地鐵牽引變電站直流開關柜控制裝置的升級改造

郭 志

（上海地鐵維護保障有限公司供電分公司，201106，上海∥高級工程師）

隨著城市軌道交通網絡化運營格局的成型，地鐵的運營對供電系統的穩定性也提出了更高的要求。在上海軌道交通線路中，1 號線變電站的運行歷史最長，隨著運行時間的增長，供電設備在運行過程中也出現過多種運行故障。本文以上海軌道交通1號線牽引變電站饋線開關的自動控制裝置為研究對象，著重介紹該裝置在運行過程中所出現的問題，并對該自動控制裝置的替換可行性進行分析和研究。

上海軌道交通1 號線牽引變電站饋線開關保護和控制采用的SIEMENS 公司早期的模塊化保護裝置3UB61 和S5-95U 系列控制模塊組合來實現開關的保護和控制功能，屬于直流牽引系統早期的保護配置形式。隨著線路運行時間的增加，該控制裝置內的控制模塊已經進入電子產品的老化周期，而且該類型的控制模塊也已停產，市面上存貨量非常有限，造成該控制模塊在設備故障的情況下，無法進行可靠的更換，因而影響到直流系統設備運行的可靠性和穩定性。

為提高牽引系統運行的可靠性，保證地鐵線路的正常運行，需對該部分保護和控制模塊的功能進行分析，并對該控制裝置的模塊替換進行研究，從技術上提高直流牽引饋線開關控制模塊的可靠性，以保證直流控制裝置的可靠運行。

1 直流饋線開關保護和控制模塊功能介紹

在上海城市軌道交通網絡中，地鐵直流牽引系統主要包括了整流變壓器、整流器和直流開關柜等主要部件。其電氣結構圖如圖1 所示。

圖1 直流牽引系統示意圖

整流機組將33/35 kV 的交流電壓整流為1 500 V 左右的直流電壓，所輸出的直流電通過進線電纜送到牽引變電站內的直流母排；直流饋線開關通過上網電纜給接觸網供電，地鐵車輛通過受電弓對接觸網取流，構成整個牽引供電系統的供、用電過程。直流牽引饋線供電示意圖如圖2 所示。饋線直流開關的操作利用直流保護裝置實現控制，以保證直流牽引供電系統的可靠和安全運行。

圖2 直流饋線開關控制示意圖

在上海軌道交通1 號線牽引變電站直流饋線柜內部，配置了一套直流開關控制模塊，采用SIEMENS 早期的S5-95U 系列PLC 來實現。主要功能包括各類外部操作、給就地和遠方操作提供相應的開關量輸入接口，并將裝置的內部響應傳送到輸出接口。

自動控制裝置同時接收直流保護模塊3UB61的輸出信號，并將該保護信號轉發至站控中央信號屏，并在開關就地的信號指示器內顯示相應的保護動作信號，對開關的實時狀態進行控制。直流開關柜內控制和保護裝置的連接示意圖如圖3 所示。

圖3 直流開關柜內控制和保護裝置連接示意圖

在直流開關運行過程中，直流保護裝置3UB61采樣開關饋線電流，并根據饋線電流的變化特性對故障電流進行判斷。在電流變化特性符合保護設定的情況下，通過該保護裝置的電容脫扣模塊，迅速將直流高速開關斷開，避免故障電流影響牽引供電系統的正常運行。

上海軌道交通1 號線牽引變電站饋線開關的直流保護裝置設置了直流增量電流的速斷和延時動作兩種保護，用來保護牽引供電系統所供接觸網區間的近端和遠端短路保護，避免故障進一步擴大。而直流開關柜內其他保護和控制功能均通過S5-95U 系列控制裝置編程控制來實現。

SIEMENS 的S5-95U 系列PLC 是上個世紀80年代的產品，在1 號線牽引變電站內該類型控制裝置主要分為以下幾個功能：

1）過流保護和開關溫度保護。

2）各類直流開關柜柜面的操作和遠動操作，就地、遠方的分合閘指令。

3）與本柜開關有聯動邏輯的其他動作指令，如框架、鄰站聯跳保護動作信號。

4）各類保護動作信號的輸出，報警信號傳送給中央信號屏等。

5）直流開關柜自動重合閘部分的邏輯判斷和操作。

2 控制模塊的升級改造

2.1 升級的原則

S5-95U 系列控制裝置的升級主要從硬件和軟件兩個方面進行。其硬件和軟件的升級應遵循以下兩個原則：

1）硬件平臺的一致性。考慮設備運行的需要，選取的新硬件平臺與現有直流開關柜內其他硬件的接口部分保持一致，使硬件平臺在現有直流開關柜改造過程中保持連接線數量不變，維持現有直流開關柜內部的接線方式。本次硬件的替換采用西門子新一代邏輯控制器件S7-300 系列，其簡化的連接方式和免維護的硬件結構能夠增強組態的控制裝置硬件的可靠性，保證牽引饋線開關在新硬件平臺上可靠運行，保證設備的正常運行。

2）軟件升級的功能一致性。在硬件平臺確定使用SIEMENS 產品的基礎上，軟件編程采用與硬件平臺相適應的Step7 語言來實現。由于Step5 語言的硬件描述語言與Step7 語言的硬件描述語言在操作指令上存在差異，因此，系統軟件在重構過程中需要對結構和語言重新編寫，以保證整個控制程序各個功能模塊與現有控制系統一致。

