新型城轨能馈式供电系统上位机控制平台研究

胡 平，贺 文，谷 涛，阳 兴

（株洲中车时代装备技术有限公司，湖南株洲412001）

新型城轨能馈式供电系统上位机控制平台研究

胡 平，贺 文，谷 涛，阳 兴

（株洲中车时代装备技术有限公司，湖南株洲412001）

针对城轨能馈式供电系统参数变量繁多、控制信息量大、实时性要求高等特点，研究设计了一种新型能馈式供电系统上位机控制平台。该上位机控制平台采用分布式控制系统结构，以工业平板PC和PLC作为核心控制器件，上位机人机界面基于专业组态软件LabVIEW设计，实现对能馈式供电系统的实时监控，包括系统运行状态的实时监测、关键数据和重要波形的实时显示。通过结合实际城轨能馈产品的调试试验，试验结果表明该新型上位机控制平台操作方便、工作稳定，同时具备高可靠性的冗余控制。

城市轨道交通；能量回馈；供电系统；上位机；控制平台；人机界面

0 引言

城市轨道交通供电系统为线路上运行的列车提供电能，是整个城市轨道交通系统的动力来源，在城市轨道交通的正常运转中起着非常重要的作用。城市轨道交通列车需要频繁的启动和制动，当列车制动时，会产生较多的能量，传统的方法是把这部分能量通过车载制动电阻消耗掉。而城轨能馈式牵引供电系统充分利用列车制动时的再生能量，其能量直接回馈至电网供其他设备使用，不需要配置储能元件，也不存在电阻发热的问题，对环境影响小，节能效果明显[1-2，8]。

城轨能量回馈装置的主要原理是把列车制动时抬高的直流母线电压通过逆变回馈给交流电网。为了保证能馈式供电系统的调试及运行的正常，要求对能馈式供电系统运行过程中的各电气参数、运行开关状态、故障报警等信息进行实时测量、显示、存储及后台传输[3-4]，此外，还需要通过人机界面实现对整个供电系统的投入运行、保护参数等进行实时控制和设置。由于整个能馈式牵引供电系统监控数据量大，实时性要求高，研究开发了1套新型的适用于能馈式牵引供电系统的上位机控制平台。

1 能馈式供电系统

能馈式供电系统主要由高压开关柜、双重变压器、高压电抗器、四象限变流柜、直流开关柜和负极隔离柜等构成，其系统结构如图1所示。整套系统的双重变压器一次侧通过高压开关柜与交流中压电网相连，低压侧与四象限变流柜模块相连，四象限变流柜的直流侧通过直流开关柜和负极隔离柜与直流牵引母线相连。当列车制动时，直流母线电压会被抬高，产生的再生电能通过四象限变流柜模块逆变回馈给交流中压电网，实现再生电能的利用[5-6]。

从图1中可以看出，能馈式供电系统涉及高压开关柜、直流开关柜、高压电抗器、双重变压器、四象限变流柜等多个设备，需要进行多个电气参数的测量，监测信号繁多，实时性和准确性要求高，因此，对整个系统的上位机控制平台提出了更高的要求[7]。

图1 能馈式供电系统

2 新型上位机控制平台的网络拓扑

新型能馈式供电系统上位控制平台采用分布式控制系统结构，整个控制系统通过通信的方式实现系统控制设置和状态监控。控制平台由安装在负极隔离柜的上位机和下位机构成，采用工业平板 PC 作为系统上位机，下位机则采用西门子公司 PLC 来实现[9-10]，整个控制平台的通信网络拓扑结构如图 2 所示。

图2 新型上位机控制平台网络拓扑

图2 网络拓扑设计中，各关键模块功能如下。

工业平板一体机（PC），电阻触摸式，作为控制系统的上位机，提供人机界面。

可编程逻辑控制器（PLC），采用西门子公司S7-1200PLC来实现，是系统主控PLC，是设备控制命令发出源及设备状态接收源。

传动控制单元（DCU），安装在2台四象限变流柜内，作为从站接收主控PLC下传的数据，转化为控制信号对变流器进行控制，并采集变流器状态信号上传。

智能仪表，负责采集设备运行温度、消耗电能等参数，如：电抗器温控仪、中压柜智能电度表等。

新型能馈式供电系统上位控制平台系统中，后台电力监控系统（PSCADA）通过网络通信协议（Modbus）与PC机进行一般信息交换，由于 PC 机运行环境为通用的Windows系统，考虑到 PC 机可靠性不高且存在系统死机的可能[7]，PSCADA 系统也可通过 Modbus 通信协议与 PLC 进行关键数据及控制通信，2种通信方式可互为冗余备用，其中关键数据以 PLC 通信方式为主。

