應(yīng)用方案
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地鐵供電變電站自動化系統(tǒng)的功能
摘 要:簡要介紹了地鐵供電變電站一次系統(tǒng)的構(gòu)成,重點分析了地鐵變電站自動化系統(tǒng)不同于大電網(wǎng)變電站自動化系統(tǒng),地鐵變電站自動化系統(tǒng)有其特殊的功能要求,并提出了相應(yīng)的實現(xiàn)方案。最后,對地鐵變電站自動化系統(tǒng)未來的發(fā)展方向闡述了看法。
關(guān)鍵詞:地鐵;變電站自動化系統(tǒng);IEC61850
地鐵是我國大型城市公共交通的重點發(fā)展方向,而可靠的供電是地鐵安全運營的重要保障,功能強大的地鐵供電變電站自動化系統(tǒng)又是保證供電質(zhì)量的基礎(chǔ)。地鐵供電變電站的一次設(shè)備、運行方式及管理模式與大電網(wǎng)變電站有一定的差異,導(dǎo)致了其自動化系統(tǒng)的功能也與大電網(wǎng)變電站的功能存在不少差異。現(xiàn)著重探討和研究這些具有地鐵特色的功能要求及實現(xiàn)方案。
1 一次系統(tǒng)
地鐵供電變電站按功能劃分主要有4種類型:主變電站、牽引變電站、降壓變電站和跟隨變電站。主變電所將110kV電網(wǎng)電壓降為35kV,給牽引變電站和降壓變電站供電(電壓等級僅為參考值,進口一次設(shè)備可能略有差異,以下同);牽引變電站則是將35kV交流電經(jīng)變壓器、整流器轉(zhuǎn)換為直流1500V/750V,給接觸網(wǎng)/接觸軌供電;降壓變電站則是將35kV電網(wǎng)電壓降為400V,提供車站的動力和照明電源,同時也是跟隨變電站的進線電源;跟隨變電站無變壓器,是降壓變電站400V側(cè)在地理上的延伸,是為離降壓變電站較遠的地鐵設(shè)備供電。
主變電站、降壓變電站、跟隨變電站與交流電網(wǎng)上的其他變電站并無本質(zhì)的區(qū)別,無論是電氣接線方式還是運行方式均與普通變電站類似,只有直流牽引變電站是地鐵供電系統(tǒng)所特有的。地鐵變電站自動化系統(tǒng)的很多獨特之處也多與直流牽引變電站有關(guān)。
圖1是典型的牽引變電站的電氣接線圖。
圖1中,102、103為進線斷路器,來自于主變電站的2段不同的33kV母線;101、104為出線斷路器,給兩邊相鄰的降壓變電站供電。201、202為直流進線開關(guān);211、212、213、214為直流饋線開關(guān),分別給上行和下行接觸網(wǎng)供電。2112、2134為接觸網(wǎng)分段隔離開關(guān), 僅當該站直流停止供電時才能合上。
2 系統(tǒng)功能
現(xiàn)代意義的變電站自動化系統(tǒng)的功能在IEC61850-5:2003[1]中作了系統(tǒng)、全面的闡述。IEC61850-5將系統(tǒng)的功能從邏輯上分為變電站層、間隔層和過程層3個層次和系統(tǒng)支持功能(如自檢、時鐘同步)、系統(tǒng)配置或維護功能(如測試、配置參數(shù))、運行或控制功能(如遙控)、本地過程自動化功能(如數(shù)據(jù)采集、繼電保護)、分布式自動化支持功能(如聯(lián)鎖、同期)和分布式過程自動化功能(如順控、電壓無功控制),共6種類別。
而傳統(tǒng)意義的變電站自動化系統(tǒng)指的是數(shù)據(jù)采集與處理(SCADA)系統(tǒng)(不包括繼電保護等功能)的子站部分,或稱為遠動終端設(shè)備。
遠動終端設(shè)備可以視為現(xiàn)代意義的變電站自動化系統(tǒng)的一部分。
2002年頒布實施的國家標準《GB/T13729-2002遠動終端設(shè)備》[2],對遠動終端設(shè)備的功能要求作了明確的規(guī)定。鐵道行業(yè)標準《TB/T2831-1997電氣化鐵道牽引供電遠動系統(tǒng)技術(shù)條件》[3]則在引用GB/T13729-1992的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)功能作出了針對行業(yè)應(yīng)用的更為具體的要求。
地鐵變電站自動化系統(tǒng)的功能不僅要符合上述2個有關(guān)遠動終端設(shè)備的標準,還應(yīng)該盡快向即將推出的IEC61850靠攏,將繼電保護、故障錄波等功能有機地、無縫地融入到自動化系統(tǒng)中去。
以下將重點探討幾個具有地鐵變電站典型特征的自動化系統(tǒng)的基本功能。
2.1 遙控功能
