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地铁供电变电站自动化系统的功能
摘 要:简要介绍了地铁供电变电站一次系统的构成,重点分析了地铁变电站自动化系统不同于大电网变电站自动化系统,地铁变电站自动化系统有其特殊的功能要求,并提出了相应的实现方案。最后,对地铁变电站自动化系统未来的发展方向阐述了看法。
关键词:地铁;变电站自动化系统;IEC61850

  地铁是我国大型城市公共交通的重点发展方向,而可靠的供电是地铁安全运营的重要保障,功能强大的地铁供电变电站自动化系统又是保证供电质量的基础。地铁供电变电站的一次设备、运行方式及管理模式与大电网变电站有一定的差异,导致了其自动化系统的功能也与大电网变电站的功能存在不少差异。现着重探讨和研究这些具有地铁特色的功能要求及实现方案。
1 一次系统
      地铁供电变电站按功能划分主要有4种类型:主变电站、牵引变电站、降压变电站和跟随变电站。主变电所将110kV电网电压降为35kV,给牵引变电站和降压变电站供电(电压等级仅为参考值,进口一次设备可能略有差异,以下同);牵引变电站则是将35kV交流电经变压器、整流器转换为直流1500V/750V,给接触网/接触轨供电;降压变电站则是将35kV电网电压降为400V,提供车站的动力和照明电源,同时也是跟随变电站的进线电源;跟随变电站无变压器,是降压变电站400V侧在地理上的延伸,是为离降压变电站较远的地铁设备供电。
      主变电站、降压变电站、跟随变电站与交流电网上的其他变电站并无本质的区别,无论是电气接线方式还是运行方式均与普通变电站类似,只有直流牵引变电站是地铁供电系统所特有的。地铁变电站自动化系统的很多独特之处也多与直流牵引变电站有关。
      图1是典型的牵引变电站的电气接线图。

      图1中,102、103为进线断路器,来自于主变电站的2段不同的33kV母线;101、104为出线断路器,给两边相邻的降压变电站供电。201、202为直流进线开关;211、212、213、214为直流馈线开关,分别给上行和下行接触网供电。2112、2134为接触网分段隔离开关, 仅当该站直流停止供电时才能合上。
2 系统功能
      现代意义的变电站自动化系统的功能在IEC61850-5:2003[1]中作了系统、全面的阐述。IEC61850-5将系统的功能从逻辑上分为变电站层、间隔层和过程层3个层次和系统支持功能(如自检、时钟同步)、系统配置或维护功能(如测试、配置参数)、运行或控制功能(如遥控)、本地过程自动化功能(如数据采集、继电保护)、分布式自动化支持功能(如联锁、同期)和分布式过程自动化功能(如顺控、电压无功控制),共6种类别。
      而传统意义的变电站自动化系统指的是数据采集与处理(SCADA)系统(不包括继电保护等功能)的子站部分,或称为远动终端设备。
      远动终端设备可以视为现代意义的变电站自动化系统的一部分。
      2002年颁布实施的国家标准《GB/T13729-2002远动终端设备》[2],对远动终端设备的功能要求作了明确的规定。铁道行业标准《TB/T2831-1997电气化铁道牵引供电远动系统技术条件》[3]则在引用GB/T13729-1992的基础上,对系统功能作出了针对行业应用的更为具体的要求。
      地铁变电站自动化系统的功能不仅要符合上述2个有关远动终端设备的标准,还应该尽快向即将推出的IEC61850靠拢,将继电保护、故障录波等功能有机地、无缝地融入到自动化系统中去。
      以下将重点探讨几个具有地铁变电站典型特征的自动化系统的基本功能。
2.1 遥控功能
      《电气化铁道牵引供电远动系统技术条件》提出的功能要求包括6项内容:遥控、遥信、遥测、打印、接口和自检。遥信、遥测、打印、接口和自检功能的要求与GB/T13729-2002的要求是基本一致的。而遥控功能则赋予了其更多的内涵。
      地铁变电站自动化系统的遥控功能按受控对象的数量分为单控和程控2种[3]。单控是指对单个对象的控制,也就是通常所指的基本遥控功能;而程控则是对多个对象的程序控制。
      单控、程控的概念是地铁变电站所特有的,不管是单控还是程控,其内涵均包括控制和相关的联锁2部分。
      单控联锁功能通常是由受控的间隔层[1]设备来完成的。例如,牵引变电站直流馈线开关的合闸,是由安装于直流开关柜内的保护测控单元来实现的。合闸出口继电器动作以前,必须进行一系列的联锁逻辑判断:首先检查开关是否处于分位,手车是否处于运行位;然后检查是否有合闸闭锁信号;最后进行线路测试,确认无短路后,方可进行合闸。若受控的间隔层设备无联锁功能,则可由变电站层[1]的通信控制器来完成。
