟件（jiàn）的FFB  libarary提供的標（biāo）準功能塊，也可以（yǐ）自己定義，自己獨特的功能塊。
   遙信的實現，有兩種方式。一種是通訊方式，當變電（diàn）站設備發生變位時，通過PLC與智能保（bǎo）護裝置的（de）通訊，讀取變位的（de）信息到PLC中，並將其上送給控製中（zhōng）心。另一種為D工模塊方式，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（bāo）含兩種方式。一種是通訊方式，PLC通過與智（zhì）能保護裝置的通訊，實時獲取保護裝置采集（jí）的遙（yáo）測量信息，相當於由保護裝置完成現（xiàn）場級的采集功能。另一種為AI模（mó）塊方式，由PLC自己來完成現場（chǎng）的遙測（cè）量采集，並將采集到的數據存放在R A M中。網橋將RAM中的遙測量信息，作為二級數（shù）據，實時的與控製中心進行通訊。
   網橋中的報文接收（shōu）分析程（chéng）序分析控製中心傳來的報文（wén），如果分析認為其是遙控（kòng）報（bào）文，對其進行報文解析，將獲（huò）取的遙控對象信息寫入PLC，由PLC程序與智能保護裝置通訊（xùn），來完成遙控功能。
3.4係統功能及特點
   變電站自動（dòng）化實施對變電站各種設備進（jìn）行實時控製和數據采集，實現對各種設備的微機控製、監視（shì）、邏（luó）輯閉鎖、微機測量（liàng）以及（jí）實現所間開關聯跳功（gōng）能。
   變電站自動化係統的特點:
   (1)完善的（de）自檢（jiǎn）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（tóng）時二者相互監視，一旦發生異常，及時報警，提高係統運行可靠性。
   (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（qí）合法性。
   (3)監控係統（tǒng）采用PLC代替傳（chuán）統的RTU，各智能模塊采集的（de）數據通過現場總線上傳到通訊控製器。
   (4)取（qǔ）消了（le）常規光（guāng）字牌，采用計算機模擬（nǐ）光字牌，並按不同電壓等級的分層模式來顯示。
   (5)簡化防誤閉鎖（suǒ）設計（jì），重要設備之間用硬接線實現閉鎖功能（néng），綜合自動化（huà）軟件具備（bèi）軟件（jiàn）邏輯判別功能，但考慮（lǜ）到已有運（yùn）行（háng）和檢修經驗，一般（bān）不在後台軟件中進行閉鎖。
   (6)對暫態變（biàn）位信號，經軟件（jiàn）處理，采用自保持方式，未經人工確認信號不會消失。
4、結束語：
   在（zài）實際運行中，網橋與控製中心的雙通道設計，給運營和檢修帶來了很大（dà）的便利。因為是軟件自動切換，克服了進口係統（tǒng）手動切換通道的缺點，通道的狀態由軟件來判斷，大大提高了發現問（wèn）題（tí）的及時性。雙通（tōng）道同時出現故障的概率並不是很（hěn）高，實際（jì）運營中有在（zài）備用通（tōng）道長時間運行的（de）情況，這樣就給檢修人員預（yù）留了充足的時間來檢查問題。
   PLC硬件（jiàn）由於（yú）應用工業級可（kě）靠性設計（jì），因此實際運行（háng）中非常可靠，絕（jué）少（shǎo）出現死機的情況，可靠性遠高（gāo）於（yú）采（cǎi）用（yòng）windows操作係統的通用計算機，很好的滿足了（le）供（gòng）電監控的要求。從交付（fù）使用到現在PLC還沒有出現過（guò）硬件故障，凸顯了PLC對地鐵（tiě）的（de）潮濕、高溫環（huán）境的適應性。模塊化的（de）設計也使的係統的檢（jiǎn）修和更換更為便捷。
   需要更改進的方麵，就是對（duì）通信的改進。由於設計（jì）中沒有采用光纖通訊模（mó）塊，各設備對由絕緣檢修和（hé）線纜（lǎn）破（pò）損竄進（jìn）來的高壓電，不能非常有效的隔離（lí），會造成設備的高壓擊穿，造成不必要的損失，計劃在今後的設計中對於高（gāo）電壓的隔離方麵加以改進，就可以很好的避免這種問題。