轨道交通变电所综合自动化系统设计

丁树奎

DING Shu-kui

（北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100081）

0 引言

城市轨道交通运营所需的各种动力、照明的能量供给和分配均来源于变电所，而变电所内的设备种类较多。这就决定了其设备管理繁琐、接口形式复杂，通信方式和接口协议多样。针对变电所诸多特点，现代化的变电所综合自动化系统采用分层分布式结果，以良好的开放性和扩展性、抗干扰能力强、可靠性高等特点对轨道交通的变电所进行优化配置管理；实现了轨道交通供电系统的信息互资源共享和实时监控，提高了安全可靠性和响应性。轨道交通变电所按地理位置一般设置在轨道沿线的车站、较长的区间、车辆段及停车场。为了实现轨道交通各专业系统之间的信息共享，提高各系统间的协调配合能力，提高轨道交通全线的整体自动化水平；轨道交通变电所综合自动化系统通过冗余的通信通道接入综合监控系统（ISCS），实现轨道交通的综合监控统一管理。提高了轨道交通应对各种突发事件的反应速度，增强了应变能力，提高的服务水平和运营管理水平。

图1 PSCADA接口关系示意图

1 PSCADA系统组成

变电所自动化系统以供电设备为监控对象，通过网络将分散布置的设备连接起来，通过监控计算机进行集中管理。变电所综合自动化系统由站级管理层，网络通信层和间隔设备层组成，采用分层分布式结构。

站级管理层由自动化屏及安装于自动化屏内的监控计算机和智能接口单元，智能测控单元和通信控制器，按钮指示灯和转换开关以及用于维护和维修的笔记本电脑等设备构成。

网络通信层为变电所内的网络通信和接口设备，实现变电所内管理层与基础设备层之间的通信。该层采用国际标准通信协议，充分考虑了网络的开放性、可扩充性以及工程化的相关问题。

间隔设备层包括安装在一次供电设备中的各种测控智能单元、采集信息设备单元、测控保护微机单元、以及采用硬接点接入的现场设备。设备包括10KV测控保护综合单元、DC750V测控保护综合单元、0.4kV开关柜智能信息采集单元、交直流电源装置监控单元、上网电动隔离开关、轨电位限制装置、排流柜等。

变电所自动化系统采用集中管理、分散控制的结构，系统网络的某一部分控制或线路受到损坏，整个系统的运行也不会影响到。变电所自动化系统具有适应各种通讯接口的能力，完成间隔设备单元接口转换，实现实时监控。

系统监控对象主要有：10kV馈线开关柜、10kV母联柜、10kV进、出线开关柜、10kV开关柜计量表计、750V直流系统开关柜、接触网电动隔离开关柜、0.4kV开关及表计、整流变压器温控器、整流器监控单元、配电变压器温控器、交/直流屏智能监控单元、杂散电流监测系统智能监控单元、单向导通装置测控单元、钢轨电位限制装置测控单元和再生制动测控装置。车站主要设备是监控工作站和自动化屏。

2 PSCADA系统功能

本系统可由位于远方的调度中心或车站对变电所内的一次设备进行监视、测量、保护、控制并记录处理各种信息。系统支持功能包括数据采集、运行或遥控、继电保护、联锁、顺控、电压无功控制、自检、时钟同步、系统配置和维护等。

2.1 监视功能

通过对开关量的判断处理，可以监视各断路器、隔离开关、接地刀闸、有载调压变压器分接头的位置和动作情况，以及微机保护、直流设备和其它自动装置的状态和动作情况。发生状态变位时给出相应的声光语音报警、弹出相应画面并作出相应的动作记录。通过对电气及非电气模拟量的判断处理，来监视电网的运行；并根据其数据确定是处于正常状态还是异常状态。当处于非正常运行范围时给出相应的声光和语音报警、弹出相应画面并做出相应的记录。

2.2 操作功能

图2 PSCADA系统逻辑关系图

操作员执行的所有操作都严格受到权限的控制，没有相应操作权限的操作员无法执行相应的操作。系统提供的主要调度员操作有：挂牌操作、遥控操作、升降操作、人工置数、保护定值查看与修改、保护的投退。

