北京地鐵昌平線變電所綜合自動化系統的設計與應用

◎ 北京市軌道交通建設管理有限公司 虞 庸

1、引言

城市軌道交通自動化技術發展到今天，進入了全數字化、智能化、信息化的新階段。從世界發展上看，地鐵運營在新的自動化平臺支持下，實現資源共享、信息互通使得運營效率以及安全性、可靠性更加提高；乘客至上，以人為本的服務理念深入到監控管理的每一層面；而且，新的自動化平臺支持了整個城市軌道交通體系的綜合監控管理，支持了城市軌道交通線網的資源共享。

城市軌道運營交通系統是一種高密度、大運量的交通系統，必須保證其高度的安全性和可靠性，而變電所綜合自動化系統則為整個軌道交通的安全運行提供了基礎保障。變電所綜合自動化系統對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節及各類信號報警等各項功能，使調度中心實時掌握各個變電所設備的運行情況，遠程對設備進行操作。變電所綜合自動化系統保障了變電所系統的正常運行，同時大大提升供電系統調度、管理及維修的自動化程度，提高供電質量，保證系統安全、可靠地運行。

2、工程概況

北京市軌道交通昌平線是一條連接中心城區與昌平新城的南北向的軌道交通快速客運線路，線路北起十三陵景區，南至城鐵13號線西二旗站。

3、變電所綜合自動化系統概況

昌平線一期供電系統采用開環雙環網接線，全線設置5個供電分區，各供電分區之間設置常開的應急聯絡開關。為保證繼電保護的選擇性，中壓供電網絡采用縱差主保護加過電流后備保護。

昌平線工程設有綜合監控系統，此系統對電力監控系統、環境與設備監控系統等多個子系統進行集成。供電系統設備采用兩級管理、三級控制模式，兩級管理分別為：控制中心、車站控制室；三級控制分別為控制中心、車站/變電所控制室、設備就地。變電所綜合自動化系統通過通信接口與車站/停車場綜合監控系統連接，由控制中心綜合監控系統實現電力調度中心功能，由車站/停車場綜合監控系統實現車站/停車場對變電所設備的統一監控功能。

昌平線變電所綜合自動化系統與供電系統的10kV開關柜、750V開關柜、0.4kV開關柜、0.4kV有源濾波裝置、牽引變壓器、硅整流器、配電變壓器、排流柜、牽引網電動隔離開關、制動能量消耗裝置、鋼軌電位限制裝置等配置的綜合測控保護裝置、智能采集裝置通過通信接口連接實現集中監控。

圖1給出的是北京軌道交通昌平線生命科學園典型站的變電所系統結構設計方案。10KV開關柜、10KV保護的GE F650綜合保護測控裝置和GE L30差動保護裝置，直流750V開關柜，通訊單元主要由SEPCOS保護測控設備和S7-200 PLC構成。400V開關柜，通訊單元主要由Schneider PLC-Twido 系列構成。

變電所綜合自動化系統包括全線23個變電所綜合自動化系統，該系統可分為三類，第一類是牽引降壓混合變電所自動化系統、第二類是區間牽引變電所自動化系統、第三類是跟隨式降壓變電所自動化系統。

為了便于接口管理，區間變電所綜合自動化系統接入本供電分區的上級變電所綜合自動化系統。

圖1 北京地鐵昌平線變電所系統典型站結構設計方案

停車場、車輛段跟隨式降壓變電所各類設備通過光纜直接接入停車場、車輛段牽引降壓混合變電所綜合自動化系統通信控制器。

車站、停車場牽引降壓混合變電所綜合自動化系統與本車站、停車場的綜合監控系統接口，實現電力調度中心與變電所綜合自動化系統的數據交換。

4、變電所綜合自動化系統功能實現

變電所綜合自動化實現變電所各種設備的控制、監視、聯鎖/閉鎖、電流、電壓、功率、電度的采集等功能。變電所綜合自動化系統通過冗余的通信通道實現與綜合監控系統的通信，通過綜合監控系統接受電力調度中心的控制命令；向電力調度中心傳送變電所操作、事故、預告、測量等信息。全線所有變電所綜合自動化系統通過綜合監控系統實現信息匯總，并實現控制中心、變電所控制室對變電所的統一調度管理。綜合監控系統出現故障時，變電所綜合自動化系統可以獨立運行，并實現變電所綜合自動化系統的正常功能。