      程控功能按操作对象和联锁关系分为2个层次:
      (1)操作对象和联锁关系均在同一变电站内,称为站内程控功能。例如,降压变电站的动力变压器的停电/恢复,需要对相邻的多个断路器进行操作。站内程控功能通常由变电站层的通信控制器来完成。
      (2)操作对象或联锁关系涉及多个变电站,称为站间程控功能。例如,接触网/接触轨的越区供电,需要对多个牵引变电站的多个直流断路器以及分段隔离开关进行操作。站间程控功能可由某一变电站的通信控制器来完成,也可由运行控制中心(OCC)电调主站来完成。前者需将邻站纳入采集和监控的范围,增加了硬件投资,但可脱离OCC电调运行;后者只能由OCC电调进行操作,对主站的依赖性太高,不利于紧急情况的处理。所以前一个方案更可取。
      值得一提的是,程控并不是简单的多个单控的组合,因为受控的多个对象之间可能存在复杂的联锁或闭锁的关系。而单控仅存在受控对象与其他非受控对象之间的联锁逻辑关系。IEC61850-5中,单控属于控制和分布式联锁功能的组合,而程控属于分布式顺控和分布式联锁功能的组合。
2.2 网络通信功能
      GB/T13729-2002提出了一些选配功能,其中的网络通信功能也应作为地铁变电站自动化系统的基本功能要求,而不是选配功能。其理由如下:
      (1)GB/T13729-2002仅是远动终端设备的标准,而地铁变电站自动化系统不仅包括远动终端设备的功能。网络通信功能是现代意义的变电站自动化系统区别于传统RTU(远动终端设备)的本质特征之一。
      (2)网络通信是今后变电站自动化系统的发展方向。在IEC61850中,网络通信是根本,是整个IEC61850思想体系的核心和基础。在IEC61850-5对功能的分类中,网络通信不再是独立的功能,因为它已是所有功能的基础。
      (3)网络通信已在地铁变电站自动化系统中得到了大量的应用。如本世纪投入运行的上海、广州地铁,正在实施的南京、武汉、重庆等地铁(或轻轨)变电站项目,无一例外的具备了网络通信的功能。
      事实上,地铁变电站自动化系统不仅是已具备了网络通信功能,而且还在同一个站内具备了五花八门的通信硬件和软件协议,这与大电网变电站有很大的区别,因为大电网变电站自动化系统的网络通信已经统一到IEC60870-5-103的标准上,而地铁变电站(尤其是牵引变电站)自动化系统间隔层设备的网络通信由于诸多原因尚无法统一。
      在通信网络短时间内不能统一的前提下,地铁变电站自动化系统要能支持各种通信硬件和网络协议。从长远看,地铁变电站自动化系统的通信网络也要统一到IEC61850上来。
2.3 继电保护功能
      继电保护设备与远动终端设备一样,是现代变电站自动化系统的核心设备。自从IEC60870-5-103诞生以来,二者就已经是一个有机的整体,而不再是2个孤立的子系统。
      对于地铁供电领域来说,除了牵引变电站外,其他类型变电站(如主变电站、降压变电站)的继电保护功能与大电网交流变电站的继电保护功能是完全相同的。而牵引变电站采用直流馈线,使其继电保护功能具有显著的差异。
      目前,国内尚无任何标准对直流牵引变电站的继电保护功能作出完整的描述,笔者通过对国外保护设备的研究,认为应该具备以下功能:
      (1)所有直流断路器本体必须安装大电流脱扣保护;
      (2)直流馈线以di/dt及ΔI保护为主保护,定时限过流保护、Imax保护或其他类型的保护为后备保护,同时必须具有自动重合闸的功能,采用双边供电的还必须具备联跳邻站断路器的功能;
      (3)直流进线则必须有逆流保护;
      (4)框架保护。
      其他的保护功能可根据实际需要选配。
3 自动化系统的实现
      地铁变电站自动化系统的实现没有统一的标准或模式,只要满足系统的所有功能和性能的要求即可。本方案是结合工程实践提出的,由于牵引变电站更具有行业代表性,所以该方案为牵引变电站自动化系统的技术方案。
3.1 牵引变电站自动化系统构成
      图2是本方案的系统构成图,它基于无人值守的牵引变电站,所以系统图中并未出现人机对话工作站。
  图2中的通信控制器是整个系统的核心和所有数据(本站的全部数据及邻站的有关数据)的流入点,如果该设备单机的可靠性不够高,则可考虑采用冗余配置。冗余不是必需的,所以在图中显示的是单机配置。通信控制器完成程控及程控联锁的功能、完成转发站内数据至调度的功能,它通常还带有一个人机接口,用于简单的在线运行监视。维护计算机用于离线的系统配置、故障诊断的功能。通信控制器和调试计算机都属于变电站层的设备。
      图2中的各种保护测控单元和其他监控单元是间隔层设备,主要完成保护、测量、控制、单控联锁的功
