地鐵牽引變電站直流開關(guān)柜控制裝置的升級改造

郭 志

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司，201106，上海∥高級工程師）

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營格局的成型，地鐵的運(yùn)營對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。在上海軌道交通線路中，1 號線變電站的運(yùn)行歷史最長，隨著運(yùn)行時間的增長，供電設(shè)備在運(yùn)行過程中也出現(xiàn)過多種運(yùn)行故障。本文以上海軌道交通1號線牽引變電站饋線開關(guān)的自動控制裝置為研究對象，著重介紹該裝置在運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的問題，并對該自動控制裝置的替換可行性進(jìn)行分析和研究。

上海軌道交通1 號線牽引變電站饋線開關(guān)保護(hù)和控制采用的SIEMENS 公司早期的模塊化保護(hù)裝置3UB61 和S5-95U 系列控制模塊組合來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的保護(hù)和控制功能，屬于直流牽引系統(tǒng)早期的保護(hù)配置形式。隨著線路運(yùn)行時間的增加，該控制裝置內(nèi)的控制模塊已經(jīng)進(jìn)入電子產(chǎn)品的老化周期，而且該類型的控制模塊也已停產(chǎn)，市面上存貨量非常有限，造成該控制模塊在設(shè)備故障的情況下，無法進(jìn)行可靠的更換，因而影響到直流系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

為提高牽引系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保證地鐵線路的正常運(yùn)行，需對該部分保護(hù)和控制模塊的功能進(jìn)行分析，并對該控制裝置的模塊替換進(jìn)行研究，從技術(shù)上提高直流牽引饋線開關(guān)控制模塊的可靠性，以保證直流控制裝置的可靠運(yùn)行。

1 直流饋線開關(guān)保護(hù)和控制模塊功能介紹

在上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中，地鐵直流牽引系統(tǒng)主要包括了整流變壓器、整流器和直流開關(guān)柜等主要部件。其電氣結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 直流牽引系統(tǒng)示意圖

整流機(jī)組將33/35 kV 的交流電壓整流為1 500 V 左右的直流電壓，所輸出的直流電通過進(jìn)線電纜送到牽引變電站內(nèi)的直流母排；直流饋線開關(guān)通過上網(wǎng)電纜給接觸網(wǎng)供電，地鐵車輛通過受電弓對接觸網(wǎng)取流，構(gòu)成整個牽引供電系統(tǒng)的供、用電過程。直流牽引饋線供電示意圖如圖2 所示。饋線直流開關(guān)的操作利用直流保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)控制，以保證直流牽引供電系統(tǒng)的可靠和安全運(yùn)行。

圖2 直流饋線開關(guān)控制示意圖

在上海軌道交通1 號線牽引變電站直流饋線柜內(nèi)部，配置了一套直流開關(guān)控制模塊，采用SIEMENS 早期的S5-95U 系列PLC 來實(shí)現(xiàn)。主要功能包括各類外部操作、給就地和遠(yuǎn)方操作提供相應(yīng)的開關(guān)量輸入接口，并將裝置的內(nèi)部響應(yīng)傳送到輸出接口。

自動控制裝置同時接收直流保護(hù)模塊3UB61的輸出信號，并將該保護(hù)信號轉(zhuǎn)發(fā)至站控中央信號屏，并在開關(guān)就地的信號指示器內(nèi)顯示相應(yīng)的保護(hù)動作信號，對開關(guān)的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行控制。直流開關(guān)柜內(nèi)控制和保護(hù)裝置的連接示意圖如圖3 所示。

圖3 直流開關(guān)柜內(nèi)控制和保護(hù)裝置連接示意圖

在直流開關(guān)運(yùn)行過程中，直流保護(hù)裝置3UB61采樣開關(guān)饋線電流，并根據(jù)饋線電流的變化特性對故障電流進(jìn)行判斷。在電流變化特性符合保護(hù)設(shè)定的情況下，通過該保護(hù)裝置的電容脫扣模塊，迅速將直流高速開關(guān)斷開，避免故障電流影響牽引供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

上海軌道交通1 號線牽引變電站饋線開關(guān)的直流保護(hù)裝置設(shè)置了直流增量電流的速斷和延時動作兩種保護(hù)，用來保護(hù)牽引供電系統(tǒng)所供接觸網(wǎng)區(qū)間的近端和遠(yuǎn)端短路保護(hù)，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。而直流開關(guān)柜內(nèi)其他保護(hù)和控制功能均通過S5-95U 系列控制裝置編程控制來實(shí)現(xiàn)。

