LK在地鐵變電站中的應(yīng)用

1、LK在地鐵變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用（北京和利時(shí)自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司 市場拓展部 100176） 王國鋒摘 要：和利時(shí)公司的LK大型PLC在地鐵變電站自動化系統(tǒng)中已有過多個(gè)工程項(xiàng)目的成功應(yīng)用。本文在總結(jié)和利時(shí)公司地鐵變電站中豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)特點(diǎn)及系統(tǒng)功能。HOLLiAS LK大型PLC在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用，簡化了變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，再優(yōu)化現(xiàn)場總線技術(shù)和通訊技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)高可靠性的變電站自動化系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：地鐵變電站自動化；HOLLiAS LK PLC；可編程控制器1引言地鐵的供電系統(tǒng)為地鐵運(yùn)營提供電能。無論地鐵列車還是地鐵中的輔助設(shè)施都依賴電

2、能。地鐵供電電源一般取自城市電網(wǎng)，通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸送或變換，然后以適當(dāng)?shù)碾妷旱燃壒┙o地鐵各類設(shè)備。地鐵供電系統(tǒng)不僅為地鐵車輛運(yùn)行提供牽引電源，同時(shí)為整個(gè)地鐵的環(huán)控、照明、信號及運(yùn)營管理系統(tǒng)等所有用電設(shè)施提供電源。地鐵供電系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，是維系地鐵各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障。地鐵全面采用變電站自動化設(shè)計(jì)，由于變電站數(shù)量多、設(shè)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(zhǔn)確無誤。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要，是確保整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。變電站自動化系統(tǒng)，經(jīng)過幾代的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了分散式控制系統(tǒng)時(shí)代。遙測、遙信、遙控命令執(zhí)行和

3、繼電保護(hù)功能等均由現(xiàn)場單元部件獨(dú)立完成，并將這些信息通過通訊系統(tǒng)送至后臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。變電站自動化的綜合功能均由后臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)，可以提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，減少基建投資，及時(shí)掌握電網(wǎng)及變電站的運(yùn)行情況，提高變電站的可控性，為推廣變電站無人值班提供了手段。將變電站中的微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控等裝置通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)集成為一體化的自動化系統(tǒng)。它取消了傳統(tǒng)的控制屏臺、表計(jì)等常規(guī)設(shè)備，因而節(jié)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(tǒng)組成變電站綜合自動化是將變電站的二次設(shè)備（包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電報(bào)護(hù)、自動裝置和遠(yuǎn)動裝置等）經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、

4、PLC技術(shù)、通信技術(shù)和信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對全站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機(jī)保護(hù)，以及與調(diào)度通信等自動化功能。本地變電站自動化系統(tǒng)采用分層分布式功能分割方案。系統(tǒng)縱向分三層，即變電站管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和間隔設(shè)備層。分層式設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)功能的劃分，結(jié)構(gòu)清晰明了。系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式，各下位監(jiān)控單元安裝于各開關(guān)柜內(nèi)，上位監(jiān)控單元通過站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行監(jiān)視控制。變電站自動化系統(tǒng)需要對交流微機(jī)保護(hù)測控裝置、直流750V牽引系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)測控裝置、380/220V監(jiān)測裝置、變壓器及整流器的溫控裝置、直流/交流電源屏等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于可

5、編程序控制器技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟，己被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。用PLC來實(shí)現(xiàn)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(tǒng)采用了和利時(shí)公司HOLLiAS LK系列PLC，來實(shí)現(xiàn)變電站自動化的RTU功能。LK具有模塊化，可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)，用于工業(yè)和制造過程實(shí)時(shí)控制。變電站管理單元內(nèi)的主監(jiān)控部分采用具有冗余功能的CPU模塊LK210，可以實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)冗余，增強(qiáng)主控制器與遠(yuǎn)程I/O通訊的可靠性。電源模塊，同樣采用冗余配置。電源采用冗余配置，系統(tǒng)輸人兩路直流電源，保證系統(tǒng)在1路電源失電時(shí)，系統(tǒng)仍可無擾動安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。圖1地鐵變電站