能。介于间隔层设备与变电站层设备之间的是通信网络。以下将重点描述遥控、网络通信功能的实现方案。
3.2 单控及程控实现方案
      在地铁供电领域,有些间隔层设备是用可编程逻辑控制器(PC)来实现的,甚至早期的变电站层设备也是用PC来实现的,相应的控制、联锁功能也要通过对PC编程来实现,PC的编程语言绝大多数支持IEC1131-3:1993[4]的标准。而同一个站内,非PC类的通信控制器也要实现程控及联锁功能。为统一起见,通常要求通信控制器也要用符合IEC1131-3标准的编程语言来实现程控。这种方案实际上是最理想的方案,它主要有几大优势:
      (1)符合IEC1131-3标准的编程语言如IL、ST、LD、FBD等均直观易读,尤其是LD和FBD,为多数维护人员所熟悉。运用熟悉的编程语言可减少出错的可能。
      (2)保证全站甚至全地铁所有变电站的所有设备使用统一的编程语言,减小了运行管理的难度。
      (3)使用IEC1131-3标准,降低了自动化系统制造商在组态软件上的开发风险,自行制定的标准往往存在考虑不周的情况。该方案的实现手段如下:
      首先,开发符合IEC1131-3的组态软件,该软件在维护计算机中运行,将易于维护人员掌握的编程语言转换为目标机(如通信控制器)所能识别的机器执行代码,然后将该代码在线下载到目标机中去。
3.3 通信网络实现方案
      本方案中,间隔层设备通过网关将各种不同的通信网络统一至光纤以太网中来,以太网采用星型连接,即所有设备通过光纤交换机相连(交换机在图中未显示)。以太网作为变电站自动化系统通信网络未来数年的发展方向是不可动摇的,光纤介质虽然成本较高,但其卓越的电磁兼容性能和长距离通信能力是双绞线无法比拟的。
      本方案中,网关的作用也是不可或缺的。网关主要发挥了以下几个作用:
      (1)大大降低了通信控制器的复杂程度和CPU(中央处理器)负载。
      (2)将不同的通信网络转换为统一的通信接口,管理更为简单。
      (3)网关将不同间隔层设备之间的相互影响降到了最低。
      (4)网关将间隔层设备自身的通信网络故障隔离在网关以外,不会影响到通信控制器的正常工作。
      本方案以太网的通信协议的确定也是至关重要的问题,协议必须分层、高效、开放、可靠、简单。现在,物理层和链路层已经确定为光纤以太网-10baseFL。网络层和传输层协议则毫无疑义地应当在开放的标准传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)协议集中选取,在此选择了用户数据报协议/因特网协议(UDP/IP),因为UDP传输效率要高于TCP,至于其传输可靠性低的缺点可由更上层的应用层协议来弥补。提及应用层协议,由于在IEC61850正式出台以前,尚无任何基于以太网的全站智能电子设备(IED)的通信协议,所以应用层协议必须自行确定。
      考虑到IEC60870-5-103是基于串行口的全站IED通信协议,而IEC60870-5-104则是基于以太网的远动通信协议。如果将二者有机地结合,将会得到一个开放、高效、可靠的应用层协议。众所周知,应用层协议由应用规约控制信息(APCI)和应用服务数据单元(ASDU)2部分组成,如果将适合于网络传输的IEC60870-5-104协议的APCI和适用于IED通信的IEC60870-5-103协议的ASDU组合一下,就得到了所期望的结果。
4 结语
      地铁变电站自动化系统目前在功能的配置方面已渐趋成熟和全面,但在功能的实现方面还有很长的路要走,功能实现的好坏决定了系统的部分性能的高低,如互操作性、可扩展/裁减性、易维护性等。IEC61850将所有的功能从逻辑上分解为很多的逻辑节点,并为每种逻辑节点建立了精确的数学模型,全面贯彻IEC61850标准将大大提升系统功能的完善程度,增强系统的性能。

参考文献:
[1]IEC61850-5:2003Communicationnetworksandsystemsinsub-stations-Part5:Communicationrequirementsforfunctionsandde-vicesmodels[S].
[2]GB/T13729-2002远动终端设备[S].
[3]TB/T2831-1997电气化铁道牵引供电远动系统技术条件[S].
[4]IEC1131-3:1993Programmablecontroller-Part3:Programminglanguages[S].

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