地鐵供配電系統設備狀態在線監測分析

陳哲

（中鐵電氣化局集團第一工程有限公司，北京100029）

1 項目概況

以某市地鐵2 號線供配電系統作為試驗對象進行供配電系統設備狀態在線監測方案設計。在本項目中涉及的供配電設備包括GIS、變壓器、直流開關柜、氣體絕緣開關柜、整流變壓器、配電變壓器、交流以及直流電纜等，構成比較復雜。由于所有的設備都帶電運行，因此，設計的在線監測方案不能對設備正常運行造成干擾，在不停電的狀態下完成設備的安裝調試。

2 地鐵供配電系統設備的基本構成

當前，地鐵供配電系統設備主要包括變壓器、整流器、交流開關、直流開關等。為了適時掌控這些設備的運行狀態，確保供配電系統安全穩定運行，對這些設備進行在線監測勢在必行。

2.1 變壓器

在地鐵供配電系統當中采用的變壓器通常為110kV 三相油浸式變壓器，其主要作用是將110kV 的電源轉換為10kV或者35kV 交流電。變壓器在運行過程中通常容易出現的故障有局部升溫、滲漏油、局部放電、絕緣下降或者消失、異常噪聲等，無論哪種故障都會直接影響到供配電系統的安全運行。

2.2 直流開關

直流開關的主要作用是控制直流牽引電源的正常供給，在系統發生故障時可以快速做出反應，切斷發生故障的電路，確保供配電系統的安全，直流斷路器是直流開關的核心構件[1]。直流開關比較容易出現的故障包括絕緣故障、斷路器故障、局部升溫、觸頭燒損等，這些故障會導致直流開關難以正常發揮作用，從而無法對供配電系統形成保護。

2.3 整流器

整流器的本質是電流變換的裝置，需要和牽引變壓器進行組合使用，當牽引變壓器所供給的交流電通過時整流器將其轉換為直流電。整流器容易出現的故障包括二極管擊穿、局部升溫、絕緣下降或者消失、壓倉電阻、壓敏電阻等。

2.4 低壓400V開關柜

低壓400V 開關柜的主要作用是電所或地鐵站低壓交流負載的供電和保護功能。低壓400V 開關柜比較容易的故障包括絕緣下降或者消失、局部升溫、絕緣閃絡、斷路器故障、絕緣擊穿。

3 地鐵供配電系統設備狀態在線監測方案設計

3.1 系統設計方案

本文擬采用S7-200 的PLC，人機界面選擇TP177A 觸摸屏，其網絡構成如圖1 所示，其中1 號和2 號PLC 控制整流柜中2 個控制器，3 號PLC 控制交流開關和直流開關。

圖1 系統網絡構成圖

3.1.1 MPI 網絡

MPI 指的是多點接口網絡，由西門子研發，主要是用于PLC 系統之間的通信保密協議。利用MPI 網絡可以與S7-200的PLC 組成通信網絡，其對于數據傳輸的速率要求不高，相對的傳輸的數據量也不大，屬于一種比較簡單、性價比高的通信網絡。S7-200 的PLC 支持MPI 通信協議，一個MPI 網絡最高可以允許連接32 個站點，在本方案中連接的個數主要受PLC的CPU 限制，最多可以連接4 個。

3.1.2 交流開關柜、直流開關柜和PLC 的通信

在本方案中，交流開關柜、直流開關柜和PLC 的通信擬用Modbus 通信協議，以3 號PLC 為助戰，利用PORT1 端口實現對交流開關柜的信息采集。直流開關柜的控制器采用S7-300的PLC，二者之間以交叉網線進行連接，從而實現通信。

3.2 軟件設計方案

3.2.1 WinCC flexible

這是一種具有前瞻性、自動化的人機界面軟件，可以用于組態任務工程系統黨總，其設計舒適并且高效，可以針對不同的組態任務設計對應的編輯器，其主要的優勢表現為處理方式比較直接、處理過程靈活性以及透明性較高。

3.2.2 組態項目

用于組態用戶界面的基礎是項目，于項目當中創建并完成所有需要組態的對象，利用這些對象對地鐵供配電系統實現操作以及監測。具體主要包括建立連接、變量、畫面、報警4 方面。

建立連接主要是實現PLC 和觸摸屏的連接，在創建項目的過程中，已經完成了連接參數的設定，定義地址2、10 用于PLC、觸摸屏當中，波特率設定為19.2kb/s，然后在WinCC flexible 當中選擇對應的驅動程序就可以實現通信連接。

變量主要分為內部變量與外部變量，在WinCC flexible 當中，可以實現對變量的集中管理。外部變量主要用于通信，其代表的是PLC 當中已定義的內存位置映像，關于數據類型主要與人際界面設備連接的PLC 有關[2]。PLC 和人機界面設備都可以讀寫已定義的內存位置，支持周期性讀寫，也支持觸發性讀寫。

畫面作為項目的關鍵性元素，因此，可以實現對供配電系統的操作以及監測，在本設計方案中，需要監測的設備包括R11、R12 整流器、開關柜、低壓400V 開關柜、1500V 設備、變壓器等，畫面主要包括文本域以及輸出域，根據設備的類型顯示相關監測信息，以確保工作人員可以掌握供配電系統設備運行狀態。

報警主要用于人機界面設備中，用來指示地鐵供配電系統的操作狀態或者出現的故障。在本設計方案當中，采用的是離散量報警，當直流開關或者其他保護性裝置做出保護動作時，會直接發出警報，并在人機界面設備中顯示報警信息，并且還可以實現對歷次報警信息的存儲，以便于運維人員進行維修。WinCC flexible 會在人機界面設備，也就是觸摸屏上顯示報警視圖，根據不同組態可以同時顯示多項報警信息，并且報警窗口關閉或者打開支持事件觸發。

4 結語

在本項目中采用了上述地鐵供配電系統設備狀態在線監測方案，經過為期1 年的實踐和監測，總結如下：

1）地鐵供配電系統的設備構成比較復雜，涉及多項設備，設備質量會直接影響供配電系統安全穩定運行，通過采用本在線監測方案，可以及時發現設備問題并進行報警，極大地降低設備故障發生的風險，有效保證了供配電系統的運行。

2）對老化的設備或者使用壽命即將終結的設備進行實時監測，可以最大限度地發揮其剩余價值，并根據監測結果適時更新設備。

3）采用供配電系統設備狀態在線監測方案替代停電試驗，可以最大限度地減少停電的時間，并節省用于試驗的費用。

4）目前，各大城市的地鐵運維人員配額為60 人/km，隨著城市地鐵建設規模越來越大，需要投入的人力資源越來越多，采用供配電系統設備狀態在線監測方案，可以有效降低運維人員配額，節省人力資源成本。

總體來說，采用供配電系統設備狀態監測方案以來，取得了良好的效果，極大地提升了地鐵運營效益。