《電氣化鐵道牽引供電遠動系統(tǒng)技術(shù)條件》提出的功能要求包括6項內(nèi)容:遙控、遙信、遙測、打印、接口和自檢。遙信、遙測、打印、接口和自檢功能的要求與GB/T13729-2002的要求是基本一致的。而遙控功能則賦予了其更多的內(nèi)涵。
地鐵變電站自動化系統(tǒng)的遙控功能按受控對象的數(shù)量分為單控和程控2種[3]。單控是指對單個對象的控制,也就是通常所指的基本遙控功能;而程控則是對多個對象的程序控制。
單控、程控的概念是地鐵變電站所特有的,不管是單控還是程控,其內(nèi)涵均包括控制和相關(guān)的聯(lián)鎖2部分。
單控聯(lián)鎖功能通常是由受控的間隔層[1]設(shè)備來完成的。例如,牽引變電站直流饋線開關(guān)的合閘,是由安裝于直流開關(guān)柜內(nèi)的保護測控單元來實現(xiàn)的。合閘出口繼電器動作以前,必須進行一系列的聯(lián)鎖邏輯判斷:首先檢查開關(guān)是否處于分位,手車是否處于運行位;然后檢查是否有合閘閉鎖信號;最后進行線路測試,確認無短路后,方可進行合閘。若受控的間隔層設(shè)備無聯(lián)鎖功能,則可由變電站層[1]的通信控制器來完成。
程控功能按操作對象和聯(lián)鎖關(guān)系分為2個層次:
(1)操作對象和聯(lián)鎖關(guān)系均在同一變電站內(nèi),稱為站內(nèi)程控功能。例如,降壓變電站的動力變壓器的停電/恢復(fù),需要對相鄰的多個斷路器進行操作。站內(nèi)程控功能通常由變電站層的通信控制器來完成。
(2)操作對象或聯(lián)鎖關(guān)系涉及多個變電站,稱為站間程控功能。例如,接觸網(wǎng)/接觸軌的越區(qū)供電,需要對多個牽引變電站的多個直流斷路器以及分段隔離開關(guān)進行操作。站間程控功能可由某一變電站的通信控制器來完成,也可由運行控制中心(OCC)電調(diào)主站來完成。前者需將鄰站納入采集和監(jiān)控的范圍,增加了硬件投資,但可脫離OCC電調(diào)運行;后者只能由OCC電調(diào)進行操作,對主站的依賴性太高,不利于緊急情況的處理。所以前一個方案更可取。
值得一提的是,程控并不是簡單的多個單控的組合,因為受控的多個對象之間可能存在復(fù)雜的聯(lián)鎖或閉鎖的關(guān)系。而單控僅存在受控對象與其他非受控對象之間的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系。IEC61850-5中,單控屬于控制和分布式聯(lián)鎖功能的組合,而程控屬于分布式順控和分布式聯(lián)鎖功能的組合。
2.2 網(wǎng)絡(luò)通信功能
GB/T13729-2002提出了一些選配功能,其中的網(wǎng)絡(luò)通信功能也應(yīng)作為地鐵變電站自動化系統(tǒng)的基本功能要求,而不是選配功能。其理由如下:
(1)GB/T13729-2002僅是遠動終端設(shè)備的標準,而地鐵變電站自動化系統(tǒng)不僅包括遠動終端設(shè)備的功能。網(wǎng)絡(luò)通信功能是現(xiàn)代意義的變電站自動化系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)RTU(遠動終端設(shè)備)的本質(zhì)特征之一。
(2)網(wǎng)絡(luò)通信是今后變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。在IEC61850中,網(wǎng)絡(luò)通信是根本,是整個IEC61850思想體系的核心和基礎(chǔ)。在IEC61850-5對功能的分類中,網(wǎng)絡(luò)通信不再是獨立的功能,因為它已是所有功能的基礎(chǔ)。
(3)網(wǎng)絡(luò)通信已在地鐵變電站自動化系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。如本世紀投入運行的上海、廣州地鐵,正在實施的南京、武漢、重慶等地鐵(或輕軌)變電站項目,無一例外的具備了網(wǎng)絡(luò)通信的功能。
事實上,地鐵變電站自動化系統(tǒng)不僅是已具備了網(wǎng)絡(luò)通信功能,而且還在同一個站內(nèi)具備了五花八門的通信硬件和軟件協(xié)議,這與大電網(wǎng)變電站有很大的區(qū)別,因為大電網(wǎng)變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)統(tǒng)一到IEC60870-5-103的標準上,而地鐵變電站(尤其是牽引變電站)自動化系統(tǒng)間隔層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信由于諸多原因尚無法統(tǒng)一。