6、自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖隨著當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)裝置功能的日益強(qiáng)大，可以通過與保護(hù)裝置的通訊來實(shí)現(xiàn)遙控和遙信功能。LK系列PLC支持多種通訊協(xié)議，可以輕松與第三方設(shè)備進(jìn)行通訊， 本系統(tǒng)中線路縱差保護(hù)裝置通過MODBUS協(xié)議與控制中心PLC通訊，滿足變電所綜合自動化系統(tǒng)控制、測量、保護(hù)的技術(shù)要求。3 地鐵變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變電站管理單元內(nèi)的主監(jiān)控部分采用和利時(shí)公司LK系列可編程控制器PLC。CPU模塊采用工業(yè)級處理器LK210，主頻533MHz，程序內(nèi)存16M，數(shù)據(jù)內(nèi)存64M，掉電保持區(qū)為1M。能實(shí)現(xiàn)CPU及I/O進(jìn)行自診斷。電源模塊，采用冗余配置。電源采用冗余配置，系統(tǒng)輸人兩路直流電源，保證系統(tǒng)在1路

7、電源失電時(shí)，系統(tǒng)仍可無擾動安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:間隔層的微機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)過RS-485總線分成幾個(gè)組，連接到CPU模塊LK210的COM2通訊口上，通過MODBUS協(xié)議收集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)送到主監(jiān)控單元LK PLC。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊層向上通過高速工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與控制中心通訊；向下網(wǎng)絡(luò)通訊層通過RS-485接口MODBUS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約實(shí)現(xiàn)與主變電站內(nèi)的各開關(guān)柜或保護(hù)屏內(nèi)的微機(jī)綜合保護(hù)測控單元等智能裝置通訊，滿足變電所綜合自動化系統(tǒng)控制、測量、保護(hù)的技術(shù)要求。配置液晶顯示器，用于變電所內(nèi)監(jiān)控、軟件維護(hù)，設(shè)備調(diào)試，站控層操作等人機(jī)接口。帶有液晶顯示器實(shí)現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的顯示和控制。液晶顯示

8、以漢字實(shí)時(shí)顯示所內(nèi)所有事故、預(yù)告信號、所內(nèi)各微機(jī)綜合保護(hù)測控單元的運(yùn)行狀態(tài)。事件變位的內(nèi)容、時(shí)間等。當(dāng)多個(gè)事故信號同時(shí)發(fā)生時(shí)，液晶顯示報(bào)警裝置按新舊次序，在所內(nèi)時(shí)間分辨率的范圍內(nèi)依次顯示各種信息，并能存儲。操作員通過按鈕對顯示進(jìn)行選擇，必要時(shí)操作員可通過該組操作按鈕對開關(guān)進(jìn)行所內(nèi)集中控制?！熬偷?遠(yuǎn)方”控制切換裝置。為便于系統(tǒng)運(yùn)行的需要，在中央信號屏內(nèi)裝有“就地/遠(yuǎn)方”切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)就地控制和遠(yuǎn)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(tǒng)的電源采用冗余配置，系統(tǒng)輸人兩路直流電源，保證系統(tǒng)在一路電源失電時(shí)，系統(tǒng)仍可無擾動安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。 開放式、宜擴(kuò)展性設(shè)計(jì)可

9、以與滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約（PROFIBUS、TCP/IP、MODBUS等）的其它公司相關(guān)的（IED）互聯(lián)進(jìn)行信息交換。充分考慮到變電站擴(kuò)建、改造等因素，間隔層設(shè)備基于模塊式標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可根據(jù)要求隨意配置，變電站層設(shè)備設(shè)置靈活。網(wǎng)絡(luò)通訊層設(shè)計(jì)考慮到工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、MODBUS等現(xiàn)場總線的接口設(shè)計(jì)，能充分滿足大流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性和可靠性。 軟件設(shè)計(jì)PLC軟件方面，由于PLC以循環(huán)掃描和中斷兩種方式來執(zhí)行程序。為了完成所有RTU功能，PLC采用循環(huán)掃描方式，與各個(gè)間隔層保護(hù)單元進(jìn)行通訊。通過PROFIBUS-DP總線，讀取各個(gè)保護(hù)單元的遙測、遙信信息，同時(shí)通過總線通訊對各個(gè)智能保護(hù)裝置進(jìn)行

