陳哲

（中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，北京100029）

1 項(xiàng)目概況

以某市地鐵2 號(hào)線(xiàn)供配電系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。在本項(xiàng)目中涉及的供配電設(shè)備包括GIS、變壓器、直流開(kāi)關(guān)柜、氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜、整流變壓器、配電變壓器、交流以及直流電纜等，構(gòu)成比較復(fù)雜。由于所有的設(shè)備都帶電運(yùn)行，因此，設(shè)計(jì)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案不能對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行造成干擾，在不停電的狀態(tài)下完成設(shè)備的安裝調(diào)試。

2 地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備的基本構(gòu)成

當(dāng)前，地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備主要包括變壓器、整流器、交流開(kāi)關(guān)、直流開(kāi)關(guān)等。為了適時(shí)掌控這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行。

2.1 變壓器

在地鐵供配電系統(tǒng)當(dāng)中采用的變壓器通常為110kV 三相油浸式變壓器，其主要作用是將110kV 的電源轉(zhuǎn)換為10kV或者35kV 交流電。變壓器在運(yùn)行過(guò)程中通常容易出現(xiàn)的故障有局部升溫、滲漏油、局部放電、絕緣下降或者消失、異常噪聲等，無(wú)論哪種故障都會(huì)直接影響到供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.2 直流開(kāi)關(guān)

直流開(kāi)關(guān)的主要作用是控制直流牽引電源的正常供給，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以快速做出反應(yīng)，切斷發(fā)生故障的電路，確保供配電系統(tǒng)的安全，直流斷路器是直流開(kāi)關(guān)的核心構(gòu)件[1]。直流開(kāi)關(guān)比較容易出現(xiàn)的故障包括絕緣故障、斷路器故障、局部升溫、觸頭燒損等，這些故障會(huì)導(dǎo)致直流開(kāi)關(guān)難以正常發(fā)揮作用，從而無(wú)法對(duì)供配電系統(tǒng)形成保護(hù)。

2.3 整流器

整流器的本質(zhì)是電流變換的裝置，需要和牽引變壓器進(jìn)行組合使用，當(dāng)牽引變壓器所供給的交流電通過(guò)時(shí)整流器將其轉(zhuǎn)換為直流電。整流器容易出現(xiàn)的故障包括二極管擊穿、局部升溫、絕緣下降或者消失、壓倉(cāng)電阻、壓敏電阻等。

2.4 低壓400V開(kāi)關(guān)柜

低壓400V 開(kāi)關(guān)柜的主要作用是電所或地鐵站低壓交流負(fù)載的供電和保護(hù)功能。低壓400V 開(kāi)關(guān)柜比較容易的故障包括絕緣下降或者消失、局部升溫、絕緣閃絡(luò)、斷路器故障、絕緣擊穿。

3 地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文擬采用S7-200 的PLC，人機(jī)界面選擇TP177A 觸摸屏，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖1 所示，其中1 號(hào)和2 號(hào)PLC 控制整流柜中2 個(gè)控制器，3 號(hào)PLC 控制交流開(kāi)關(guān)和直流開(kāi)關(guān)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖

3.1.1 MPI 網(wǎng)絡(luò)

MPI 指的是多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)，由西門(mén)子研發(fā)，主要是用于PLC 系統(tǒng)之間的通信保密協(xié)議。利用MPI 網(wǎng)絡(luò)可以與S7-200的PLC 組成通信網(wǎng)絡(luò)，其對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸鄬?duì)的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不大，屬于一種比較簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高的通信網(wǎng)絡(luò)。S7-200 的PLC 支持MPI 通信協(xié)議，一個(gè)MPI 網(wǎng)絡(luò)最高可以允許連接32 個(gè)站點(diǎn)，在本方案中連接的個(gè)數(shù)主要受PLC的CPU 限制，最多可以連接4 個(gè)。

3.1.2 交流開(kāi)關(guān)柜、直流開(kāi)關(guān)柜和PLC 的通信

在本方案中，交流開(kāi)關(guān)柜、直流開(kāi)關(guān)柜和PLC 的通信擬用Modbus 通信協(xié)議，以3 號(hào)PLC 為助戰(zhàn)，利用PORT1 端口實(shí)現(xiàn)對(duì)交流開(kāi)關(guān)柜的信息采集。直流開(kāi)關(guān)柜的控制器采用S7-300的PLC，二者之間以交叉網(wǎng)線(xiàn)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)通信。