在通信網(wǎng)絡(luò)短時間內(nèi)不能統(tǒng)一的前提下,地鐵變電站自動化系統(tǒng)要能支持各種通信硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。從長遠看,地鐵變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)也要統(tǒng)一到IEC61850上來。
2.3 繼電保護功能
繼電保護設(shè)備與遠動終端設(shè)備一樣,是現(xiàn)代變電站自動化系統(tǒng)的核心設(shè)備。自從IEC60870-5-103誕生以來,二者就已經(jīng)是一個有機的整體,而不再是2個孤立的子系統(tǒng)。
對于地鐵供電領(lǐng)域來說,除了牽引變電站外,其他類型變電站(如主變電站、降壓變電站)的繼電保護功能與大電網(wǎng)交流變電站的繼電保護功能是完全相同的。而牽引變電站采用直流饋線,使其繼電保護功能具有顯著的差異。
目前,國內(nèi)尚無任何標準對直流牽引變電站的繼電保護功能作出完整的描述,筆者通過對國外保護設(shè)備的研究,認為應(yīng)該具備以下功能:
(1)所有直流斷路器本體必須安裝大電流脫扣保護;
(2)直流饋線以di/dt及ΔI保護為主保護,定時限過流保護、Imax保護或其他類型的保護為后備保護,同時必須具有自動重合閘的功能,采用雙邊供電的還必須具備聯(lián)跳鄰站斷路器的功能;
(3)直流進線則必須有逆流保護;
(4)框架保護。
其他的保護功能可根據(jù)實際需要選配。
3 自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)
地鐵變電站自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)沒有統(tǒng)一的標準或模式,只要滿足系統(tǒng)的所有功能和性能的要求即可。本方案是結(jié)合工程實踐提出的,由于牽引變電站更具有行業(yè)代表性,所以該方案為牽引變電站自動化系統(tǒng)的技術(shù)方案。
3.1 牽引變電站自動化系統(tǒng)構(gòu)成
圖2是本方案的系統(tǒng)構(gòu)成圖,它基于無人值守的牽引變電站,所以系統(tǒng)圖中并未出現(xiàn)人機對話工作站。
圖2中的通信控制器是整個系統(tǒng)的核心和所有數(shù)據(jù)(本站的全部數(shù)據(jù)及鄰站的有關(guān)數(shù)據(jù))的流入點,如果該設(shè)備單機的可靠性不夠高,則可考慮采用冗余配置。冗余不是必需的,所以在圖中顯示的是單機配置。通信控制器完成程控及程控聯(lián)鎖的功能、完成轉(zhuǎn)發(fā)站內(nèi)數(shù)據(jù)至調(diào)度的功能,它通常還帶有一個人機接口,用于簡單的在線運行監(jiān)視。維護計算機用于離線的系統(tǒng)配置、故障診斷的功能。通信控制器和調(diào)試計算機都屬于變電站層的設(shè)備。
圖2中的各種保護測控單元和其他監(jiān)控單元是間隔層設(shè)備,主要完成保護、測量、控制、單控聯(lián)鎖的功
能。介于間隔層設(shè)備與變電站層設(shè)備之間的是通信網(wǎng)絡(luò)。以下將重點描述遙控、網(wǎng)絡(luò)通信功能的實現(xiàn)方案。
3.2 單控及程控實現(xiàn)方案
在地鐵供電領(lǐng)域,有些間隔層設(shè)備是用可編程邏輯控制器(PC)來實現(xiàn)的,甚至早期的變電站層設(shè)備也是用PC來實現(xiàn)的,相應(yīng)的控制、聯(lián)鎖功能也要通過對PC編程來實現(xiàn),PC的編程語言絕大多數(shù)支持IEC1131-3:1993[4]的標準。而同一個站內(nèi),非PC類的通信控制器也要實現(xiàn)程控及聯(lián)鎖功能。為統(tǒng)一起見,通常要求通信控制器也要用符合IEC1131-3標準的編程語言來實現(xiàn)程控。這種方案實際上是最理想的方案,它主要有幾大優(yōu)勢:
(1)符合IEC1131-3標準的編程語言如IL、ST、LD、FBD等均直觀易讀,尤其是LD和FBD,為多數(shù)維護人員所熟悉。運用熟悉的編程語言可減少出錯的可能。
(2)保證全站甚至全地鐵所有變電站的所有設(shè)備使用統(tǒng)一的編程語言,減小了運行管理的難度。
(3)使用IEC1131-3標準,降低了自動化系統(tǒng)制造商在組態(tài)軟件上的開發(fā)風(fēng)險,自行制定的標準往往存在考慮不周的情況。該方案的實現(xiàn)手段如下:
