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地鐵變電站PLC自動化系統(tǒng)設計

   2006-11-28 中國路橋網(wǎng) 佚名 9940
地鐵變電站PLC自動化系統(tǒng)設計摘要:利用PLC技術設計地鐵變電站自動化系統(tǒng),提出了系統(tǒng)結(jié)構及特點,系統(tǒng)中采用分散式控制,簡化了系統(tǒng)結(jié)構,總線技術,通訊技術構建了,一個高可靠性的變電站自動化系統(tǒng)。
關鍵詞:變電站自動化可編程控制器1引言 地鐵的供電系統(tǒng)為地鐵運營提供電能。無論地鐵列車還是地鐵中的輔助設施都依賴電能。地鐵供電電源一般取自城市電網(wǎng),通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實現(xiàn)輸送或變換,然后以適當?shù)碾妷旱燃壒┙o地鐵各類設備。 地鐵全面采用變電站自動化設計,由于變電站數(shù)量多、設備多,在加上其完善的綜合功能,信息交換量大,而且要求信息傳輸速度快和準確無誤。在變電站綜合自動化系統(tǒng)中,監(jiān)控系統(tǒng)至關重要,是確保整個系統(tǒng)可靠運行的關鍵。 變電站自動化系統(tǒng),經(jīng)過幾代的發(fā)展,已經(jīng)進入了分散式控制系統(tǒng)時代。遙測、遙信、遙控命令執(zhí)行和繼電保護功能等均由現(xiàn)場單元部件獨立完成,并將這些信息通過通訊系統(tǒng)送至后臺計算機系統(tǒng)。變電站自動化的綜合功能均由后臺計算機系統(tǒng)承擔。 將變電站中的微機保護、微機監(jiān)控等裝置通過計算機網(wǎng)絡和現(xiàn)代通信技術集成為一體化的自動化系統(tǒng)。它取消了傳統(tǒng)的控制屏臺、表計等常規(guī)設備,因而節(jié)省了控制電纜,縮小了控制室面積。2地鐵變電站自動化系統(tǒng)組成 在本地鐵變電站自動化系統(tǒng)設計中,采用分層分布式功能分割方案。系統(tǒng)縱向分三層,即變電站管理層、網(wǎng)絡通訊層和間隔設備層。分層式設計有利于系統(tǒng)功能的劃分,結(jié)構清晰明了。系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式,各下位監(jiān)控單元安裝于各開關柜內(nèi),上位監(jiān)控單元通過所內(nèi)通信網(wǎng)絡對其進行監(jiān)視控制。變電站自動化系統(tǒng)需要對35kV交流微機保護測控裝置、直流1500kV牽引系統(tǒng)微機保護測控裝置、380/220V監(jiān)測裝置、變壓器及整流器的溫控裝置、直流/交流電源屏等設備進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。 由于可編程序控制器技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已經(jīng)相當成熟。其品種齊全,功能繁多,己被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。用PLC來實現(xiàn)地鐵變電站自動化的RTU功能,能夠很好地滿足“三遙”的要求。本系統(tǒng)采用了Modicon Quantum系列PLC,來實現(xiàn)變電站自動化的RTU功能。Quantum具有模塊化,可擴展的體系結(jié)構,用于工業(yè)和制造過程實時控制。對應于變電站的電壓等級和點數(shù)的多少,可以選用大、中、小型不同容盈的PLC產(chǎn)品。 隨著當?shù)乇Wo裝置功能的日益強大,可以通過與保護裝置的通訊來實現(xiàn)遙控和遙信功能。一些特殊要求的情況下,采用DI, DO, AI模塊來實現(xiàn)遙控和遙信。使用PLC的DI模塊來實現(xiàn)遙信、用PLC的DO模塊來實現(xiàn)遙控、用PLC的AI模塊來實現(xiàn)遙測、用PLC的通信功來完成與微機保護單元的通訊。利用PLC的各種模塊可以很方便的實現(xiàn)“三遙”基本功能。3地鐵變電站自動化系統(tǒng)設計3.1系統(tǒng)結(jié)構 變電站管理單元內(nèi)的主監(jiān)控部分采用可編程控制器PLC。CPU模塊采用80586處理器,主頻66MHz,內(nèi)存2M,并配有存放數(shù)據(jù)、可調(diào)參數(shù)和軟件的RAM和FLASH MEMORY。能對CPU及I/O進行自診斷。 電源模塊,采用冗余配置。