3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

3.2.1 WinCC flexible

這是一種具有前瞻性、自動(dòng)化的人機(jī)界面軟件，可以用于組態(tài)任務(wù)工程系統(tǒng)黨總，其設(shè)計(jì)舒適并且高效，可以針對(duì)不同的組態(tài)任務(wù)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的編輯器，其主要的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為處理方式比較直接、處理過(guò)程靈活性以及透明性較高。

3.2.2 組態(tài)項(xiàng)目

用于組態(tài)用戶(hù)界面的基礎(chǔ)是項(xiàng)目，于項(xiàng)目當(dāng)中創(chuàng)建并完成所有需要組態(tài)的對(duì)象，利用這些對(duì)象對(duì)地鐵供配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作以及監(jiān)測(cè)。具體主要包括建立連接、變量、畫(huà)面、報(bào)警4 方面。

建立連接主要是實(shí)現(xiàn)PLC 和觸摸屏的連接，在創(chuàng)建項(xiàng)目的過(guò)程中，已經(jīng)完成了連接參數(shù)的設(shè)定，定義地址2、10 用于PLC、觸摸屏當(dāng)中，波特率設(shè)定為19.2kb/s，然后在WinCC flexible 當(dāng)中選擇對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序就可以實(shí)現(xiàn)通信連接。

變量主要分為內(nèi)部變量與外部變量，在WinCC flexible 當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的集中管理。外部變量主要用于通信，其代表的是PLC 當(dāng)中已定義的內(nèi)存位置映像，關(guān)于數(shù)據(jù)類(lèi)型主要與人際界面設(shè)備連接的PLC 有關(guān)[2]。PLC 和人機(jī)界面設(shè)備都可以讀寫(xiě)已定義的內(nèi)存位置，支持周期性讀寫(xiě)，也支持觸發(fā)性讀寫(xiě)。

畫(huà)面作為項(xiàng)目的關(guān)鍵性元素，因此，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)的操作以及監(jiān)測(cè)，在本設(shè)計(jì)方案中，需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備包括R11、R12 整流器、開(kāi)關(guān)柜、低壓400V 開(kāi)關(guān)柜、1500V 設(shè)備、變壓器等，畫(huà)面主要包括文本域以及輸出域，根據(jù)設(shè)備的類(lèi)型顯示相關(guān)監(jiān)測(cè)信息，以確保工作人員可以掌握供配電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

報(bào)警主要用于人機(jī)界面設(shè)備中，用來(lái)指示地鐵供配電系統(tǒng)的操作狀態(tài)或者出現(xiàn)的故障。在本設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，采用的是離散量報(bào)警，當(dāng)直流開(kāi)關(guān)或者其他保護(hù)性裝置做出保護(hù)動(dòng)作時(shí)，會(huì)直接發(fā)出警報(bào)，并在人機(jī)界面設(shè)備中顯示報(bào)警信息，并且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷次報(bào)警信息的存儲(chǔ)，以便于運(yùn)維人員進(jìn)行維修。WinCC flexible 會(huì)在人機(jī)界面設(shè)備，也就是觸摸屏上顯示報(bào)警視圖，根據(jù)不同組態(tài)可以同時(shí)顯示多項(xiàng)報(bào)警信息，并且報(bào)警窗口關(guān)閉或者打開(kāi)支持事件觸發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

在本項(xiàng)目中采用了上述地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案，經(jīng)過(guò)為期1 年的實(shí)踐和監(jiān)測(cè)，總結(jié)如下：

1）地鐵供配電系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成比較復(fù)雜，涉及多項(xiàng)設(shè)備，設(shè)備質(zhì)量會(huì)直接影響供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)采用本在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題并進(jìn)行報(bào)警，極大地降低設(shè)備故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，有效保證了供配電系統(tǒng)的運(yùn)行。

2）對(duì)老化的設(shè)備或者使用壽命即將終結(jié)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以最大限度地發(fā)揮其剩余價(jià)值，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)更新設(shè)備。

3）采用供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案替代停電試驗(yàn)，可以最大限度地減少停電的時(shí)間，并節(jié)省用于試驗(yàn)的費(fèi)用。

4）目前，各大城市的地鐵運(yùn)維人員配額為60 人/km，隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，需要投入的人力資源越來(lái)越多，采用供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方案，可以有效降低運(yùn)維人員配額，節(jié)省人力資源成本。

總體來(lái)說(shuō)，采用供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案以來(lái)，取得了良好的效果，極大地提升了地鐵運(yùn)營(yíng)效益。