首先,開發(fā)符合IEC1131-3的組態(tài)軟件,該軟件在維護計算機中運行,將易于維護人員掌握的編程語言轉(zhuǎn)換為目標機(如通信控制器)所能識別的機器執(zhí)行代碼,然后將該代碼在線下載到目標機中去。
3.3 通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案
本方案中,間隔層設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)將各種不同的通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一至光纖以太網(wǎng)中來,以太網(wǎng)采用星型連接,即所有設(shè)備通過光纖交換機相連(交換機在圖中未顯示)。以太網(wǎng)作為變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)未來數(shù)年的發(fā)展方向是不可動搖的,光纖介質(zhì)雖然成本較高,但其卓越的電磁兼容性能和長距離通信能力是雙絞線無法比擬的。
本方案中,網(wǎng)關(guān)的作用也是不可或缺的。網(wǎng)關(guān)主要發(fā)揮了以下幾個作用:
(1)大大降低了通信控制器的復(fù)雜程度和CPU(中央處理器)負載。
(2)將不同的通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的通信接口,管理更為簡單。
(3)網(wǎng)關(guān)將不同間隔層設(shè)備之間的相互影響降到了最低。
(4)網(wǎng)關(guān)將間隔層設(shè)備自身的通信網(wǎng)絡(luò)故障隔離在網(wǎng)關(guān)以外,不會影響到通信控制器的正常工作。
本方案以太網(wǎng)的通信協(xié)議的確定也是至關(guān)重要的問題,協(xié)議必須分層、高效、開放、可靠、簡單。現(xiàn)在,物理層和鏈路層已經(jīng)確定為光纖以太網(wǎng)-10baseFL。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議則毫無疑義地應(yīng)當在開放的標準傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)協(xié)議集中選取,在此選擇了用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(UDP/IP),因為UDP傳輸效率要高于TCP,至于其傳輸可靠性低的缺點可由更上層的應(yīng)用層協(xié)議來彌補。提及應(yīng)用層協(xié)議,由于在IEC61850正式出臺以前,尚無任何基于以太網(wǎng)的全站智能電子設(shè)備(IED)的通信協(xié)議,所以應(yīng)用層協(xié)議必須自行確定。
考慮到IEC60870-5-103是基于串行口的全站IED通信協(xié)議,而IEC60870-5-104則是基于以太網(wǎng)的遠動通信協(xié)議。如果將二者有機地結(jié)合,將會得到一個開放、高效、可靠的應(yīng)用層協(xié)議。眾所周知,應(yīng)用層協(xié)議由應(yīng)用規(guī)約控制信息(APCI)和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)2部分組成,如果將適合于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腎EC60870-5-104協(xié)議的APCI和適用于IED通信的IEC60870-5-103協(xié)議的ASDU組合一下,就得到了所期望的結(jié)果。
4 結(jié)語
地鐵變電站自動化系統(tǒng)目前在功能的配置方面已漸趨成熟和全面,但在功能的實現(xiàn)方面還有很長的路要走,功能實現(xiàn)的好壞決定了系統(tǒng)的部分性能的高低,如互操作性、可擴展/裁減性、易維護性等。IEC61850將所有的功能從邏輯上分解為很多的邏輯節(jié)點,并為每種邏輯節(jié)點建立了精確的數(shù)學(xué)模型,全面貫徹IEC61850標準將大大提升系統(tǒng)功能的完善程度,增強系統(tǒng)的性能。
參考文獻:
[1]IEC61850-5:2003Communicationnetworksandsystemsinsub-stations-Part5:Communicationrequirementsforfunctionsandde-vicesmodels[S].
