可編程控制器在地鐵直流牽引供電系統
非電量保護中的應用
1 引言北京地鐵自20世紀60年代末建成通車的全國第一條地鐵線路即“一線地鐵”和80年代建成通車“環線地鐵”，其直流牽引系統二次保護系統，都是由傳統的電磁式繼電器所構成。到90年代末，北京地鐵建成通車的“復—八線”，它的直流牽引系統的二次保護，也只是在電量保護中引進了國外的微機綜合保護裝置，而非電量保護仍然沿用電磁式繼電保護方式。
在這種保護系統中，使用了大量的中間繼電器、時間繼電器、重合閘繼電器等分立元器件。由于使用的元器件數量和品種多，使得系統接線復雜，給系統調試以及修改接線帶來困難。因其潛在故障點多，故降低了整個系統的安全可靠性。同時，還由于對各種繼電器每年必須進行動作值、返回值、動作時間等項目的校驗，維護時還要打磨繼電器接點、并檢測接點的開閉特性、檢查和清掃二次線等，因而維護、計表工作十分繁重。
從以上的情況可以看出產生這些問題的關鍵是使用了大量的電磁式繼電器，如果我們能找到一種先進而又成熟的技術產品，并結合工程技術人員多年的設計、運營和維護經驗，在其基礎上進行二次開發，從而替代目前使用的各種傳統的電磁式繼電器，并結合已有的電量保護裝置組成具有地鐵特色的、全新的直流保護系統，就能順利地解決這些問題，進而加快地鐵保護系統的設備改造和技術進步，提高整個保護系統的安全可靠性。
當前，在工業發達國家的電力、機械、輕紡、冶金、化工等行業中，廣泛地應用了可編程控制器這種先進技術。可編程控制器是一種具有控制能力強、操作方便靈活、價格便宜、可靠性高的面向生產過程和邏輯控制的專用計算機。它不僅可以取代傳統的繼電器控制系統，還可構成復雜的過程控制網絡。
可編程控制器作為一種工控產品在工業自動化領域已得到廣泛的應用，在地鐵/輕軌環控系統(BAS)中也有大量的應用，但是在直流牽引供電系統中，如何根據系統的特點，用可編程控制器實現非電量保護并與電量保護裝置有機地結合起來組成完善的保護系統，還是一個嶄新的課題，本文將根據北京地鐵的特點，論述可編程控制器在舊線改造和新線建設中的具體應用。
2 可編程控制器的發展及特點
隨著微電子技術和集成電路的迅速發展，微處理器和微型計算機經過不斷地開發和改進，軟、硬件資源和技術已經十分完善，價格也很低廉，因而滲透到各個領域。可編程控制器就是吸收了微型計算機的優點，引入了微處理器和其它大規模集成電路的制造技術，并綜合了計算機與自動化技術而開發的新一代自動過程控制裝置。
按照IEC可編程控制器國際標準的定義，可編程序控制器又稱PC或PLC，它是以微型計算機為基礎的一種用于工業環境而設計的數字式電子系統。這種系統用可編程序存儲面向用戶指令的內部寄存器，完成規定的功能，如邏輯、順序、定時、記數、數字運算、數據處理等，通過數字量或模擬量的輸入、輸出，控制各種類型的機械或生產過程。
第一個PLC應用實例是1970年由美國的通用汽車公司應用于汽車制造過程中。PLC的早期目的是為了取代過去的繼電器順序邏輯電路，而實現順序邏輯控制功能。通過用軟件來實現邏輯運算，從而大大提高了靈活性，特別是在修改時只需改變軟件而不用再改變繼電器組合和接線，節約了技術人員大量的時間和系統成本，因此PLC在邏輯控制中迅速獲得了廣泛應用。
早期的PLC的特點是結構緊湊、功能簡單、速度快、采用專用處理器技術、可靠性高、價格低。但隨著微計算機技術的發展和IPC技術與開放軟件技術的發展，PLC也在不斷提高自己的性能并不斷擴展自己的應用領域。當今的PLC具有以下特點：
1) 功能豐富
當今的PLC已不再限于完成順序邏輯控制功能。多數的PLC采用通用的高性能處理器(有的PLC采用Pentium處理器，有的采用Alpha處理器芯片等)，采用實時多任務操作系統，在保證快速完成順序邏輯運算的前提下，普遍增加了回路調節功能、代數計算功能等。當今的PLC已經走出了原來的設備邏輯控制應用領域，而向連續過程控制領域和批量控制領域滲透。
2) 網絡功能增強