SIEMENS 的S5-95U 系列PLC 是上個世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，在1 號線牽引變電站內(nèi)該類型控制裝置主要分為以下幾個功能：

1）過流保護(hù)和開關(guān)溫度保護(hù)。

2）各類直流開關(guān)柜柜面的操作和遠(yuǎn)動操作，就地、遠(yuǎn)方的分合閘指令。

3）與本柜開關(guān)有聯(lián)動邏輯的其他動作指令，如框架、鄰站聯(lián)跳保護(hù)動作信號。

4）各類保護(hù)動作信號的輸出，報警信號傳送給中央信號屏等。

5）直流開關(guān)柜自動重合閘部分的邏輯判斷和操作。

2 控制模塊的升級改造

2.1 升級的原則

S5-95U 系列控制裝置的升級主要從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行。其硬件和軟件的升級應(yīng)遵循以下兩個原則：

1）硬件平臺的一致性。考慮設(shè)備運(yùn)行的需要，選取的新硬件平臺與現(xiàn)有直流開關(guān)柜內(nèi)其他硬件的接口部分保持一致，使硬件平臺在現(xiàn)有直流開關(guān)柜改造過程中保持連接線數(shù)量不變，維持現(xiàn)有直流開關(guān)柜內(nèi)部的接線方式。本次硬件的替換采用西門子新一代邏輯控制器件S7-300 系列，其簡化的連接方式和免維護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)組態(tài)的控制裝置硬件的可靠性，保證牽引饋線開關(guān)在新硬件平臺上可靠運(yùn)行，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

2）軟件升級的功能一致性。在硬件平臺確定使用SIEMENS 產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，軟件編程采用與硬件平臺相適應(yīng)的Step7 語言來實(shí)現(xiàn)。由于Step5 語言的硬件描述語言與Step7 語言的硬件描述語言在操作指令上存在差異，因此，系統(tǒng)軟件在重構(gòu)過程中需要對結(jié)構(gòu)和語言重新編寫，以保證整個控制程序各個功能模塊與現(xiàn)有控制系統(tǒng)一致。

2.2 硬件部分組態(tài)

在硬件選取過程中，直流開關(guān)柜內(nèi)控制模塊所組成的硬件平臺中包括CPU（中央處理器）控制模塊，模擬量輸入模塊（AI）、數(shù)字量輸入模塊（DI）和數(shù)字量輸出模塊（DO）這4 種類型的硬件模塊。其中，輸入輸出模塊的選擇是嚴(yán)格按照直流牽引系統(tǒng)直流開關(guān)柜內(nèi)S5-95U 系列的輸入輸出模塊的電氣參數(shù)進(jìn)行選擇，電氣參數(shù)和驅(qū)動能力都進(jìn)行相應(yīng)匹配，保證輸入量的準(zhǔn)確性和輸出量的驅(qū)動能力，以完整實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。

2.3 軟件部分重構(gòu)

在控制裝置升級替換中，軟件部分功能代碼的升級是核心部分，主要涉及不同類型信號的邏輯輸入和驅(qū)動輸出，以及中間過程的判斷與控制。該部分的研究是整個裝置升級能否成功的關(guān)鍵。為保證各個功能模塊的順利重構(gòu)，首先對原有程序說明文檔進(jìn)行詳細(xì)的分析，并根據(jù)分析結(jié)果，匯總得到程序控制總體結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)為：輸入信號→輸入信號的預(yù)處理→開關(guān)操作的邏輯判斷→自動重合閘邏輯判斷→信號的報警指令操作→處理采樣到的模擬信號→信號的輸出判斷。其中，軟件的輸入部分將各類與控制開關(guān)相關(guān)聯(lián)的信息通過DI 和AI 將信號采集到CPU 的中間寄存器中；然后，在邏輯功能模塊中對輸入信號進(jìn)行處理，將輸入信號進(jìn)行各種邏輯狀態(tài)的組合，并得出所需要的開關(guān)狀態(tài)信號，根據(jù)所得到的狀態(tài)信號操作開關(guān)。該狀態(tài)信號在開關(guān)分閘的情況下傳送給自動重合閘邏輯判斷模塊，并根據(jù)狀態(tài)變量的變化情況決定是否啟動自動重合閘程序。

所有的操作指令過程結(jié)束后，CPU 內(nèi)部輸入的狀態(tài)信息通過中間變量的邏輯操作，將得到的邏輯運(yùn)算結(jié)果傳遞給輸出狀態(tài)中間寄存器；在信號的報警和輸出模塊內(nèi)將該部分寄存器的狀態(tài)信息通過DO 輸出到直流開關(guān)柜本體的各類顯示裝置或通過信號傳輸線將信號發(fā)送給中央信號屏。而控制裝置在故障情況下，該部分輸出信號還會驅(qū)動報警信號回路，并完成信號處理的整個流轉(zhuǎn)過程。