[2]GB/T13729-2002遠動終端設(shè)備[S].
[3]TB/T2831-1997電氣化鐵道牽引供電遠動系統(tǒng)技術(shù)條件[S].
[4]IEC1131-3:1993Programmablecontroller-Part3:Programminglanguages[S].
摘 要:簡要介紹了地鐵供電變電站一次系統(tǒng)的構(gòu)成,重點分析了地鐵變電站自動化系統(tǒng)不同于大電網(wǎng)變電站自動化系統(tǒng),地鐵變電站自動化系統(tǒng)有其特殊的功能要求,并提出了相應(yīng)的實現(xiàn)方案。最后,對地鐵變電站自動化系統(tǒng)未來的發(fā)展方向闡述了看法。
關(guān)鍵詞:地鐵;變電站自動化系統(tǒng);IEC61850
地鐵是我國大型城市公共交通的重點發(fā)展方向,而可靠的供電是地鐵安全運營的重要保障,功能強大的地鐵供電變電站自動化系統(tǒng)又是保證供電質(zhì)量的基礎(chǔ)。地鐵供電變電站的一次設(shè)備、運行方式及管理模式與大電網(wǎng)變電站有一定的差異,導(dǎo)致了其自動化系統(tǒng)的功能也與大電網(wǎng)變電站的功能存在不少差異。現(xiàn)著重探討和研究這些具有地鐵特色的功能要求及實現(xiàn)方案。
1 一次系統(tǒng)
地鐵供電變電站按功能劃分主要有4種類型:主變電站、牽引變電站、降壓變電站和跟隨變電站。主變電所將110kV電網(wǎng)電壓降為35kV,給牽引變電站和降壓變電站供電(電壓等級僅為參考值,進口一次設(shè)備可能略有差異,以下同);牽引變電站則是將35kV交流電經(jīng)變壓器、整流器轉(zhuǎn)換為直流1500V/750V,給接觸網(wǎng)/接觸軌供電;降壓變電站則是將35kV電網(wǎng)電壓降為400V,提供車站的動力和照明電源,同時也是跟隨變電站的進線電源;跟隨變電站無變壓器,是降壓變電站400V側(cè)在地理上的延伸,是為離降壓變電站較遠的地鐵設(shè)備供電。
主變電站、降壓變電站、跟隨變電站與交流電網(wǎng)上的其他變電站并無本質(zhì)的區(qū)別,無論是電氣接線方式還是運行方式均與普通變電站類似,只有直流牽引變電站是地鐵供電系統(tǒng)所特有的。地鐵變電站自動化系統(tǒng)的很多獨特之處也多與直流牽引變電站有關(guān)。
圖1是典型的牽引變電站的電氣接線圖。
圖1中,102、103為進線斷路器,來自于主變電站的2段不同的33kV母線;101、104為出線斷路器,給兩邊相鄰的降壓變電站供電。201、202為直流進線開關(guān);211、212、213、214為直流饋線開關(guān),分別給上行和下行接觸網(wǎng)供電。2112、2134為接觸網(wǎng)分段隔離開關(guān), 僅當該站直流停止供電時才能合上。
2 系統(tǒng)功能
現(xiàn)代意義的變電站自動化系統(tǒng)的功能在IEC61850-5:2003[1]中作了系統(tǒng)、全面的闡述。IEC61850-5將系統(tǒng)的功能從邏輯上分為變電站層、間隔層和過程層3個層次和系統(tǒng)支持功能(如自檢、時鐘同步)、系統(tǒng)配置或維護功能(如測試、配置參數(shù))、運行或控制功能(如遙控)、本地過程自動化功能(如數(shù)據(jù)采集、繼電保護)、分布式自動化支持功能(如聯(lián)鎖、同期)和分布式過程自動化功能(如順控、電壓無功控制),共6種類別。
而傳統(tǒng)意義的變電站自動化系統(tǒng)指的是數(shù)據(jù)采集與處理(SCADA)系統(tǒng)(不包括繼電保護等功能)的子站部分,或稱為遠動終端設(shè)備。
遠動終端設(shè)備可以視為現(xiàn)代意義的變電站自動化系統(tǒng)的一部分。
2002年頒布實施的國家標準《GB/T13729-2002遠動終端設(shè)備》[2],對遠動終端設(shè)備的功能要求作了明確的規(guī)定。鐵道行業(yè)標準《TB/T2831-1997電氣化鐵道牽引供電遠動系統(tǒng)技術(shù)條件》[3]則在引用GB/T13729-1992的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)功能作出了針對行業(yè)應(yīng)用的更為具體的要求。
地鐵變電站自動化系統(tǒng)的功能不僅要符合上述2個有關(guān)遠動終端設(shè)備的標準,還應(yīng)該盡快向即將推出的IEC61850靠攏,將繼電保護、故障錄波等功能有機地、無縫地融入到自動化系統(tǒng)中去。
以下將重點探討幾個具有地鐵變電站典型特征的自動化系統(tǒng)的基本功能。