過去的PLC一般限于設備級的邏輯控制，提供簡單的慢速的通信功能(只支持RS232、485，通信速率一般在幾千字節/秒到幾十千字節/秒之間)，目的是將系統的控制狀態和設備的運行狀態傳給一些監視設備(如顯示終端或PC機)供操作員監視或將操作員的修改指令傳遞到PLC。一般情況下，PLC自身完成所有的控制功能，即使通信和監視設備都不工作，PLC仍繼續其邏輯控制工作。當今的PLC都提供了高速的通信網絡(如Ethernet等)，有的PLC還支持快速現場總線通信(Modbus Plus、Profibus、DeviceNet、SDS等)。PLC+網絡+PC+SCADA軟件已形成了一種非常流行的應用方式。
3) 開放圖形軟件
過去的PLC提供的顯示功能極其簡單，多數采用數值列表方式或簡單的線圖顯示。現在，一大批的專業監控(SCADA)軟件廠商(如Intellution，Wonderware等)在Windows系統平臺上開發了許多功能非常強的監控軟件，這些軟件一般支持多種PLC連接，具有豐富的圖形顯示功能，歷史數據記錄與趨勢顯示功能，狀態報警顯示功能，PLC圖形組態功能等，使得今天的PLC再也不是一個順序邏輯控制黑匣子，而是變成了一個集邏輯控制、調節控制、網絡通信和圖形監視于一體的綜合自動化系統。
4) 編程標準化
過去的PLC編程一般是由各廠家提供的LADDER圖編程語言。它們形狀相似，卻不兼容。現在PLC正在向開放性發展。在開放方面，最大的進步當屬PLC編程語言的標準化。自從IEC1131-3標準推出以來，各PLC廠商積極向該標準靠攏。IEC1131-3標準是為PLC編程標準化所制定的一套歐洲標準。該標準定義了五種不同的控制編程語言：梯形圖、順序功能圖(SFC)、功能塊圖、結構文本語言和指令表。
5) 小型化和微型化
當今PLC市場除了呈現高性能和網絡功能競爭特征之外，另一個顯著特征就是小型再小型，價格一降再降。幾年前，微型PLC才大量上市，許多廠家又推出了超微型PLC(具有16或更少的I/O點)。一些微型PLC具有超微型PLC的體積，卻有更強的功能，如Omron公司的SRM1體積只有一疊撲克牌大小，卻支持可到256點的I/O能力(分散I/O方式)；Schneider公司的Modicon TSX Micro PLC支持多組超微型PLC的分散I/O，還提供PID調節功能。微型的PLC一般采用分散結構：控制器體積很小，完成綜合邏輯處理和運算功能，而I/O采集和處理則在現場模塊中實現。
PLC作為一種先進而又成熟的技術，目前被廣泛地應用在電力、機械、冶金、化工、輕紡等各個領域。它不僅可以替代繼電器系統，使硬件軟化，提高工作可靠性和系統靈活性，它還具有運算、計數、調節、通信、聯網的功能。
PLC與傳統的繼電器邏輯相比，具有以下優點：
1) 由于采用了大規模集成電路和計算機技術，因此可靠性高、邏輯功能強，且體積很小。
2) 在需要大量中間繼電器以及時間繼電器和計數繼電器的場合，PLC無需增加硬件設備，利用微處理器及存儲器的功能，就可以很容易地完成這些邏輯組合和運算，大大降低了控制成本。
3) 由于PLC采用軟件編程來完成控制任務，所以隨著要求的變更對程序進行修改顯得十分方便，而這對于布線邏輯的繼電器邏輯控制則難以辦到。
PLC雖然采用了計算機技術和微處理器，但是與計算機相比又有以下特點：
1) PLC是在惡劣的工業環境中運行的，因此它的設計著眼于可靠、高抗干擾、密封及堅固。它不需要一般計算機必需具備的環境要求。
2) PLC一般具有模塊結構，可以針對不同的對象進行組合和擴展，以滿足工業控制的需要，因此具有很好的性能價格比。
近年PLC的發展更加迅猛，可編程控制器市場應用的主要趨勢是占領中、小型分布式控制系統(Distributed Control System，DCS)市場，DCS作為一種有效的控制方式為越來越多的人們所接受，在造紙、食品和飲料、石油化工、醫藥、電力和公用事業等領域得到非常廣泛的應用，而由PLC組成的DCS系統的發展趨勢越來越強勁。據美國權威機構推薦，按以下準則選擇：當模擬量多于128路，且開關量少于128點時，選擇儀表型DCS；當模擬量多于128路，且開關量多于256點時，選擇PLC與儀表型DCS；當模擬量少于64路，且開關量多于256點時，應選擇PLC構成的DCS。當然，這個準則僅供參考。
3 地鐵供電系統
3.1 地鐵供電系統
