地铁供配电系统设备状态在线监测分析

陈哲

（中铁电气化局集团第一工程有限公司，北京100029）

1 项目概况

以某市地铁2 号线供配电系统作为试验对象进行供配电系统设备状态在线监测方案设计。在本项目中涉及的供配电设备包括GIS、变压器、直流开关柜、气体绝缘开关柜、整流变压器、配电变压器、交流以及直流电缆等，构成比较复杂。由于所有的设备都带电运行，因此，设计的在线监测方案不能对设备正常运行造成干扰，在不停电的状态下完成设备的安装调试。

2 地铁供配电系统设备的基本构成

当前，地铁供配电系统设备主要包括变压器、整流器、交流开关、直流开关等。为了适时掌控这些设备的运行状态，确保供配电系统安全稳定运行，对这些设备进行在线监测势在必行。

2.1 变压器

在地铁供配电系统当中采用的变压器通常为110kV 三相油浸式变压器，其主要作用是将110kV 的电源转换为10kV或者35kV 交流电。变压器在运行过程中通常容易出现的故障有局部升温、渗漏油、局部放电、绝缘下降或者消失、异常噪声等，无论哪种故障都会直接影响到供配电系统的安全运行。

2.2 直流开关

直流开关的主要作用是控制直流牵引电源的正常供给，在系统发生故障时可以快速做出反应，切断发生故障的电路，确保供配电系统的安全，直流断路器是直流开关的核心构件[1]。直流开关比较容易出现的故障包括绝缘故障、断路器故障、局部升温、触头烧损等，这些故障会导致直流开关难以正常发挥作用，从而无法对供配电系统形成保护。

2.3 整流器

整流器的本质是电流变换的装置，需要和牵引变压器进行组合使用，当牵引变压器所供给的交流电通过时整流器将其转换为直流电。整流器容易出现的故障包括二极管击穿、局部升温、绝缘下降或者消失、压仓电阻、压敏电阻等。

2.4 低压400V开关柜

低压400V 开关柜的主要作用是电所或地铁站低压交流负载的供电和保护功能。低压400V 开关柜比较容易的故障包括绝缘下降或者消失、局部升温、绝缘闪络、断路器故障、绝缘击穿。

3 地铁供配电系统设备状态在线监测方案设计

3.1 系统设计方案

本文拟采用S7-200 的PLC，人机界面选择TP177A 触摸屏，其网络构成如图1 所示，其中1 号和2 号PLC 控制整流柜中2 个控制器，3 号PLC 控制交流开关和直流开关。

图1 系统网络构成图

3.1.1 MPI 网络

MPI 指的是多点接口网络，由西门子研发，主要是用于PLC 系统之间的通信保密协议。利用MPI 网络可以与S7-200的PLC 组成通信网络，其对于数据传输的速率要求不高，相对的传输的数据量也不大，属于一种比较简单、性价比高的通信网络。S7-200 的PLC 支持MPI 通信协议，一个MPI 网络最高可以允许连接32 个站点，在本方案中连接的个数主要受PLC的CPU 限制，最多可以连接4 个。

3.1.2 交流开关柜、直流开关柜和PLC 的通信

在本方案中，交流开关柜、直流开关柜和PLC 的通信拟用Modbus 通信协议，以3 号PLC 为助战，利用PORT1 端口实现对交流开关柜的信息采集。直流开关柜的控制器采用S7-300的PLC，二者之间以交叉网线进行连接，从而实现通信。

3.2 软件设计方案

3.2.1 WinCC flexible

这是一种具有前瞻性、自动化的人机界面软件，可以用于组态任务工程系统党总，其设计舒适并且高效，可以针对不同的组态任务设计对应的编辑器，其主要的优势表现为处理方式比较直接、处理过程灵活性以及透明性较高。

3.2.2 组态项目

用于组态用户界面的基础是项目，于项目当中创建并完成所有需要组态的对象，利用这些对象对地铁供配电系统实现操作以及监测。具体主要包括建立连接、变量、画面、报警4 方面。

建立连接主要是实现PLC 和触摸屏的连接，在创建项目的过程中，已经完成了连接参数的设定，定义地址2、10 用于PLC、触摸屏当中，波特率设定为19.2kb/s，然后在WinCC flexible 当中选择对应的驱动程序就可以实现通信连接。

变量主要分为内部变量与外部变量，在WinCC flexible 当中，可以实现对变量的集中管理。外部变量主要用于通信，其代表的是PLC 当中已定义的内存位置映像，关于数据类型主要与人际界面设备连接的PLC 有关[2]。PLC 和人机界面设备都可以读写已定义的内存位置，支持周期性读写，也支持触发性读写。

画面作为项目的关键性元素，因此，可以实现对供配电系统的操作以及监测，在本设计方案中，需要监测的设备包括R11、R12 整流器、开关柜、低压400V 开关柜、1500V 设备、变压器等，画面主要包括文本域以及输出域，根据设备的类型显示相关监测信息，以确保工作人员可以掌握供配电系统设备运行状态。

报警主要用于人机界面设备中，用来指示地铁供配电系统的操作状态或者出现的故障。在本设计方案当中，采用的是离散量报警，当直流开关或者其他保护性装置做出保护动作时，会直接发出警报，并在人机界面设备中显示报警信息，并且还可以实现对历次报警信息的存储，以便于运维人员进行维修。WinCC flexible 会在人机界面设备，也就是触摸屏上显示报警视图，根据不同组态可以同时显示多项报警信息，并且报警窗口关闭或者打开支持事件触发。

4 结语

在本项目中采用了上述地铁供配电系统设备状态在线监测方案，经过为期1 年的实践和监测，总结如下：

1）地铁供配电系统的设备构成比较复杂，涉及多项设备，设备质量会直接影响供配电系统安全稳定运行，通过采用本在线监测方案，可以及时发现设备问题并进行报警，极大地降低设备故障发生的风险，有效保证了供配电系统的运行。

2）对老化的设备或者使用寿命即将终结的设备进行实时监测，可以最大限度地发挥其剩余价值，并根据监测结果适时更新设备。

3）采用供配电系统设备状态在线监测方案替代停电试验，可以最大限度地减少停电的时间，并节省用于试验的费用。

4）目前，各大城市的地铁运维人员配额为60 人/km，随着城市地铁建设规模越来越大，需要投入的人力资源越来越多，采用供配电系统设备状态在线监测方案，可以有效降低运维人员配额，节省人力资源成本。

总体来说，采用供配电系统设备状态监测方案以来，取得了良好的效果，极大地提升了地铁运营效益。