2.1 遙控功能
《電氣化鐵道牽引供電遠動系統(tǒng)技術(shù)條件》提出的功能要求包括6項內(nèi)容:遙控、遙信、遙測、打印、接口和自檢。遙信、遙測、打印、接口和自檢功能的要求與GB/T13729-2002的要求是基本一致的。而遙控功能則賦予了其更多的內(nèi)涵。
地鐵變電站自動化系統(tǒng)的遙控功能按受控對象的數(shù)量分為單控和程控2種[3]。單控是指對單個對象的控制,也就是通常所指的基本遙控功能;而程控則是對多個對象的程序控制。
單控、程控的概念是地鐵變電站所特有的,不管是單控還是程控,其內(nèi)涵均包括控制和相關(guān)的聯(lián)鎖2部分。
單控聯(lián)鎖功能通常是由受控的間隔層[1]設(shè)備來完成的。例如,牽引變電站直流饋線開關(guān)的合閘,是由安裝于直流開關(guān)柜內(nèi)的保護測控單元來實現(xiàn)的。合閘出口繼電器動作以前,必須進行一系列的聯(lián)鎖邏輯判斷:首先檢查開關(guān)是否處于分位,手車是否處于運行位;然后檢查是否有合閘閉鎖信號;最后進行線路測試,確認無短路后,方可進行合閘。若受控的間隔層設(shè)備無聯(lián)鎖功能,則可由變電站層[1]的通信控制器來完成。
程控功能按操作對象和聯(lián)鎖關(guān)系分為2個層次:
(1)操作對象和聯(lián)鎖關(guān)系均在同一變電站內(nèi),稱為站內(nèi)程控功能。例如,降壓變電站的動力變壓器的停電/恢復(fù),需要對相鄰的多個斷路器進行操作。站內(nèi)程控功能通常由變電站層的通信控制器來完成。
(2)操作對象或聯(lián)鎖關(guān)系涉及多個變電站,稱為站間程控功能。例如,接觸網(wǎng)/接觸軌的越區(qū)供電,需要對多個牽引變電站的多個直流斷路器以及分段隔離開關(guān)進行操作。站間程控功能可由某一變電站的通信控制器來完成,也可由運行控制中心(OCC)電調(diào)主站來完成。前者需將鄰站納入采集和監(jiān)控的范圍,增加了硬件投資,但可脫離OCC電調(diào)運行;后者只能由OCC電調(diào)進行操作,對主站的依賴性太高,不利于緊急情況的處理。所以前一個方案更可取。
值得一提的是,程控并不是簡單的多個單控的組合,因為受控的多個對象之間可能存在復(fù)雜的聯(lián)鎖或閉鎖的關(guān)系。而單控僅存在受控對象與其他非受控對象之間的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系。IEC61850-5中,單控屬于控制和分布式聯(lián)鎖功能的組合,而程控屬于分布式順控和分布式聯(lián)鎖功能的組合。
2.2 網(wǎng)絡(luò)通信功能
GB/T13729-2002提出了一些選配功能,其中的網(wǎng)絡(luò)通信功能也應(yīng)作為地鐵變電站自動化系統(tǒng)的基本功能要求,而不是選配功能。其理由如下:
(1)GB/T13729-2002僅是遠動終端設(shè)備的標準,而地鐵變電站自動化系統(tǒng)不僅包括遠動終端設(shè)備的功能。網(wǎng)絡(luò)通信功能是現(xiàn)代意義的變電站自動化系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)RTU(遠動終端設(shè)備)的本質(zhì)特征之一。
(2)網(wǎng)絡(luò)通信是今后變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。在IEC61850中,網(wǎng)絡(luò)通信是根本,是整個IEC61850思想體系的核心和基礎(chǔ)。在IEC61850-5對功能的分類中,網(wǎng)絡(luò)通信不再是獨立的功能,因為它已是所有功能的基礎(chǔ)。
(3)網(wǎng)絡(luò)通信已在地鐵變電站自動化系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。如本世紀投入運行的上海、廣州地鐵,正在實施的南京、武漢、重慶等地鐵(或輕軌)變電站項目,無一例外的具備了網(wǎng)絡(luò)通信的功能。
事實上,地鐵變電站自動化系統(tǒng)不僅是已具備了網(wǎng)絡(luò)通信功能,而且還在同一個站內(nèi)具備了五花八門的通信硬件和軟件協(xié)議,這與大電網(wǎng)變電站有很大的區(qū)別,因為大電網(wǎng)變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)統(tǒng)一到IEC60870-5-103的標準上,而地鐵變電站(尤其是牽引變電站)自動化系統(tǒng)間隔層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信由于諸多原因尚無法統(tǒng)一。