地鐵的動力來自電力，供電系統在地鐵中的重要性是不言而喻的。地鐵供電系統是指輸電、變電、配電及用電設備的總和，是國家電力系統的一部分，也稱為國家電力系統的用戶或負荷。它一般包括直流牽引供電系統、動力照明系統和高/中壓交流供電系統三部分。高/中壓交流供電系統和動力照明系統在電力網中屬于配電系統，與一般的廠礦配電系統沒有太大的區別。牽引供電系統可分為交流牽引和直流牽引兩種，在世界鐵道電力牽引中，直流牽引約占55%以上。北京地鐵采用的是直流牽引供電系統，直流牽引供電系統直接為地鐵列車提供電力，它既不同于一些廠礦的直流電力(如煉鋼廠)系統，也不同于鐵路的直流牽引，具有地鐵獨特的特性，這將是本文論述的中心。
3.2 直流牽引供電系統
一般來講，地鐵直流牽引供電系統的主要一次設備是牽引變壓器和整流器(這兩種設備一般稱為牽引機組或機組)、直流斷路器和直流電動隔離開關，國內地鐵系統標稱電壓主要有750V和1500V兩種；主接線形式較多，主要分為帶備用母線及其備用閘開關和不帶備用母線及其備用閘開關兩種；進線柜有些城市設斷路器(如北京)，有些城市不設斷路器(如上海、廣州)；但是有一點是幾乎所有的地鐵都相同的：即同一供電區間的接觸軌或接觸網由相鄰的兩個牽引變電所相對應的饋出開關同時供電，這種供電方式又稱為雙邊供電。
北京地鐵一線、環線和在建的新線直流牽引供電系統的標稱電壓均是750V，牽引網形式也同為下部接觸軌饋電，走行軌回流，但它們的主接線的形式卻不盡相同，如圖1為北京地鐵“復八線”牽引降壓混合變電所的典型主接線。
直流牽引供電具有速度范圍大、調速方便、易于控制車輛啟制動平穩、牽引接觸網簡單、投資省、電壓質量高等優點，但也存在著牽引變電站設備復雜、電網諧波、電腐蝕、電磁干擾等缺陷，并且給電器保護帶來相當的難度。目前北京地鐵直流750V保護系統中設有電流速斷保護、過電流保護、接地保護和微機綜合保護，以及機組開關故障跳閘聯跳總閘開關、總閘開關故障跳閘聯跳分閘開關、分閘開關故障跳閘聯跳對側分閘開關，分閘開關自動重合閘、緊急停電等保護。微機綜合保護中含有瞬時過電流(Imax)、電流增量保護(ΔI)、電流上升率瞬時臨界值保護(di/dt)、能量積分保護(Icp)。上述諸多保護種類又可以分為電量保護和非電量保護兩大類。
3.3.1 電量保護
北京地鐵從1996年開始引進國外的用于直流供電系統保護的微機綜合保護裝置，如現已裝備于一線、環線和復八線各個牽引變電站的俄羅斯的BZ-M型微機綜合保護裝置。在此之前，北京地鐵一線、環線直流牽引供電系統使用的電量保護，主要是直流快速斷路器自身的電流速斷保護，以及由電磁式電流繼電器、電壓繼電器等分立元件組成的過電流保護和接地保護等，并使用至今。
目前，國內尚沒有成熟的直流牽引供電系統的微機型電量保護裝置，而國外已有很多種先進而成熟的饋線微機綜合保護裝置，如德國Siemens公司的DPU 96、瑞士Secheron公司的SEPCOS和德國ADtranz公司的DCP 106，以及在北京地鐵投入運行的俄羅斯的BZ-M。這些饋線微機綜合保護裝置中含有的電量保護種類如下：
短路保護包括：
過電流保護
電流變化保護
過電流保護包括：
限時過電流保護
熱過負荷保護
其它系統保護：
供電電纜監視
電壓監視
其中，DPU 96、SEPCOS和DCP 106還提供了Profibus、Modbus或Modbus Plus等工業現場總線接口，因而具備了與電力SCADA系統，利用通訊的方式直接進行數據交換的能力。從上述幾種饋線微機綜合保護裝置所包含的電量保護種類，可以看出，它們中的任何一種產品，都可以滿足地鐵目前電量保護的需要。在不久的將來，地鐵保護系統中的電量保護將會逐步過渡到微機綜合保護裝置。
3.3.2 非電量保護
機組聯跳總閘保護、總閘聯跳分閘保護、相鄰變電所間的聯跳保護、緊急停電、重合閘功能，以及直流斷路器和直流電動隔離開關之間的聯鎖等，所有通過開關量實現的邏輯保護和邏輯閉鎖功能，都屬于非電量保護的范疇。前文已經提到，地鐵供電系統的一次主接線形式多種多樣，因而，非電量保護的種類也會隨著主接線的形式而有所不同，以適應不同的主接線方式。非電量保護系統的實質就是開關量(或數字量)的邏輯組合。為了實現這種邏輯組合關系，在傳統的方法中是使用大量的電磁式繼電器進行搭建，其弊端在本文的引言中已經指出，同時對此我們也提出了自己的解決方案，即采用先進且成熟的可編程控制器技術實現非電量保護。