電源采用冗余配置,系統(tǒng)輸人兩路直流電源,保證系統(tǒng)在1路電源失電時,系統(tǒng)仍可無擾動安全運行,提高系統(tǒng)的可靠性。通訊模塊采用Modbus+通訊模塊。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示: 間隔層的微機保護裝置經(jīng)過RS一485總線分成幾個組,連接到網(wǎng)橋的Modbus通訊口上,通過網(wǎng)橋收集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)通過MB+網(wǎng)絡送到主監(jiān)控單元PLC。 系統(tǒng)的主監(jiān)控單元可通過可編程網(wǎng)橋編制不同的規(guī)約,滿足與不同智能設備之間的接口需要。MODBUS網(wǎng)橋NW-BM85C002 MB+網(wǎng)橋/多路轉(zhuǎn)換器,每臺網(wǎng)橋具有4個通訊口與間隔層的智能設備通訊,網(wǎng)橋?qū)ODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)化,通過 MB十網(wǎng)絡與PLC建立網(wǎng)絡通訊,同時在中央信號屏中還配有可編程網(wǎng)橋NW一BM85C485,通過MB+網(wǎng)絡與PLC連接,每個可編程網(wǎng)橋具有四個通訊協(xié)議可編程的RS一485口,在本方案中對其中的兩個口進行編程,使之通過IEC一60870-7-101與中央控制中心通訊。 系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊層向上通過可編程網(wǎng)橋的RS一422接口采用IEC60870-5-101國際標準規(guī)約實現(xiàn)與控制中心通訊;向下網(wǎng)絡通訊層通過網(wǎng)橋RS-422接口MODBUS標準規(guī)約實現(xiàn)與主變電站內(nèi)的各開關柜或保護屏內(nèi)的微機綜合保護測控單元等智能裝置通訊,滿足變電所綜合自動化系統(tǒng)控制、測量、保護的技術要求。通過網(wǎng)橋與智能設備及控制中心通訊,由網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換,降低PLC的CPU模塊負荷率,提高系統(tǒng)的可靠性。 配置液晶顯示器,用于變電所內(nèi)監(jiān)控、軟件維護,設備調(diào)試,站控層操作等人機接口。帶有液晶顯示器實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)的顯示和控制。液晶顯示以漢字實時顯示所內(nèi)所有事故、預告信號、所內(nèi)各微機綜合保護測控單元的運行狀態(tài)。事件變位的內(nèi)容、時間等。當多個事故信號同時發(fā)生時,液晶顯示報警裝置按新舊次序,在所內(nèi)時間分辨率的范圍內(nèi)依次顯示各種信息,并能存儲。操作員通過按鈕對顯示進行選擇,必要時操作員可通過該組操作按鈕對開關進行所內(nèi)集中控制。 “就地一遠方”控制切換裝置。為便于系統(tǒng)運行的需要,在中央信號屏內(nèi)裝有“就地一遠方”切換開關,實現(xiàn)就地控制和遠方控制之間的方式切換和閉鎖。在變電站控制上,方便分層控制和管理。 系統(tǒng)的電源采用冗余配置,系統(tǒng)輸人兩路直流電源,保證系統(tǒng)在一路電源失電時,系統(tǒng)仍可無擾動安全運行,提高系統(tǒng)的可靠性。3.2開放式、宜擴展性設計 可以與滿足相應標準規(guī)約(profibus, spabus, modbus等)的其它公司相關的(IED)互聯(lián)進行信息交換。充分考慮到變電站擴建、改造等因素,間隔層設備基于模塊式標準化設計,可根據(jù)要求隨意配置,變電站層設備設置靈活。 網(wǎng)絡通訊層設計考慮到工業(yè)以太網(wǎng)、CAN、422、modbus+等現(xiàn)場總線的接口設計,能充分滿足大流量實時數(shù)據(jù)傳送的實時性和可靠性。3.3軟件設計 PLC軟件方面,由于PLC以循環(huán)掃描和中斷兩種方式來執(zhí)行程序。為了完成所有RTU功能,PLC采用循環(huán)掃描方式,與各個間隔層保護單元進行通訊。通過Modbus總線,讀取各個保護單元的遙測、遙信信息,同時通過總線通訊對各個智能保護裝置進行設點操作,實現(xiàn)對開關的遙控功能。本系統(tǒng)采用了Quantum系列PLC配套的con-cept編程軟件中的FBD方式,進行了PLC的組態(tài),實現(xiàn)了變電站自動化的三遙功能。 