在通信網(wǎng)絡(luò)短時間內(nèi)不能統(tǒng)一的前提下,地鐵變電站自動化系統(tǒng)要能支持各種通信硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。從長遠看,地鐵變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)也要統(tǒng)一到IEC61850上來。
2.3 繼電保護功能
繼電保護設(shè)備與遠動終端設(shè)備一樣,是現(xiàn)代變電站自動化系統(tǒng)的核心設(shè)備。自從IEC60870-5-103誕生以來,二者就已經(jīng)是一個有機的整體,而不再是2個孤立的子系統(tǒng)。
對于地鐵供電領(lǐng)域來說,除了牽引變電站外,其他類型變電站(如主變電站、降壓變電站)的繼電保護功能與大電網(wǎng)交流變電站的繼電保護功能是完全相同的。而牽引變電站采用直流饋線,使其繼電保護功能具有顯著的差異。
目前,國內(nèi)尚無任何標準對直流牽引變電站的繼電保護功能作出完整的描述,筆者通過對國外保護設(shè)備的研究,認為應(yīng)該具備以下功能:
(1)所有直流斷路器本體必須安裝大電流脫扣保護;
(2)直流饋線以di/dt及ΔI保護為主保護,定時限過流保護、Imax保護或其他類型的保護為后備保護,同時必須具有自動重合閘的功能,采用雙邊供電的還必須具備聯(lián)跳鄰站斷路器的功能;
(3)直流進線則必須有逆流保護;
(4)框架保護。
其他的保護功能可根據(jù)實際需要選配。
3 自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)
地鐵變電站自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)沒有統(tǒng)一的標準或模式,只要滿足系統(tǒng)的所有功能和性能的要求即可。本方案是結(jié)合工程實踐提出的,由于牽引變電站更具有行業(yè)代表性,所以該方案為牽引變電站自動化系統(tǒng)的技術(shù)方案。
3.1 牽引變電站自動化系統(tǒng)構(gòu)成
圖2是本方案的系統(tǒng)構(gòu)成圖,它基于無人值守的牽引變電站,所以系統(tǒng)圖中并未出現(xiàn)人機對話工作站。
圖2中的通信控制器是整個系統(tǒng)的核心和所有數(shù)據(jù)(本站的全部數(shù)據(jù)及鄰站的有關(guān)數(shù)據(jù))的流入點,如果該設(shè)備單機的可靠性不夠高,則可考慮采用冗余配置。冗余不是必需的,所以在圖中顯示的是單機配置。通信控制器完成程控及程控聯(lián)鎖的功能、完成轉(zhuǎn)發(fā)站內(nèi)數(shù)據(jù)至調(diào)度的功能,它通常還帶有一個人機接口,用于簡單的在線運行監(jiān)視。維護計算機用于離線的系統(tǒng)配置、故障診斷的功能。通信控制器和調(diào)試計算機都屬于變電站層的設(shè)備。
圖2中的各種保護測控單元和其他監(jiān)控單元是間隔層設(shè)備,主要完成保護、測量、控制、單控聯(lián)鎖的功
能。介于間隔層設(shè)備與變電站層設(shè)備之間的是通信網(wǎng)絡(luò)。以下將重點描述遙控、網(wǎng)絡(luò)通信功能的實現(xiàn)方案。
3.2 單控及程控實現(xiàn)方案
在地鐵供電領(lǐng)域,有些間隔層設(shè)備是用可編程邏輯控制器(PC)來實現(xiàn)的,甚至早期的變電站層設(shè)備也是用PC來實現(xiàn)的,相應(yīng)的控制、聯(lián)鎖功能也要通過對PC編程來實現(xiàn),PC的編程語言絕大多數(shù)支持IEC1131-3:1993[4]的標準。而同一個站內(nèi),非PC類的通信控制器也要實現(xiàn)程控及聯(lián)鎖功能。為統(tǒng)一起見,通常要求通信控制器也要用符合IEC1131-3標準的編程語言來實現(xiàn)程控。這種方案實際上是最理想的方案,它主要有幾大優(yōu)勢:
(1)符合IEC1131-3標準的編程語言如IL、ST、LD、FBD等均直觀易讀,尤其是LD和FBD,為多數(shù)維護人員所熟悉。運用熟悉的編程語言可減少出錯的可能。
(2)保證全站甚至全地鐵所有變電站的所有設(shè)備使用統(tǒng)一的編程語言,減小了運行管理的難度。
