地鐵變電站PLC自動化系統設計

地鐵的供電系統為地鐵運營提供電能。無論地鐵列車還是地鐵中的輔助設施都依賴電能。地鐵供電電源一般取自城市電網，通過城市電網一次電力系統和地鐵供電系統實現輸送或變換，然后以適當的電壓等級供給地鐵各類設備。

地鐵全面采用變電站自動化設計，由于變電站數量多、設備多，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確無誤。在變電站綜合自動化系統中，監控系統至關重要，是確保整個系統可靠運行的關鍵。

變電站自動化系統，經過幾代的發展，已經進入了分散式控制系統時代。遙測、遙信、遙控命令執行和繼電保護功能等均由現場單元部件獨立完成，并將這些信息通過通訊系統送至后臺計算機系統。變電站自動化的綜合功能均由后臺計算機系統承擔。

將變電站中的微機保護、微機監控等裝置通過計算機網絡和現代通信技術集成為一體化的自動化系統。它取消了傳統的控制屏臺、表計等常規設備，因而節省了控制電纜，縮小了控制室面積。

2 地鐵變電站自動化系統組成

在本地鐵變電站自動化系統設計中，采用分層分布式功能分割方案。系統縱向分三層，即變電站管理層、網絡通訊層和間隔設備層。分層式設計有利于系統功能的劃分，結構清晰明了。系統采用集中管理、分散布置的模式，各下位監控單元安裝于各開關柜內，上位監控單元通過所內通信網絡對其進行監視控制。變電站自動化系統需要對35kV交流微機保護測控裝置、直流1500kV牽引系統微機保護測控裝置、380/220V監測裝置、變壓器及整流器的溫控裝置、直流/交流電源屏等設備進行監控和數據采集。

由于可編程序控制器技術經過幾十年的發展，已經相當成熟。其品種齊全，功能繁多，已被廣泛應用于工業控制的各個領域。用PLC來實現地鐵變電站自動化的RTU功能，能夠很好地滿足“三遙”的要求。本系統采用了Modicon Quantum系列PLC，來實現變電站自動化的RTU功能。Quantum具有模塊化，可擴展的體系結構，用于工業和制造過程實時控制。對應于變電站的電壓等級和點數的多少，可以選用大、中、小型不同容量的PLC產品。

隨著當地保護裝置功能的日益強大，可以通過與保護裝置的通訊來實現遙控和遙信功能。一些特殊要求的情況下，采用DI、DO、AI模塊來實現遙控和遙信。使用PLC的DI模塊來實現遙信、用PLC的DO模塊來實現遙控、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訊。利用PLC的各種模塊可以很方便的實現“三遙”基本功能。

3 地鐵變電站自動化系統設計

3.1 系統結構

變電站管理單元內的主監控部分采用可編程控制器PLC。CPU模塊采用80586處理器,主頻66MHz，內存2M，并配有存放數據、可調參數和軟件的 RAM和FLASH MEMORY。能對CPU及I/O進行自診斷。

電源模塊，采用冗余配置。電源采用冗余配置，系統輸入兩路直流電源，保證系統在1路電源失電時，系統仍可無擾動安全運行，提高系統的可靠性。通訊模塊采用Modbus＋通訊模塊。系統結構如圖1所示:

圖1 系統結構圖

間隔層的微機保護裝置經過RS-485總線分成幾個組，連接到網橋的Modbus通訊口上，通過網橋收集數據并將這些數據通過MB+網絡送到主監控單元PLC。

系統的主監控單元可通過可編程網橋編制不同的規約，滿足與不同智能設備之間的接口需要。MODBUS網橋NW-BM85C002 MB+網橋/多路轉換器，每臺網橋具有4個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化，通過MB+網絡與PLC建立網絡通訊;同時在中央信號屏中還配有可編程網橋NW-BM85C485，通過MB+網絡與PLC連接，每個可編程網橋具有四個通訊協議可編程的RS-485口，在本方案中對其中的兩個口進行編程，使之通過IEC-60870-7-101與中央控制中心通訊。

系統網絡通訊層向上通過可編程網橋的RS-422接口采用IEC60870-5-101國際標準規約實現與控制中心通訊;向下網絡通訊層通過網橋RS-422接口MODBUS標準規約實現與主變電站內的各開關柜或保護屏內的微機綜合保護測控單元等智能裝置通訊，滿足變電所綜合自動化系統控制、測量、保護的技術要求。通過網橋與智能設備及控制中心通訊，由網橋實現協議轉換，降低PLC的CPU模塊負荷率，提高系統的可靠性。

