城市轨道交通主变电站信号集中控制设备升级改造

陈文昊

(上海地铁维护保障有限公司供电分公司, 200335, 上海)

上海轨道交通7号线(以下简称“7号线”)新村路110 kV主变电站信号集中控制设备采用上海智达智能科技股份有限公司提供的ZD1000电厂/变电站自动化系统。截至目前,7号线主变电站已运营了10年之久。随着主变电站运行时间的增加,站内信号设备逐渐进入老化周期,设备在运营期间会不定期出现SCADA(监控与数据采集)系统遥信信号紊乱,遥控信号延迟近10 min等现象,直接影响到7号线供电系统的稳定性与可靠性。

为了使城市轨道交通供电系统更加稳定和可靠,使城市轨道交通线路运行得到充分保障,需在保证主变电站内信号集中控制设备功能不变的前提下,对现有信号设备进行升级改造。

1 变电站信号集中控制设备功能介绍

在上海轨道交通线路网络中,变电站信号集中控制系统主要分为站控层(包含监控与管理系统)、通信网络层(包含电缆通信、光通信及网络通信)、间隔层(包含间隔测控单元与微机保护装置)。ZD1000信号集中控制设备结构图见图1。

图1 ZD1000信号集中控制设备结构图

主变电站信号集中控制系统采用双机双网冗余模式以保证其运行可靠。主变电站内设备采用分布式系统结构,各测控单元相互独立,通过现场总线将各模块连接以完成间隔层的各项功能。

主变电站监控与管理系统位于变电站主控室内,通过设置1台后台监控主机与通信处理机连接,完成站内数据集中的功能,同时也作为变电站内系统控制的人机接口,实现站内就地监视、控制功能;此外还安装了1个工程师站,以执行配置和维护系统功能等任务,包括修改和辅助开发应用程序,更改监视系统设置,编辑或修改在线画面和报表,以及定义、增删系统测点等。ZD1000信号集中控制设备中的监控与管理系统作为软件平台运用于变电与配电自动化系统,它是在 Microsoft 32位系统的基础上进行开发,在Windows 2000/NT/XP环境中运行。该系统具有数据处理、历史记录、界面监控、事件查询、报告管理、打印管理及用户管理等功能。

主变电站间隔层ZD200M间隔测控装置和微机保护设备采用就地安装的方式,即保护和测控单元分散安装在各设备小间内,模拟量、开关数字信号通过光纤、双绞线、以太网通信上报给后台监控主机,对主变电站及监控与管理系统的命令进行接收并执行,实现保护、测量、控制及信号监视功能,在整个信号集中控制系统与主变电站内一次设备间起到接口作用。

通信网络层是联系间隔层和监控与管理系统的重要组成部分,两台通信管理单元以互为主备的方式收集全站的实时信息数据,同时在远方调度系统接收所管辖的变电站信息数据。

2) POD数据处理核心模块的主要功能是对数据进行POD分析，包括POD分解(进行POD分解计算，分别计算特征值、特征模态和模态系数)、POD重构(基于POD分解得到的特征值、模态和模态系数对流场进行重构)和相位平均(基于重构的流场进行相位平均，同时计算流场瞬态相位角和相位流场信息等)等3个子模块[4, 8, 10-11] 。

2 信号集中控制设备的升级改造

2.1 升级改造的原则

新村路主变电站信号集中控制设备的升级改造主要从硬件和软件两个方面进行。其升级改造也应遵循硬件平台一致性和软件功能一致性原则。

1) 硬件平台的一致性:考虑到既有设备的运行需要,选取的新硬件设备与既有设备的接口部分应保持一致。新设备在改造完成后应能够与既有设备正常连接、运行。

2) 软件功能的一致性:本次设备改造后所使用的新软件在保证稳定运行的前提下,还应保持与旧软件在使用方式及功能上的一致性。

本次改造采用上海新华控制技术集团科技有限公司(以下简称“新华”)生产的TISNET P-600变电站自动化控制系统替换原有的ZD1000电厂/变电站自动化系统。TISNET P-600变电站自动化控制系统以32位CPU(中央处理器)组成的控制器为核心,该PLC(可编程逻辑控制器)系统涵盖了主流的Modbus通信协议、PROFIBUS(过程现场总线)、TCP(传输控制协议)/IP(互联网协议)等通信方式,可根据工况要求灵活配置I/O(输入/输出)模块,能很好地满足变电站稳定运行的需求。

目前,TISNET P-600变电站自动化控制系统已应用于7号线牵引、降压变电站中,该系统在可靠性、可用性及可维护性方面均已得到充分认证。同时,7号线所使用的XICSC-100综合监控系统也由新华提供。与旧有的智达ZD1000监控系统相比,该系统信号传输效率更高,且与中央SCADA的联动效果也更好。