(3)使用IEC1131-3標準,降低了自動化系統(tǒng)制造商在組態(tài)軟件上的開發(fā)風(fēng)險,自行制定的標準往往存在考慮不周的情況。該方案的實現(xiàn)手段如下:
首先,開發(fā)符合IEC1131-3的組態(tài)軟件,該軟件在維護計算機中運行,將易于維護人員掌握的編程語言轉(zhuǎn)換為目標機(如通信控制器)所能識別的機器執(zhí)行代碼,然后將該代碼在線下載到目標機中去。
3.3 通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案
本方案中,間隔層設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)將各種不同的通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一至光纖以太網(wǎng)中來,以太網(wǎng)采用星型連接,即所有設(shè)備通過光纖交換機相連(交換機在圖中未顯示)。以太網(wǎng)作為變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)未來數(shù)年的發(fā)展方向是不可動搖的,光纖介質(zhì)雖然成本較高,但其卓越的電磁兼容性能和長距離通信能力是雙絞線無法比擬的。
本方案中,網(wǎng)關(guān)的作用也是不可或缺的。網(wǎng)關(guān)主要發(fā)揮了以下幾個作用:
(1)大大降低了通信控制器的復(fù)雜程度和CPU(中央處理器)負載。
(2)將不同的通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的通信接口,管理更為簡單。
(3)網(wǎng)關(guān)將不同間隔層設(shè)備之間的相互影響降到了最低。
(4)網(wǎng)關(guān)將間隔層設(shè)備自身的通信網(wǎng)絡(luò)故障隔離在網(wǎng)關(guān)以外,不會影響到通信控制器的正常工作。
本方案以太網(wǎng)的通信協(xié)議的確定也是至關(guān)重要的問題,協(xié)議必須分層、高效、開放、可靠、簡單。現(xiàn)在,物理層和鏈路層已經(jīng)確定為光纖以太網(wǎng)-10baseFL。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議則毫無疑義地應(yīng)當在開放的標準傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)協(xié)議集中選取,在此選擇了用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(UDP/IP),因為UDP傳輸效率要高于TCP,至于其傳輸可靠性低的缺點可由更上層的應(yīng)用層協(xié)議來彌補。提及應(yīng)用層協(xié)議,由于在IEC61850正式出臺以前,尚無任何基于以太網(wǎng)的全站智能電子設(shè)備(IED)的通信協(xié)議,所以應(yīng)用層協(xié)議必須自行確定。
考慮到IEC60870-5-103是基于串行口的全站IED通信協(xié)議,而IEC60870-5-104則是基于以太網(wǎng)的遠動通信協(xié)議。如果將二者有機地結(jié)合,將會得到一個開放、高效、可靠的應(yīng)用層協(xié)議。眾所周知,應(yīng)用層協(xié)議由應(yīng)用規(guī)約控制信息(APCI)和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)2部分組成,如果將適合于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腎EC60870-5-104協(xié)議的APCI和適用于IED通信的IEC60870-5-103協(xié)議的ASDU組合一下,就得到了所期望的結(jié)果。
4 結(jié)語
地鐵變電站自動化系統(tǒng)目前在功能的配置方面已漸趨成熟和全面,但在功能的實現(xiàn)方面還有很長的路要走,功能實現(xiàn)的好壞決定了系統(tǒng)的部分性能的高低,如互操作性、可擴展/裁減性、易維護性等。IEC61850將所有的功能從邏輯上分解為很多的邏輯節(jié)點,并為每種邏輯節(jié)點建立了精確的數(shù)學(xué)模型,全面貫徹IEC61850標準將大大提升系統(tǒng)功能的完善程度,增強系統(tǒng)的性能。
參考文獻:
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