10、設(shè)點(diǎn)操作，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)的遙控功能。本系統(tǒng)采用了LK系列PLC配套的PowerPro編程軟件中的FBD方式，進(jìn)行了PLC的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了變電站自動化的三遙功能。通過使用合適的功能塊的組合，可以實(shí)現(xiàn)你所要的功能。其中的功能塊有PowerPro軟件的提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，也可以自己定義，自己獨(dú)特的功能塊。遙信的實(shí)現(xiàn)，有兩種方式。一種是通訊方式，當(dāng)變電站設(shè)備發(fā)生變位時(shí)，通過PLC與智能保護(hù)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(shè)備的位置繼電器，PLC的DI模塊能夠感知設(shè)備的變位信息。遙測的實(shí)現(xiàn)也包含兩種方式。一種是通訊方式，PLC通過與智能保護(hù)裝置的通訊，實(shí)

11、時(shí)獲取保護(hù)裝置采集的遙測量信息，相當(dāng)于由保護(hù)裝置完成現(xiàn)場級的采集功能。另一種為AI模塊方式，由PLC自己來完成現(xiàn)場的遙測量采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存放在RAM中。網(wǎng)橋?qū)AM中的遙測量信息，作為二級數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)的與控制中心進(jìn)行通訊。網(wǎng)橋中的報(bào)文接收分析程序分析控制中心傳來的報(bào)文，如果分析認(rèn)為其是遙控報(bào)文，對其進(jìn)行報(bào)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(hù)裝置通訊，來完成遙控功能。4 系統(tǒng)功能地鐵變電站自動化歸納起來可分為以下幾種功能組：控制、監(jiān)視功能；自動控制功能；測量表記功能；繼電保護(hù)功能；與繼電保護(hù)有關(guān)功能；接口功能；系統(tǒng)功能。綜合地鐵實(shí)際情況，具體來說，地鐵變電站綜合自

12、動化系統(tǒng)的基本功能體現(xiàn)在下述五項(xiàng)功能中。 監(jiān)控功能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)取代常規(guī)的測量系統(tǒng)，取代指針式儀表；改變常規(guī)的操作機(jī)構(gòu)和模擬盤，取代常規(guī)的告警、報(bào)警、中央信號、光字牌等；取代常規(guī)的遠(yuǎn)動裝置等等?？傊?，其功能應(yīng)包括以下幾部分內(nèi)容： 數(shù)據(jù)采集變電站的數(shù)據(jù)包括：模擬量、開關(guān)量和電能量（1）模擬量的采集。變電站需采集的模擬量有：各段母線電壓、線路電壓、電流、有功功率、無功功率，主變壓器電流、有功功率和無功功率，電容器的電流、無功功率，饋出線的電流、電壓、功率以及頻率、相位、功率因數(shù)等。此外，模擬量還有主變壓器油溫、直流電源電壓、站用變壓器電壓等。對模擬量的采集，有直流采樣和交流采樣兩種方式。（2）開關(guān)量的

