軌道交通變電所綜合自動化系統設計

丁樹奎

DING Shu-kui

（北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100081）

0 引言

城市軌道交通運營所需的各種動力、照明的能量供給和分配均來源于變電所，而變電所內的設備種類較多。這就決定了其設備管理繁瑣、接口形式復雜，通信方式和接口協議多樣。針對變電所諸多特點，現代化的變電所綜合自動化系統采用分層分布式結果，以良好的開放性和擴展性、抗干擾能力強、可靠性高等特點對軌道交通的變電所進行優化配置管理；實現了軌道交通供電系統的信息互資源共享和實時監控，提高了安全可靠性和響應性。軌道交通變電所按地理位置一般設置在軌道沿線的車站、較長的區間、車輛段及停車場。為了實現軌道交通各專業系統之間的信息共享，提高各系統間的協調配合能力，提高軌道交通全線的整體自動化水平；軌道交通變電所綜合自動化系統通過冗余的通信通道接入綜合監控系統（ISCS），實現軌道交通的綜合監控統一管理。提高了軌道交通應對各種突發事件的反應速度，增強了應變能力，提高的服務水平和運營管理水平。

圖1 PSCADA接口關系示意圖

1 PSCADA系統組成

變電所自動化系統以供電設備為監控對象，通過網絡將分散布置的設備連接起來，通過監控計算機進行集中管理。變電所綜合自動化系統由站級管理層，網絡通信層和間隔設備層組成，采用分層分布式結構。

站級管理層由自動化屏及安裝于自動化屏內的監控計算機和智能接口單元，智能測控單元和通信控制器，按鈕指示燈和轉換開關以及用于維護和維修的筆記本電腦等設備構成。

網絡通信層為變電所內的網絡通信和接口設備，實現變電所內管理層與基礎設備層之間的通信。該層采用國際標準通信協議，充分考慮了網絡的開放性、可擴充性以及工程化的相關問題。

間隔設備層包括安裝在一次供電設備中的各種測控智能單元、采集信息設備單元、測控保護微機單元、以及采用硬接點接入的現場設備。設備包括10KV測控保護綜合單元、DC750V測控保護綜合單元、0.4kV開關柜智能信息采集單元、交直流電源裝置監控單元、上網電動隔離開關、軌電位限制裝置、排流柜等。

變電所自動化系統采用集中管理、分散控制的結構，系統網絡的某一部分控制或線路受到損壞，整個系統的運行也不會影響到。變電所自動化系統具有適應各種通訊接口的能力，完成間隔設備單元接口轉換，實現實時監控。

系統監控對象主要有：10kV饋線開關柜、10kV母聯柜、10kV進、出線開關柜、10kV開關柜計量表計、750V直流系統開關柜、接觸網電動隔離開關柜、0.4kV開關及表計、整流變壓器溫控器、整流器監控單元、配電變壓器溫控器、交/直流屏智能監控單元、雜散電流監測系統智能監控單元、單向導通裝置測控單元、鋼軌電位限制裝置測控單元和再生制動測控裝置。車站主要設備是監控工作站和自動化屏。

2 PSCADA系統功能

本系統可由位于遠方的調度中心或車站對變電所內的一次設備進行監視、測量、保護、控制并記錄處理各種信息。系統支持功能包括數據采集、運行或遙控、繼電保護、聯鎖、順控、電壓無功控制、自檢、時鐘同步、系統配置和維護等。

2.1 監視功能

通過對開關量的判斷處理，可以監視各斷路器、隔離開關、接地刀閘、有載調壓變壓器分接頭的位置和動作情況，以及微機保護、直流設備和其它自動裝置的狀態和動作情況。發生狀態變位時給出相應的聲光語音報警、彈出相應畫面并作出相應的動作記錄。通過對電氣及非電氣模擬量的判斷處理，來監視電網的運行；并根據其數據確定是處于正常狀態還是異常狀態。當處于非正常運行范圍時給出相應的聲光和語音報警、彈出相應畫面并做出相應的記錄。

2.2 操作功能

圖2 PSCADA系統邏輯關系圖

操作員執行的所有操作都嚴格受到權限的控制，沒有相應操作權限的操作員無法執行相應的操作。系統提供的主要調度員操作有：掛牌操作、遙控操作、升降操作、人工置數、保護定值查看與修改、保護的投退。

2.3 遙控和閉鎖功能

系統控制操作對象包括：各電壓等級的斷路器以及隔離開關、接地刀閘、主變及所用變分接頭位置、站內其它重要設備的啟動/停止。站內主控制室所顯示的畫面上對各可控設備進行開/合、投/退等控制操作，可以按選擇-返校-執行的方式實現每次操作一個對象的控制；可以設立操作人、監護人雙重檢查操作控制以提高安全性。

