再生能量回馈装置对外通信模式的改进

林 静

（济南轨道交通集团第一运营有限公司，山东济南 250000）

0 引言

城市轨道交通车辆（地铁、轻轨等）从中、高速牵引运行切换至制动过程时，异步电机的转子转速大于定子磁场给定的“同步转速”，产生负转差率，转矩与转速反向，吸取机械功率，输出电功率，此时吸收装置控制励磁的给定频率、反并联的续流管为定子电流提供回路，整流后回馈至触线网，造成直流母线电压升高。为稳定直流母线电压，济南地铁3 号线采用逆变回馈的方式将再生制动的能量回馈至交流电网。

1 再生能量回馈装置的系统结构

再生能量回馈装置安装在牵引变电所直流侧，用于将车辆制动电能以有源逆变的方式回馈到35 kV 交流电网，再生能量回馈装置由控制柜、功率柜组成，因再生能量回馈装置具备无功补偿和有源滤波的功能，可提升系统功率因数改善电能质量。再生能量回馈装置系统电路如图1 所示，再生能量回馈装置系统拓扑结构如图2 所示。

图1 再生能量回馈装置系统电路

图2 再生能量回馈装置系统拓扑结构

2 再生能量回馈装置现有通信方式

再生能量回馈装置配备一台HMI（Human Machine Interface，人机界面），用于人员与设备之间的信息交互，再生制动能量吸收装置HMI 如图3 所示。人员可以通过HMI 查询装置的运行数据、运行状态、保护记录、回馈电量等信息，也可以根据现场实际运行需求进行参数的设定。回馈装置目前对外通信利用HMI，其读取主控制器、PLC 和电度表的数据信息，再将读取到的信息上传至PSCADA（Power Supervision Control and Data Acquisition，变电所自动化系统），实现电力调度及复示系统对再生能量回馈装置的电力监控。同时利用触摸屏RS-232 通信口与远程通信模块通信，实现手机APP 对设备运行数据和状态的监测。由于能馈变压器的通信信号也是先连接到了回馈装置上，所以变压器的运行状况也是通过HMI 上传至PSCADA。再生能量回馈系统通信方式如图4 所示。

图3 再生能量吸收装置HMI

图4 再生能量回馈系统通信结构

采用HMI 通信的优势有两点：一是其内部的RS-485 通信接口自身已经实现电气隔离。二是RS-485 通信接口提供多种标准的通信协议，无需再编写底层的程序，只需要进行简单的配置即可，维护上相对简单。

3 存在的弊端

目前济南3 号线自开通运营以来现场已出现了两次HMI黑屏的现象，黑屏后再生制动能量回馈装置与PSCADA 的通信便会断开，装置的所有信息将不能上传至PSCADA，PSCADA 会检测到通信断线，发出报警信息，设备工况退出报警信息如图5所示。此种故障现象引发的最大问题就是一旦黑屏，电力调度及复示系统对再生能量回馈装置的电力监控便会中断，能馈变压器的现场运行状况也无法监测，只能通过检修人员到达现场后对HMI 重启才能恢复。对出现问题的人机界面装置返厂后从外观、主板、液晶及T-CON 板三个方面进行了检测，均显示正常。分析了其他会引起黑屏的原因也都在现场勘察后全部排除，最终将此类黑屏问题定位设备内部程序偶发性事件。

图5 设备报警信息

4 方案的分析

针对此类偶发性事件，若想彻底有效解决，只能将与PSCADA 通信的接口由HMI 改为主控箱或PLC，能馈变压器的温控箱不再连接回馈装置，直接由一组RS-485 线敷设至控制信号屏的通信端子排，这样绕过HMI 这一环节，设备工况便不会受黑屏现象的影响。

（1）主控箱做主站，将HMI 与主控的通信进行更改，将HMI作为从站，主控部分做主站，将PLC、HMI、电度表等挂接到总线上。此种情况可以空闲出一路通信口作为对外通信用，但是需要考虑好如何处理参数设置的问题。而且采用主控箱做主站PLC程序变更的内容多，PLC 需要不停的读取HMI 设定的数据，并判断是否有变化。改造后的通信方式如图6 所示。

图6 方案一改造后系统通信结构

（2）打乱现在的方式，重新设计主控部分的硬件，将DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）的SCI（Serial Communication Interface，串行通信接口）通信口引出，此种方式需要重新设计主控箱。重新设计主控部分系统会更加的合理，但工作量是最大的，需要重新验证的的工作量也最大。

（3）PSCADA 通信接口由HMI 改为PLC，此方案存在以下问题：①目前现场用PLC 只有一路RS-485 通信接口，这路RS-485 通信接口已用于内部系统控制，硬件接口条件不具备；②现有的通信数据中涉及的电度表遥测数据、主控箱采集的遥测数据、部分主控箱采集的遥信数据可能不能正常上传，即使能完成上传，上述数据在系统内部需要多次中转，时效性大大降低；③遥控功能与主控箱信息需要重新分配，增加一定处理难度。PLC 程序需要重新开发，存在不确定的因素，测试时间长不可把控。

（4）能馈变压器温控箱至控制信号盘距离太远，有的站设备房都不在同一楼层，而且大部分都是控制柜内走线，对于已经带电运行的设备重新敷线工程量太大不易实现。

鉴于以上风险和工作难度系数，综合考虑不建议在正常投运的设备上做较大改动，不利于保证设备后期的安全运行。

5 解决措施

经与厂家交流，决定从问题根源入手，增加HMI 黑屏（死机）后自启功能。若HMI 出现黑屏，设备内部程序自检到死机状态超过3 s 便开启自启功能。而此种方法只需考虑设备自身如何判定死机状态，及对自启功能进行验证确保功能性正常即可。既能解决黑屏后无需人工现场自启设备便可恢复设备运行状态监控的问题，又能确保对已经投运的设备改动最小，把后期运行风险降到最低。