2.3 遥控和闭锁功能

系统控制操作对象包括：各电压等级的断路器以及隔离开关、接地刀闸、主变及所用变分接头位置、站内其它重要设备的启动/停止。站内主控制室所显示的画面上对各可控设备进行开/合、投/退等控制操作，可以按选择-返校-执行的方式实现每次操作一个对象的控制；可以设立操作人、监护人双重检查操作控制以提高安全性。

系统具有完备的控制闭锁功能：对断路器分合正确控制、对有载调压变压器分接头进行升降调节、对其他可控点进行控制（电动刀闸等）、控制时具有防误闭锁功能（如接地刀没拉开时不能合闸）、控制功能可增加监督认可功能、每个操作步骤系统自动记录。

另外，系统还提供人机界面显示功能、接地显示功能和趋势显示功能等。

2.4 站级管理层

车站管理层设备主要完成全站的数据通讯及处理、人机界面、数据库等功能。是系统与运行和维护人员的接口。

本系统站控级网络采用星型光纤以太网方式，实现了系统的灵活性高和高安全可靠性。如支持多种通信媒介，网络拓扑结构灵活，网络节点均有网络隔离变压器，可根据车站现场的实际情况选用通信媒介和网络结构。在站控级网络可平滑地进行系统升级。

间隔级网络设计为多种方式并存的方案。信息量大、实时性要求高、远方操作频繁的设备采用光纤以太网方式，其他设备采用串口通讯方式，通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤。10KV保护测控装置、750V直流保护测控装置、相邻跟随变电所采用光纤以太网接入，0.4KV测控单元、再生制动装置、经由光电转换器接入通讯处理机，其他设备通信采用RS485屏蔽双绞线。

间隔层智能设备主要包括整流器监控单元、交直流电源系统监控单元、整流变压器温控器和动力变压器温控器，以及10kV、750V、0.4kV开关柜等测控保护监控单元。

图3 PSCADA系统结构图

3 软件要求

综合自动化系统软件建立在不依赖于硬件设备的分布式软件系统平台之上，组成系统的软件部件可以按照具体项目的硬件配置进行部署；同时，具有良好开放性和与大规模监控系统相适应的软件构架，丰富的数据和通信接口，并可以根据工程要求，扩展开发新的数据和通信接口，可以与变电所供电设备智能接口实现信息互通，也可以与其它更高层的系统实现信息互通。 用户可以非常灵活的来搭配软硬件平台，系统的功能完全是可以进行定制进行部属。

在使用管理上，系统软件平台提供一个集成开发环境（IDE），对分布在多个服务器上的同一个应用进行统一的开发。支持多个开发人员同时开发同一个应用。软件平台本身提供技术和手段保证多个开发人员同时开发时的交互。

变电所综合自动化系统的维护软件主要实现以下功能。

1）系统配置功能：定义模块、数字量参数库配置、遥信量参数库配置、遥测参数库的设置、电度参数库的设置、遥控参数库的设置、遥调参数库的设置、同期参数库的设置、定值参数库的设置、事故简报参数库的设置、SPI参数库的设置、BCD参数库的设置、其他数据参数库的设置、直接采样点数据库的设置、处理器通讯口参数的配置。

2）系统维护功能：系统时钟、系统复位，提供功能方块图、梯形图、顺序流程图等编程语言工具，使用编程语言对闭锁、程控等条件直观方便地进行编程，并将条件代码下载至相应的通信控制器。根据权限修改闭锁、程控等条件代码、查看系统错误信息等。

4 系统主要性能指标

遥控正确率≥99.99%；遥信正确率≥99.9%；模拟量测量总误差≤0.5%；站内事件顺序记录分辨率≤5ms；站间事件顺序记录分辨率≤15ms；通信控制器对本变电所内所有接口设备的巡检周期不大于500ms；变电所监控工作站遥信变位响应时间小于2秒；装置平均无故障工作时间不小于20000小时。

5 结束语

由于轨道交通供电系统设备种类繁多和运营管理要求，其变电所综合自动化系统设计有其特殊性。随着轨道交通新线的建设和新技术的发展，对变电所综合自动化系统提出了更高的要求。本系统采用分层分布、实时开放和安全可靠的系统构成，保证了整个系统的成熟性、可靠性、先进性、实时性和可扩展性；系统不但符合高安全、高可靠和节能的要求，而且满足地铁运营对其管理的需要。同时随着PLC技术的大力发展，多专业学科的纵横交叉应用，采用标准化规约、协议，为本系统提供了可靠保证。

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