如圖2所示的遙控功能的組態(tài)。通過使用合適的功能塊的組合,可以實現(xiàn)你所要的功能。其中的功能塊有concept軟件的FFB libarary提供的標準功能塊,也可以自己定義,自己獨特的功能塊。 遙信的實現(xiàn),有兩種方式。一種是通訊方式,當變電站設備發(fā)生變位時,通過PLC與智能保護裝置的通訊,讀取變位的信息到PLC中,并將其上送給控制中心。另一種為D工模塊方式,通過連接設備的位置繼電器,PLC的DI模塊能夠感知設備的變位信息。 遙測的實現(xiàn)也包含兩種方式。一種是通訊方式,PLC通過與智能保護裝置的通訊,實時獲取保護裝置采集的遙測量信息,相當于由保護裝置完成現(xiàn)場級的采集功能。另一種為AI模塊方式,由PLC自己來完成現(xiàn)場的遙測量采集,并將采集到的數(shù)據(jù)存放在R A M中。網(wǎng)橋?qū)AM中的遙測量信息,作為二級數(shù)據(jù),實時的與控制中心進行通訊。 網(wǎng)橋中的報文接收分析程序分析控制中心傳來的報文,如果分析認為其是遙控報文,對其進行報文解析,將獲取的遙控對象信息寫入PLC,由PLC程序與智能保護裝置通訊,來完成遙控功能。3.4系統(tǒng)功能及特點 變電站自動化實施對變電站各種設備進行實時控制和數(shù)據(jù)采集,實現(xiàn)對各種設備的微機控制、監(jiān)視、邏輯閉鎖、微機測量以及實現(xiàn)所間開關聯(lián)跳功能。 變電站自動化系統(tǒng)的特點: (1)完善的自檢功能,除通過通信對各單元進行監(jiān)控外,各單元中保護和監(jiān)控模塊都具有極強的自檢功能,同時二者相互監(jiān)視,一旦發(fā)生異常,及時報警,提高系統(tǒng)運行可靠性。 (2)開關、刀閘狀態(tài)信息采用常開及常閉雙位置接點,通過軟件判斷其合法性。 (3)監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RTU,各智能模塊采集的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線上傳到通訊控制器。 (4)取消了常規(guī)光字牌,采用計算機模擬光字牌,并按不同電壓等級的分層模式來顯示。 (5)簡化防誤閉鎖設計,重要設備之間用硬接線實現(xiàn)閉鎖功能,綜合自動化軟件具備軟件邏輯判別功能,但考慮到已有運行和檢修經(jīng)驗,一般不在后臺軟件中進行閉鎖。 (6)對暫態(tài)變位信號,經(jīng)軟件處理,采用自保持方式,未經(jīng)人工確認信號不會消失。4結(jié)束語 在實際運行中,網(wǎng)橋與控制中心的雙通道設計,給運營和檢修帶來了很大的便利。因為是軟件自動切換,克服了進口系統(tǒng)手動切換通道的缺點,通道的狀態(tài)由軟件來判斷,大大提高了發(fā)現(xiàn)問題的及時性。雙通道同時出現(xiàn)故障的概率并不是很高,實際運營中有在備用通道長時間運行的情況,這樣就給檢修人員預留了充足的時間來檢查問題。 PLC硬件由于應用工業(yè)級可靠性設計,因此實際運行中非常可靠,絕少出現(xiàn)死機的情況,可靠性遠高于采用windows操作系統(tǒng)的通用計算機,很好的滿足了供電監(jiān)控的要求。從交付使用到現(xiàn)在PLC還沒有出現(xiàn)過硬件故障,凸顯了PLC對地鐵的潮濕、高溫環(huán)境的適應性。模塊化的設計也使的系統(tǒng)的檢修和更換更為便捷。 需要更改進的方面,就是對通信的改進。由于設計中沒有采用光纖通訊模塊,各設備對由絕緣檢修和線纜破損竄進來的高壓電,不能非常有效的隔離,會造成設備的高壓擊穿,造成不必要的損失,計劃在今后的設計中對于高電壓的隔離方面加以改進,就可以很好的避免這種問題。參考文獻[1]施耐德.Modicon Tsx Quantum硬件手冊,1998[2]黃益莊.變電站綜合自動化技術.北京:中國電力出版社,2000,1(2):41-43[3]譚文恕.變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構和傳輸規(guī)約.電網(wǎng)技術,2001 ,25(9);8-11[4]陳劍云,楊豐萍.HY 200電氣化鐵道SCADA系統(tǒng).電力自動化設備,2000, 20(1)28-30[5]熊泳.INT-SCADA變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).西安交通大學2003年碩士學位論文
 
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