13、采集。變電站的開關(guān)量有：斷路器的狀態(tài)、隔離開關(guān)狀態(tài)、有載調(diào)壓變壓器分接頭的位置、同期檢測的狀態(tài)、繼電保護(hù)動作信號、運(yùn)行告警信號等。這些信號都以開關(guān)量的形式，通過光電隔離電路輸入至計(jì)算機(jī)。（3）電能計(jì)量。電能計(jì)量即指對電能（包括有功電能和無功電能）的采集。有兩種測量的方法，一種電能脈沖計(jì)量法，電能表轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈便輸出一個(gè)或兩個(gè)脈沖，用輸出的脈沖數(shù)代替轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，PLC可以對這個(gè)輸出脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，將脈沖數(shù)乘以標(biāo)度系數(shù)，便得到電能量；另一種是軟件計(jì)算方法，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用交流采樣得到的電流、電壓值，通過軟件計(jì)算出有功電能和無功電能。 事件順序記錄SOE事件順序記錄SOE包括斷路器跳合閘記錄、

14、保護(hù)動作順序記錄。微機(jī)保護(hù)或監(jiān)控系統(tǒng)采集環(huán)節(jié)必須有足夠的內(nèi)存，能存放足夠數(shù)量或足夠長時(shí)間段的事件順序記錄，確保當(dāng)后臺監(jiān)控系統(tǒng)或遠(yuǎn)方集中控制主站通信中斷，不丟失事件信息，并記錄事件發(fā)生的時(shí)間。 故障記錄故障記錄是記錄繼電保護(hù)動作前后與故障有關(guān)的電流量和母線電壓。對于地鐵中、低壓變電站，沒有配備專門的故障錄波裝置，而10kV出線數(shù)量大、故障率高，在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了故障記錄功能，對分析和掌握情況、判斷保護(hù)動作是否正確很有益處。 操作控制功能少人值班變電站自動化系統(tǒng)，操作人員都可以通過CRT屏幕對斷路器和隔離開關(guān)進(jìn)行投、切控制，同時(shí)能接受遙控操作命令，進(jìn)行遠(yuǎn)方操作；為防止計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)無法操作被控設(shè)

15、備，在設(shè)計(jì)時(shí)，保留了人工直接跳、合閘手段。 安全監(jiān)視功能監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，對采集的電流、電壓、主變壓器溫度、頻率等量不斷的進(jìn)行越限監(jiān)視，如發(fā)現(xiàn)越限，立刻發(fā)出告警信號，同時(shí)記錄和顯示越限時(shí)間和越限值，另外，還監(jiān)視保護(hù)裝置是否失電，自控裝置是否正常等。 人機(jī)聯(lián)系功能（1）人機(jī)聯(lián)系橋梁。CRT 顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤。操作人員或調(diào)度員只要面對CRT顯示器的屏幕，通過操作鼠標(biāo)或鍵盤，就可以對全站的運(yùn)行情況和運(yùn)行參數(shù)一目了然，可以對全站的斷路器和隔離開關(guān)等進(jìn)行分、合操作，徹底改變了傳統(tǒng)的依靠指針式儀表和依靠模擬屏或操作屏等手段的操作方式。（2）CRT顯示畫面的內(nèi)容。歸納起來，顯示的內(nèi)容有：采集和計(jì)算的實(shí)

16、時(shí)運(yùn)行參數(shù)；實(shí)時(shí)主接線圖；事件順序記錄；越限報(bào)警顯示；值班記錄顯示；歷史趨勢顯示；保護(hù)定值和自控裝置的設(shè)定顯示；其他（故障記錄顯示、設(shè)備運(yùn)行狀況顯示）（3）輸入數(shù)據(jù)。變電站投入運(yùn)行后，隨著送電量的變化，保護(hù)定值、越限值等需要修改，甚至由于負(fù)荷的增長，需要更換原有的設(shè)備。因此在人機(jī)聯(lián)系中，有輸入數(shù)據(jù)的功能。 打印功能變電站自動化系統(tǒng)配備打印機(jī)，完成下列記錄功能：定時(shí)打印報(bào)表和日志；開關(guān)操作記錄打?。皇录樞蛴涗洿蛴?；越限打印；召喚打??；抄屏打?。皇鹿首窇洿蛴?。 數(shù)據(jù)處理與記錄功能歷史數(shù)據(jù)的形成和存儲是數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容。此外，為滿足繼電保護(hù)專業(yè)和變電站管理的需要，進(jìn)行一些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其內(nèi)容包括：主