PC 与PLC之间，采用传输控制协议/互联网协议（TCP/IP），通过工业以太网实现通信，作为控制核心的 PLC 选用西门子公司 S7-1200系列[9]，其 CPU 具有一个集成的工业以太网接口，用于与 PC 之间的通信，端口类型为 RJ45。

PC与智能仪表之间，采用 Modbus 通信协议，实现智能仪表中相关信息在 PC 上的显示，所选用的温控仪、电度表等智能仪表，均携带 RS485端口，并遵循Modbus_RTU 通信规约。

2台变流柜与 PC 之间，采用 Modbus 通信协议，实现变流柜相关信息在 PC 上的显示及 PC 向变流柜设置运行参数等。同样，出于通信冗余考虑，变流柜中控制单元模块也可通过现场总线（Profibus）通信协议与 PLC 进行关键数据及控制通信，在 PLC 中安装专用的 Profibus 通信模块，作为 Profibus 通信主站，与Profibus 从站（变流柜内 DCU）进行数据交换。

3 上位机控制平台软件设计

3.1 系统功能设计

新型能馈式供电系统上位机控制平台的人机软件主要功能包括：运行状态显示、系统参数显示、数据分析及保存、故障记录及储存、波形显示及调阅等，系统软件各功能模块如下。

（1）运行状态显示。软件开发主界面为系统主电路运行的实时显示界面，显示当前时间日期、工作方式、系统状态、运行状态及整个主电路设备状态和部分参数值。日期显示时间为 PC 本地时间，并可以通过时间同步功能，完成与后台 PSCADA 系统的对时。

（2）系统参数显示。上位机将各终端设备测量的参数显示到人机界面上，实时显示变流器柜的交流电压、交流电流、直流母线电压、直流电流、网侧功率及功能因数、回馈电能值等各关键信息。

（3）数据分析及保存。上位机软件可对实时采集数据与历史存储数据进行数据统计及分析，如统计某一时间段的回馈电能总量并进行回馈效率计算等。软件运行时，可自动进行实时数据的保存，保存时间间隔为每秒1次，保存数据内容包括：运行时间、交直流侧电参量、正向总电能、负向总电能等关键信息，保存路径可选择本地磁盘保存。

（4）故障记录及储存。上位机软件根据终端设备（变流柜）故障标志位的变化翻译成对应故障事件，并进行故障的实时记录和储存，实际记录包括故障发生时间、故障内容、故障级别等，并支持对历史故障的调阅和分析。

（5）波形显示及调阅。系统运行时，通过点击选择上位机软件界面的“实时曲线”按钮，系统界面进入到“实时曲线”显示区域。数据波形曲线每秒自动更新1次，可显示最近一个小时时间段内的数据，并支持同时多条曲线的显示。

3.2 软件程序设计

按照该控制平台网络拓扑结构，控制平台软件设计包括下位机 PLC 及上位机 PC 软件设计两部分。

3.2.1 PLC 程序设计

下位机 PLC 程序主要完成与上位机 PC 通信、变流柜通信、框架保护信号采集及控制、隔离开关输入输出（IO）控制、故障判断、与后台 PSCADA 通信等功能。设计中，在完成初始化后，程序进入主程序，同时调用各个子程序，在无退出命令的情况下，PLC 会不断地执行此循环，PLC 程序设计流程图如图3所示。

图3 PLC 程序设计流程图

3.2.2 PC程序设计

上位机 PC 软件设计，基于 NI 公司专业组态软件LabVIEW2009进行设计开发，上位机软件同样采用模块化设计，在 PC 启动后自动加载上位机主程序，通过循环调用各个子程序模块实现，上位机 PC 软件程序设计流程如图4所示。

图4 上位机 PC 软件程序设计流程图

上位机 PC 软件的实时曲线显示程序如图5所示，程序设计为每秒采集1个点，一共可以采集最近1小时的数据，并在“数据波形”选项卡界面中显示出曲线波形。

上位机 PC 软件的实时数据保存程序中数据保存格式为.xls 格式，每秒自动保存1次数据，保存的数据为交流侧电压和电流、直流侧电压和电流、功率以及系统的电能等参数，供用户日后查询和分析相关数据。