为确保7号线供电系统SCADA正常运行,站内综保、消防等设备均不作改动。改造后的信号集中控制设备网络如图2所示。

图2 信号集中控制系统改造后设备网络图

本次改造的主要目的,是解决变电站内SCADA站控操作与远程操作延迟严重,故障报警频繁误报等问题。本次改造的技术难点,在于新旧系统的集成度、信号传输方式存在差异。对信号接线端子的数量、综保信号的传输方式作出修改的同时,必须保证变电站其他相连设备可以不受影响地正常运行。

2.2 设备硬件的改造

设备硬件改造的主要内容可分为3个方面:① 信号集中机柜的改造;② 110 kV主变电站保护测控装置的改造;③ 综保设备串口信号的改造。

2.2.1 信号集中机柜的改造

新的变电站信号集中控制系统采用了分散控制、集中管理的模式。在改造中将拆除原有的信号集中柜,并在原处安装新的信号集中机柜,并将原机柜内的ZD1000系统信号集中机柜整体弃用。新机柜内配有TISNET P-600变电站自动化控制系统设备与XCCU(新华通信控制器)设备。改造中将站内各处设备信号通过光纤传输至新机柜内以太网交换机,再以以太网信号的形式同时传输至本地人机界面、本地工程师站、TISNET P-600 PLC、XCCU中。传输至XCCU中的信号再以主、备用两路形式通过相互独立的若干个光电转换器将光纤信号传输至控制中心等外部单位。新机柜内设备结构图如图3所示。

图3 新机柜内设备结构图

2.2.2 110 kV主变电站保护测控装置的改造

经现场排摸发现,因旧有系统的主变电站测控装置ZD200-M使用非标准通信协议,与新系统采用的IEC 60870-5-104规约不匹配。因此,需拆除1#、2#主变电站保护测控柜内的ZD200-M主变电站测控装置各1台,在两柜内各新增1台TISNET P-600 PLC设备,将主变电站测控信号柜内硬接点信号连接至其中,再通过以太网信号传输至旁边新柜内的XCCU通信控制器,最终全部接入监控系统内。

2.2.3 综保设备串口信号的改造

考虑到主变电站内110 kV、35 kV设备的位置与信号集中柜距离较远,且长时间处于电压等级较高的电气环境中,因此,此次信号设备改造中,可对综保设备信号的传输也一并进行优化。现将综保设备采集的RS422、RS485信号通过新增的Moxa串口设备就地集中后经光电转换器转换成光纤信号再传入信号集中柜内。接入信号集中柜后,通过以太交换机将光纤信号转换后接入PLC。

相对于直接使用Modbus通信协议总线制,光纤传输抗电磁干扰能力更强,同时也可有效避免单个设备轮询时间过长的情况,更适合在110 kV变电站这种设备较多、电磁干扰较大的环境中使用。

综上,此次改造方案的优点是网络结构清晰明了、接入方便、改造彻底,提高了系统的可靠性。

2.3 软件部分改造

在软件方面,原有工作站及其监控系统软件废弃不再使用。使用新的工程师工作站,并启用与TISNET P-600控制系统配套的XICSC-100轨道交通综合监控系统软件。该系统采用IEC 60870-5-104规约,同时选用Unix系统作为运行平台,相对于ZD1000使用的Windows XP 32位系统更加安全,符合当下对网络安全的要求,并提高了可靠性。

2.4 系统的调试与功能验证

从供电系统管理的角度出发,主变电站信号集中控制系统调试的内容主要分为供电设备单体单系统调试和系统间综合联调。

供电设备单体与单系统调试主要是对设备本体或供电系统内部的参数校验、逻辑闭锁及功能验证,同时也是系统间综合联调的必要前提。单系统调试主要是为了满足供电系统内部设备间的逻辑闭锁,以及保护功能的完善。单系统调试内容主要包括 35 kV GIS(气体绝缘开关柜)间的功能验证,35 kV综合保护模块的逻辑功能、差动保护的验证。

系统间综合联调主要以模拟主变电站单母线失电与整座主变电站解列的情况下,由另一座主变电站一路母线或两路母线通过环网联络开关进行支援供电的情况,即主要验证在运营期间突发上级电网故障导致的主变电站一路母线故障后,本站 35 kV 母线分段开关自动投入, 由本站另一路母线支援供电,并对下级负载极差的综合保护整定值配置进行验证。在SCADA 的联调中,以无人值守变电站为考量,在无人值守的情况下,运管中心调度能够完全通过遥控手段对整个变电站实行停、复役的操作,并能够对站内设备的重要数据实现远程遥测、遥调及采集。同时,为了满足应急处置响应效率与延长运行的需要,增加了对直流牵引系统的远程故障复位与程序控制的验证。

3 结语

本文研究了7号线主变电站信号集中控制系统的升级改造。选定了新平台,在选定的新平台上重建了控制代码。优化了信号传输方式,使设备信号传输更加稳定可靠。验证和调试了新硬件平台的功能。从试验结果可得知,新装置在完全具备旧有装置功能的同时,显著提高了主变电站信号集中控制系统的工作效率,解决了变电站由于信号干扰导致的频繁误报警现象。后续类似控制设备的升级改造可借鉴此成果。