17、變和輸電線路有功功率和無功功率每天的最大值和最小值以及相應(yīng)的時(shí)間；母線電壓每天定時(shí)記錄的最高值和最低值以及相應(yīng)的時(shí)間；計(jì)算受配電電能平衡率；統(tǒng)計(jì)斷路器動作次數(shù)；斷路器切除故障電流和跳閘次數(shù)的累計(jì)數(shù)；控制操作和修改定值記錄。 微機(jī)保護(hù)的功能微機(jī)保護(hù)包括全站主要設(shè)備和輸電線路的全套保護(hù)，具體有：高壓輸電線路的主保護(hù)和后備保護(hù)、主變壓器的主保護(hù)和后備保護(hù)、無功補(bǔ)償電容器組的保護(hù)、母線保護(hù)、配電線路的保護(hù)、不完全接地系統(tǒng)的單相接地選線。 電壓、無功綜合控制的功能變電站綜合自動化系統(tǒng)具有保證安全、可靠供電和提高電能質(zhì)量的自動控制功能。電壓和頻率是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此電壓、無功綜合控制也是變電站綜合自

18、動化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。在變電站中，對電壓和無功的自動控制，主要是自動調(diào)節(jié)有載變壓器的分接頭位置和自動控制無功補(bǔ)償設(shè)備的投、切或控制其運(yùn)行工況。其控制方式有如下三種：（1）集中控制。集中控制是指在調(diào)度中心對各個(gè)變電站的主變壓器的分接頭位置和無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的控制。（2）分散控制。這是我國目前進(jìn)行電壓、無功綜合控制的主要方式。分散控制是指在各個(gè)變電站中，自動調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置或其他調(diào)壓設(shè)備，以控制地區(qū)的電壓和無功功率在規(guī)定的范圍內(nèi)。（3）關(guān)聯(lián)分散控制。所謂關(guān)聯(lián)分散控制，是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由分散的安裝在各廠、站的分散控制裝置或控制軟件進(jìn)行自動調(diào)控，調(diào)控范圍和定值是從整個(gè)系

19、統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行出發(fā)，事先由電壓、無功優(yōu)化程序計(jì)算好的，而在系統(tǒng)變化較大或緊急情況或系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生大的變動時(shí)，可由調(diào)度中心直接操作控制，或由調(diào)度中心修改下屬變電站所維持的母線電壓和無功功率的定值，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行方式變化后新的要求。本變電站綜合自動化系統(tǒng)采用分散控制的方式。 低頻減負(fù)荷的功能電力系統(tǒng)的頻率是電能質(zhì)量重要的指標(biāo)之一。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，必須維持頻率在50（0.10.2）Hz的范圍內(nèi)。系統(tǒng)頻率偏移過大時(shí)，發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備都會受到不良的影響。因而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生有功功率缺額的事故時(shí)，必須迅速地切斷部分負(fù)荷，減小系統(tǒng)的有功缺額，使系統(tǒng)頻率維持在正常水平或允許的范圍內(nèi)。 備用電源自投控制的功能在具有兩路電源供電的變電站中，電源進(jìn)線可分為工作電源進(jìn)線和備用電源進(jìn)線兩種。備用電源自投裝置就是當(dāng)工作電源因故障被斷開后，能自動而迅速地將備用電源投入工作的裝置。5 系統(tǒng)特點(diǎn)變電站自動化實(shí)現(xiàn)對變電站各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集，對各種設(shè)備的微機(jī)控制、監(jiān)視、邏輯閉鎖、微機(jī)測量以及所有開關(guān)聯(lián)跳功能。基于和利時(shí)公司HOLLiAS LK系列PLC的地鐵變電站自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)： LK具有完善的自檢功能，除通過通信對各單元進(jìn)行監(jiān)控外，各單元中保護(hù)和監(jiān)控模塊都具有極強(qiáng)的自檢功能