系統具有完備的控制閉鎖功能：對斷路器分合正確控制、對有載調壓變壓器分接頭進行升降調節、對其他可控點進行控制（電動刀閘等）、控制時具有防誤閉鎖功能（如接地刀沒拉開時不能合閘）、控制功能可增加監督認可功能、每個操作步驟系統自動記錄。

另外，系統還提供人機界面顯示功能、接地顯示功能和趨勢顯示功能等。

2.4 站級管理層

車站管理層設備主要完成全站的數據通訊及處理、人機界面、數據庫等功能。是系統與運行和維護人員的接口。

本系統站控級網絡采用星型光纖以太網方式，實現了系統的靈活性高和高安全可靠性。如支持多種通信媒介，網絡拓撲結構靈活，網絡節點均有網絡隔離變壓器，可根據車站現場的實際情況選用通信媒介和網絡結構。在站控級網絡可平滑地進行系統升級。

間隔級網絡設計為多種方式并存的方案。信息量大、實時性要求高、遠方操作頻繁的設備采用光纖以太網方式，其他設備采用串口通訊方式，通訊介質采用屏蔽雙絞線或光纖。10KV保護測控裝置、750V直流保護測控裝置、相鄰跟隨變電所采用光纖以太網接入，0.4KV測控單元、再生制動裝置、經由光電轉換器接入通訊處理機，其他設備通信采用RS485屏蔽雙絞線。

間隔層智能設備主要包括整流器監控單元、交直流電源系統監控單元、整流變壓器溫控器和動力變壓器溫控器，以及10kV、750V、0.4kV開關柜等測控保護監控單元。

圖3 PSCADA系統結構圖

3 軟件要求

綜合自動化系統軟件建立在不依賴于硬件設備的分布式軟件系統平臺之上，組成系統的軟件部件可以按照具體項目的硬件配置進行部署；同時，具有良好開放性和與大規模監控系統相適應的軟件構架，豐富的數據和通信接口，并可以根據工程要求，擴展開發新的數據和通信接口，可以與變電所供電設備智能接口實現信息互通，也可以與其它更高層的系統實現信息互通。 用戶可以非常靈活的來搭配軟硬件平臺，系統的功能完全是可以進行定制進行部屬。

在使用管理上，系統軟件平臺提供一個集成開發環境（IDE），對分布在多個服務器上的同一個應用進行統一的開發。支持多個開發人員同時開發同一個應用。軟件平臺本身提供技術和手段保證多個開發人員同時開發時的交互。

變電所綜合自動化系統的維護軟件主要實現以下功能。

1）系統配置功能：定義模塊、數字量參數庫配置、遙信量參數庫配置、遙測參數庫的設置、電度參數庫的設置、遙控參數庫的設置、遙調參數庫的設置、同期參數庫的設置、定值參數庫的設置、事故簡報參數庫的設置、SPI參數庫的設置、BCD參數庫的設置、其他數據參數庫的設置、直接采樣點數據庫的設置、處理器通訊口參數的配置。

2）系統維護功能：系統時鐘、系統復位，提供功能方塊圖、梯形圖、順序流程圖等編程語言工具，使用編程語言對閉鎖、程控等條件直觀方便地進行編程，并將條件代碼下載至相應的通信控制器。根據權限修改閉鎖、程控等條件代碼、查看系統錯誤信息等。

4 系統主要性能指標

遙控正確率≥99.99%；遙信正確率≥99.9%；模擬量測量總誤差≤0.5%；站內事件順序記錄分辨率≤5ms；站間事件順序記錄分辨率≤15ms；通信控制器對本變電所內所有接口設備的巡檢周期不大于500ms；變電所監控工作站遙信變位響應時間小于2秒；裝置平均無故障工作時間不小于20000小時。

5 結束語

由于軌道交通供電系統設備種類繁多和運營管理要求，其變電所綜合自動化系統設計有其特殊性。隨著軌道交通新線的建設和新技術的發展，對變電所綜合自動化系統提出了更高的要求。本系統采用分層分布、實時開放和安全可靠的系統構成，保證了整個系統的成熟性、可靠性、先進性、實時性和可擴展性；系統不但符合高安全、高可靠和節能的要求，而且滿足地鐵運營對其管理的需要。同時隨著PLC技術的大力發展，多專業學科的縱橫交叉應用，采用標準化規約、協議，為本系統提供了可靠保證。

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