2.2 硬件部分組態

在硬件選取過程中，直流開關柜內控制模塊所組成的硬件平臺中包括CPU（中央處理器）控制模塊，模擬量輸入模塊（AI）、數字量輸入模塊（DI）和數字量輸出模塊（DO）這4 種類型的硬件模塊。其中，輸入輸出模塊的選擇是嚴格按照直流牽引系統直流開關柜內S5-95U 系列的輸入輸出模塊的電氣參數進行選擇，電氣參數和驅動能力都進行相應匹配，保證輸入量的準確性和輸出量的驅動能力，以完整實現相應的控制功能。

2.3 軟件部分重構

在控制裝置升級替換中，軟件部分功能代碼的升級是核心部分，主要涉及不同類型信號的邏輯輸入和驅動輸出，以及中間過程的判斷與控制。該部分的研究是整個裝置升級能否成功的關鍵。為保證各個功能模塊的順利重構，首先對原有程序說明文檔進行詳細的分析，并根據分析結果，匯總得到程序控制總體結構。其結構為：輸入信號→輸入信號的預處理→開關操作的邏輯判斷→自動重合閘邏輯判斷→信號的報警指令操作→處理采樣到的模擬信號→信號的輸出判斷。其中，軟件的輸入部分將各類與控制開關相關聯的信息通過DI 和AI 將信號采集到CPU 的中間寄存器中；然后，在邏輯功能模塊中對輸入信號進行處理，將輸入信號進行各種邏輯狀態的組合，并得出所需要的開關狀態信號，根據所得到的狀態信號操作開關。該狀態信號在開關分閘的情況下傳送給自動重合閘邏輯判斷模塊，并根據狀態變量的變化情況決定是否啟動自動重合閘程序。

所有的操作指令過程結束后，CPU 內部輸入的狀態信息通過中間變量的邏輯操作，將得到的邏輯運算結果傳遞給輸出狀態中間寄存器；在信號的報警和輸出模塊內將該部分寄存器的狀態信息通過DO 輸出到直流開關柜本體的各類顯示裝置或通過信號傳輸線將信號發送給中央信號屏。而控制裝置在故障情況下，該部分輸出信號還會驅動報警信號回路，并完成信號處理的整個流轉過程。

2.4 控制軟件的代碼調試

考慮到控制裝置結構的復雜性，在軟件的代碼調試過程中，采取按功能分類調試的步驟進行，這樣可簡化復雜的調試工作。

代碼重構采用的是Step7 語言，因此本次代碼的模擬調試采用SIEMENS PLCSIM 軟件進行代碼調試。其主要圍繞以下幾個功能塊進行：①就地的分、合閘操作調試及功能驗證。②遠方的分、合閘操作調試及功能驗證。③手柄閉鎖，本站和鄰站的框架以及鄰站聯跳等信號的動作特性的驗證。④各類信號輸出的驗證等。⑤直流開關柜自動重合閘的動作特性驗證。

在以上所有各類信號動作特性的調試過程中，為使各類調試更為簡捷和直觀，采用了PLC 通信程序對PLC 的狀態寄存器以及PLC 的各類運行信息進行處理和分析。

實際測試結果表明，控制裝置軟件的代碼升級取得了很好的效果，各個功能模塊均實現了相應的功能。

2.5 控制裝置的控制功能驗證

直流開關運行過程中，在發生本站的直流增量電流速斷和延時動作保護，以及鄰站聯跳等保護動作和開關在分位狀態下操作合閘的過程中，控制程序會進入到自動重合閘（或測試合閘）的功能處理模塊中，并根據信號檢測結果來判斷是否驅動輸出模塊使直流開關變位。整個合閘過程可分為兩種結果：

1）母線測試電壓不正常：在該情況下，母線電壓繼電器無法動作，表示從母排到接觸網及鋼軌之間有短路情況；在該操作過程中，對照該類情況下PLC 的內部輸入和輸出狀態序列可以看出，在母線無電壓的情況下，經過5 次測試合閘后，控制器會輸出持續短路或開關本體故障信號，并將信號發送到遠方顯示裝置上，用來驅動就地及遠方的聲光報警設備。

2）電壓繼電器正常，直流開關柜內部操作機構無法正常合閘：通過PLC 的通信程序，可以得到在該狀態下PLC 的控制合閘順序操作序列。在母線電壓正常情況下，控制裝置通過電壓繼電器的輸出接點，在線路測試的過程中會將電壓正常的狀態信號輸入，然后操作直流開關的輸出點位的指令，由操作機構執行操作。通過序列分析，在電壓繼電器正常情況下，測試合閘程序可執行4 次的測試操作，在該類牽引變電站中的開關動作特性比較特殊，而且模擬中疊加了操作機構故障的信息，所以出現了最終無法合閘的柜體故障信號。該類信息會通過控制裝置的輸出模塊，將信號輸出到聲光報警設備中，作為運行人員處理該類故障的參考信息。

通過PLC 通信軟件的信息反饋，可以得到該控制裝置其他各類操作和功能的運行結果，通過對控制裝置動作結果分析，可以驗證該控制裝置升級的可行性和功能完整性。

3 結語

本文通過對上海軌道交通1 號線直流控制裝置的各項控制功能進行分析，以直流饋線開關控制模塊的功能研究作為起點，在功能分析的基礎上，開發出一套能夠與現有的S5-95U 系列控制功能相同的控制模塊，并針對所開發的模塊，采用模擬軟件進行了相應的功能驗證，對控制模塊替換升級的可行性進行了全面驗證。可為今后控制裝置的項目改造提供參考。