變電所綜合自動化系統采用集中管理、分散布置的模式，分層、分布式系統結構。系統由站內管理層、數據通信層、間隔層組成。

圖2 北京地鐵昌平線變電所綜合自動化系統實現方案

（1）站內管理層實現變電所控制室對本車站變電所設備的監視、報警功能，并負責變電所綜合自動化系統與綜合監控系統之間的數據交換。包括雙冗余通信處理裝置DK3510E、一體化監控計算機PC677B、自動化屏、綜合測控裝置DK3571B（含DI/DO/AI模塊）。

通信處理裝置是變電所自動化系統的核心設備，實現各類間隔層設備與監控工作站、綜合監控系統之間的通信傳輸，接收電力調度中心/變電所控制室指令、向間隔層設備發布指令、收集并處理從間隔層設備采集到的各類信息。通信處理裝置采用天津凱發電氣公司生產的DK3510E雙冗余通訊處理裝置。DK3510E通信處理裝置采用Linux實時多任務嵌入式操作系統，控制器支持RS485/422/232、以太網等物理接口，可以實現IEC61850、PROFIBUS、DP/FMS、RS485/422/232、modbus、以太網等不同的接口協議轉換。主備機運行模式采用主機輪詢、備機監聽、備份規約同步的方式保持雙機之間實時數據庫的連續性和一致性，當發生主備機切換時，實時數據能無延遲的從主機發送出去，做到系統的無縫切換。當主機更新參數時，通過該備份規約完成主備機參數的同步功能。

自動化屏用于集中放置站內管理層、網絡通信層設備，同時為這些設備提供DC220V電源自動化屏配有電鈴、電笛等報警設備，當發生所內預告報警、事故報警時，可以通過不同的方式引起管理人員的注意。自動化屏內配有音響報警設備測試轉換開關，用于音響報警裝置的測試。

智能測控單元可通過輸入、輸出模塊與基礎設備的二次無源接點連接，采集基礎設備的數據或向其發送控制指令。

監控工作站采用西門子一體化機SIMATIC Panel PC677B安裝變電所綜合自動化系統應用軟件，用于提供變電所綜合自動化系統的人機操作界面。工作人員可以通過此工作站監視變電所內各類供電系統設備的工作狀態、報警信號等。

（2）數據通信層實現變電所內管理層與間隔層之間的通信。包括雙冗余以太網交換機，以太網、RS485/422光電轉換裝置、光纜、通信電纜等設備。

其中雙冗余以太網交換機采用赫斯曼RS30系列交換機，專業為工業通訊應用而設計，具有即插即用、占用空間小、易于安裝、雙冗余電源、抗干擾能力強、通信穩定等特點。DK3510E通訊處理裝置與10kV保護測控裝置、750V保護測控裝置之間安裝以太網光電轉換器，與400V PLC測控裝置安裝485/422光電轉換器，設備間經過光電轉換器通過光纖介質相連。變壓器溫控器、整流器、再生制動、交直流屏、排流柜智能通訊設備與DK3510E通訊處理裝置采用485總線連接。電能質量管理系統直接通過雙冗余交換機與通訊處理裝置連接。

（3）間隔層實現對基礎設備數據的采集、測量等功能。包括10kV保護測控裝置、750V保護測控裝置、0.4kV PLC測控單元、交直流電源系統監控單元、變壓器與整流器監控單元、鋼軌電位限制裝置、排流柜、雜散電流監測裝置、制動能量消耗裝置等設備。

間隔層設備的運行不依賴于局域網絡，自身可以獨立完成各種保護、測量和控制功能。這些設備分散安裝于各開關柜內或一次設備附近，各類設備之間互相獨立，互不影響。

5、經濟效益和社會效益

KEYVIA-PSCADA變電所綜合自動化系統完全具有自主知識版權。VIA-PSCADA變電所綜合自動化系統采用先進的計算機軟硬件技術和最新的國際標準，基于分層、分布、高可靠性、高安全性、冗余等設計思想，采用計算機型分層、分布式開放局域網結構，系統設備采用模塊化、安全可靠性高、運行成熟、功能完善、性能先進、質量穩定、免維護或少維護等特點的產品。系統的硬件和軟件設計充分考慮可靠性、可維修性和可擴性的要求。

KEYVIA-PSCADA變電所綜合自動化系統系統是一套技術先進、配置靈活、維護方便、功能完善、穩定可靠，適用于地鐵、輕軌等城市軌道交通的電力監控自動化系統。憑著可靠的產品質量及完善的系統解決方案，KEYVIA-PSCADA變電所綜合自動化系統為打破國外產品壟斷，大幅度降低工程造價，發展民族經濟做出了自己的貢獻。隨著它在軌道項目中的應用、實施，將極大的推進軌道交通自動化系統國產化進程。