配置液晶顯示器，用于變電所內監控、軟件維護，設備調試，站控層操作等人機接口。帶有液晶顯示器實現站內數據的顯示和控制。液晶顯示以漢字實時顯示所內所有事故、預告信號、所內各微機綜合保護測控單元的運行狀態。事件變位的內容、時間等。當多個事故信號同時發生時,液晶顯示報警裝置按新舊次序，在所內時間分辨率的范圍內依次顯示各種信息,并能存儲。操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制。

“就地-遠方”控制切換裝置。為便于系統運行的需要，在中央信號屏內裝有“就地-遠方”切換開關，實現就地控制和遠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。

系統的電源采用冗余配置，系統輸入兩路直流電源，保證系統在一路電源失電時，系統仍可無擾動安全運行，提高系統的可靠性。

3.2 開放式、宜擴展性設計

可以與滿足相應標準規約(profibus, spabus, modbus等)的其它公司相關的(IED)互聯進行信息交換。充分考慮到變電站擴建、改造等因素，間隔層設備基于模塊式標準化設計，可根據要求隨意配置，變電站層設備設置靈活。

網絡通訊層設計考慮到工業以太網、CAN、422、modbus＋等現場總線的接口設計，能充分滿足大流量實時數據傳送的實時性和可靠性。

3.3 軟件設計

PLC軟件方面，由于PLC以循環掃描和中斷兩種方式來執行程序。為了完成所有RTU功能，PLC采用循環掃描方式，與各個間隔層保護單元進行通訊。通過Modbus總線，讀取各個保護單元的遙測、遙信信息，同時通過總線通訊對各個智能保護裝置進行設點操作，實現對開關的遙控功能。本系統采用了Quantum系列PLC配套的concept編程軟件中的FBD方式，進行了PLC的組態，實現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。通過使用合適的功能塊的組合，可以實現你所要的功能。其中的功能塊有concept軟件的FFB libarary 提供的標準功能塊，也可以自己定義，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，當變電站設備發生變位時，通過PLC與智能保護裝置的通訊，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，通過連接設備的位置繼電器，PLC的DI模塊能夠感知設備的變位信息。

圖2 遙控功能的組態

遙測的實現也包含兩種方式。一種是通訊方式，PLC通過與智能保護裝置的通訊，實時獲取保護裝置采集的遙測量信息，相當于由保護裝置完成現場級的采集功能。另一種為AI模塊方式，由PLC自己來完成現場的遙測量采集，并將采集到的數據存放在RAM中。網橋將RAM中的遙測量信息，作為二級數據，實時的與控制中心進行通訊。

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

3.4 系統功能及特點

變電站自動化實施對變電站各種設備進行實時控制和數據采集，實現對各種設備的微機控制、監視、邏輯閉鎖、微機測量以及實現所間開關聯跳功能。

變電站自動化系統的特點:

(1) 完善的自檢功能，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，同時二者相互監視，一旦發生異常，及時報警，提高系統運行可靠性。
(2) 開關、刀閘狀態信息采用常開及常閉雙位置接點，通過軟件判斷其合法性。
(3) 監控系統采用PLC代替傳統的RTU，各智能模塊采集的數據通過現場總線上傳到通訊控制器。
(4) 取消了常規光字牌，采用計算機模擬光字牌，并按不同電壓等級的分層模式來顯示。
(5) 簡化防誤閉鎖設計，重要設備之間用硬接線實現閉鎖功能，綜合自動化軟件具備軟件邏輯判別功能，但考慮到已有運行和檢修經驗，一般不在后臺軟件中進行閉鎖。
(6) 對暫態變位信號，經軟件處理，采用自保持方式，未經人工確認信號不會消失。

4 結束語

在實際運行中，網橋與控制中心的雙通道設計，給運營和檢修帶來了很大的便利。因為是軟件自動切換，克服了進口系統手動切換通道的缺點，通道的狀態由軟件來判斷，大大提高了發現問題的及時性。雙通道同時出現故障的概率并不是很高，實際運營中有在備用通道長時間運行的情況，這樣就給檢修人員預留了充足的時間來檢查問題。

PLC硬件由于應用工業級可靠性設計，因此實際運行中非常可靠，絕少出現死機的情況，可靠性遠高于采用windows操作系統的通用計算機，很好的滿足了供電監控的要求。從交付使用到現在PLC還沒有出現過硬件故障，凸顯了PLC對地鐵的潮濕、高溫環境的適應性。模塊化的設計也使的系統的檢修和更換更為便捷。

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