上位机 PC 软件与变流柜的实时通信程序之间基于 Modbus 通信协议，通过程序可实现设置对应串口的名称、波特率、奇偶校验等通信参数。

图5 实时曲线显示程序

4 试验结果

4.1 运行状态监测

上位机 PC 软件主界面可以实时显示能馈式牵引供电系统的电气运行情况，通过采集设备的开关状态，显示电流的运行趋势，未通电的情况下主电路显示为黑色，通电以后，主电路将显示为红色，同时在主电路图上显示实时的电压、电流等参数，用于观察和指示，电气运行状态监测显示如图6所示。

图6 运行状态监测

4.2 系统参数显示

通过人机软件，选择系统参数值选项卡，可以显示每个变流柜模块、直流侧相关电气参数的实时值，并计算出功率、回馈电能等参数，系统参数显示界面如图7所示。

图7 系统参数显示

4.3 数据波形显示

系统运行时，点击选择系统界面进入到“实时数据波形”显示区域，数据波形曲线每秒自动更新1次，可显示最近1小时时间段内的数据。横坐标为系统实时时间，纵坐标为实时数据值，单位为 V 或 A，可同时选择显示多条曲线，并可选择历史数据曲线显示。点击界面右侧的选择开关，可选择查看或取消查看数据实时曲线，波形显示如图8所示。

图8 数据波形显示

4.4 运行参数设置

系统运行时，点击选择系统界面进入到“系统运行设置”显示区域，可以实时地修改系统的保护参数，包括直流过压保护值、直流过流保护值、交流过压保护值、交流欠压保护值、交流过流保护值、设备启动电压值等。为避免误操作，在修改系统参数前，必须先获得写允许权限，只有在输入正确密码后，才设置成功，否则设置失败，系统提示重新输入密码。运行参数设置如图9所示。

图9 运行参数设置

5 结语

研究开发了1套新型的适用于城轨能馈式供电系统的上位机控制平台，搭建上位机控制平台的网络拓扑，并基于 LabVIEW 软件开发了上位机平台的软件程序。试验结果表明，新型的上位机控制平台能够实现 PC 与 PLC、变流柜 DCU 和智能仪表等终端设备间的可靠通信，整个上位机控制平台系统实时响应快，控制冗余性好，设计的软件人机界面友好，易于操作，可移植性强。该新型的上位机控制平台为城轨能馈式供电系统提供了强大的人机交互功能，可极大地提高能馈式供电系统产品的综合自动化程度。

[1] 纪宏伟. 城轨供电系统DC750V制式能量回馈装置工程应用[J]. 大功率变流技术，2013（4）：53-57.

[2] 曹祥，程浩忠，周锐，等. 列车制动能量回馈及仿真研究[J]. 水电能源科学，2010，28（5）：156-159.

[3] 田蓓，许晓梦，王磊，等. 基于AM3359的管轨牵引供电系统监控平台[J]. 电子设计工程，2013，21（19）：9-12.

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[5] 张铁军，陈雪，陈广赞，等. 城轨供电系统新型再生制动能量回馈系统[J]. 大功率变流技术，2011（5）：37-40.

[6] 徐淑英，刘满足. 基于PWM整流技术的能量回馈装置的研究[J]. 现代电子技术，2007（16）：13-15，20.

[7] 徐硕，姜学东，许晓梦，等. 基于LABVIEW的能馈式牵引供电装置监控软件开发[J]. 电子设计工程，2013，21（14）：30-34.

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[9] 廖常初. S7-1200PLC编程及应用[M].2版. 北京：机械工业出版社，2010.

[10] 王永华，A.Verwer(英). 现场总线技术及应用教程[M].2版. 北京：机械工业出版社，2012.

责任编辑 冒一平

Study on New PC Control Platform for Power Fed Supply System of Transit

Hu Ping, He Wen, Gu Tao, et al.

In view of the many parameters variables of transit energy fed power supply system, large amount of control information and real-time requirements, a PC control platform is designed. The paper describes the PC control platform with distributed control system based on industrial panel PC and PLC, HMI software LabVIEW, to achieve real-time monitoring of energy fed power supply system, the real-time display of key and important data waveform. The test results show that the new PC control platform is easy to operate, stable operation and high reliability.

urban rail transit, power feedback, power supply system, host computer, control platform, HMI

U231.8

2016-07-12

胡平（1984—），男，工程师，硕士研究生