2.4 控制軟件的代碼調(diào)試

考慮到控制裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在軟件的代碼調(diào)試過程中，采取按功能分類調(diào)試的步驟進(jìn)行，這樣可簡化復(fù)雜的調(diào)試工作。

代碼重構(gòu)采用的是Step7 語言，因此本次代碼的模擬調(diào)試采用SIEMENS PLCSIM 軟件進(jìn)行代碼調(diào)試。其主要圍繞以下幾個功能塊進(jìn)行：①就地的分、合閘操作調(diào)試及功能驗(yàn)證。②遠(yuǎn)方的分、合閘操作調(diào)試及功能驗(yàn)證。③手柄閉鎖，本站和鄰站的框架以及鄰站聯(lián)跳等信號的動作特性的驗(yàn)證。④各類信號輸出的驗(yàn)證等。⑤直流開關(guān)柜自動重合閘的動作特性驗(yàn)證。

在以上所有各類信號動作特性的調(diào)試過程中，為使各類調(diào)試更為簡捷和直觀，采用了PLC 通信程序?qū)LC 的狀態(tài)寄存器以及PLC 的各類運(yùn)行信息進(jìn)行處理和分析。

實(shí)際測試結(jié)果表明，控制裝置軟件的代碼升級取得了很好的效果，各個功能模塊均實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

2.5 控制裝置的控制功能驗(yàn)證

直流開關(guān)運(yùn)行過程中，在發(fā)生本站的直流增量電流速斷和延時動作保護(hù)，以及鄰站聯(lián)跳等保護(hù)動作和開關(guān)在分位狀態(tài)下操作合閘的過程中，控制程序會進(jìn)入到自動重合閘（或測試合閘）的功能處理模塊中，并根據(jù)信號檢測結(jié)果來判斷是否驅(qū)動輸出模塊使直流開關(guān)變位。整個合閘過程可分為兩種結(jié)果：

1）母線測試電壓不正常：在該情況下，母線電壓繼電器無法動作，表示從母排到接觸網(wǎng)及鋼軌之間有短路情況；在該操作過程中，對照該類情況下PLC 的內(nèi)部輸入和輸出狀態(tài)序列可以看出，在母線無電壓的情況下，經(jīng)過5 次測試合閘后，控制器會輸出持續(xù)短路或開關(guān)本體故障信號，并將信號發(fā)送到遠(yuǎn)方顯示裝置上，用來驅(qū)動就地及遠(yuǎn)方的聲光報警設(shè)備。

2）電壓繼電器正常，直流開關(guān)柜內(nèi)部操作機(jī)構(gòu)無法正常合閘：通過PLC 的通信程序，可以得到在該狀態(tài)下PLC 的控制合閘順序操作序列。在母線電壓正常情況下，控制裝置通過電壓繼電器的輸出接點(diǎn)，在線路測試的過程中會將電壓正常的狀態(tài)信號輸入，然后操作直流開關(guān)的輸出點(diǎn)位的指令，由操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行操作。通過序列分析，在電壓繼電器正常情況下，測試合閘程序可執(zhí)行4 次的測試操作，在該類牽引變電站中的開關(guān)動作特性比較特殊，而且模擬中疊加了操作機(jī)構(gòu)故障的信息，所以出現(xiàn)了最終無法合閘的柜體故障信號。該類信息會通過控制裝置的輸出模塊，將信號輸出到聲光報警設(shè)備中，作為運(yùn)行人員處理該類故障的參考信息。

通過PLC 通信軟件的信息反饋，可以得到該控制裝置其他各類操作和功能的運(yùn)行結(jié)果，通過對控制裝置動作結(jié)果分析，可以驗(yàn)證該控制裝置升級的可行性和功能完整性。

3 結(jié)語

本文通過對上海軌道交通1 號線直流控制裝置的各項(xiàng)控制功能進(jìn)行分析，以直流饋線開關(guān)控制模塊的功能研究作為起點(diǎn)，在功能分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套能夠與現(xiàn)有的S5-95U 系列控制功能相同的控制模塊，并針對所開發(fā)的模塊，采用模擬軟件進(jìn)行了相應(yīng)的功能驗(yàn)證，對控制模塊替換升級的可行性進(jìn)行了全面驗(yàn)證。可為今后控制裝置的項(xiàng)目改造提供參考。