城市軌道交通主變電站信號集中控制設(shè)備升級改造

陳文昊

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司, 200335, 上海)

上海軌道交通7號線(以下簡稱“7號線”)新村路110 kV主變電站信號集中控制設(shè)備采用上海智達(dá)智能科技股份有限公司提供的ZD1000電廠/變電站自動化系統(tǒng)。截至目前,7號線主變電站已運(yùn)營了10年之久。隨著主變電站運(yùn)行時間的增加,站內(nèi)信號設(shè)備逐漸進(jìn)入老化周期,設(shè)備在運(yùn)營期間會不定期出現(xiàn)SCADA(監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)遙信信號紊亂,遙控信號延遲近10 min等現(xiàn)象,直接影響到7號線供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

為了使城市軌道交通供電系統(tǒng)更加穩(wěn)定和可靠,使城市軌道交通線路運(yùn)行得到充分保障,需在保證主變電站內(nèi)信號集中控制設(shè)備功能不變的前提下,對現(xiàn)有信號設(shè)備進(jìn)行升級改造。

1 變電站信號集中控制設(shè)備功能介紹

在上海軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)中,變電站信號集中控制系統(tǒng)主要分為站控層(包含監(jiān)控與管理系統(tǒng))、通信網(wǎng)絡(luò)層(包含電纜通信、光通信及網(wǎng)絡(luò)通信)、間隔層(包含間隔測控單元與微機(jī)保護(hù)裝置)。ZD1000信號集中控制設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 ZD1000信號集中控制設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

主變電站信號集中控制系統(tǒng)采用雙機(jī)雙網(wǎng)冗余模式以保證其運(yùn)行可靠。主變電站內(nèi)設(shè)備采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),各測控單元相互獨(dú)立,通過現(xiàn)場總線將各模塊連接以完成間隔層的各項功能。

主變電站監(jiān)控與管理系統(tǒng)位于變電站主控室內(nèi),通過設(shè)置1臺后臺監(jiān)控主機(jī)與通信處理機(jī)連接,完成站內(nèi)數(shù)據(jù)集中的功能,同時也作為變電站內(nèi)系統(tǒng)控制的人機(jī)接口,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)就地監(jiān)視、控制功能;此外還安裝了1個工程師站,以執(zhí)行配置和維護(hù)系統(tǒng)功能等任務(wù),包括修改和輔助開發(fā)應(yīng)用程序,更改監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)置,編輯或修改在線畫面和報表,以及定義、增刪系統(tǒng)測點(diǎn)等。ZD1000信號集中控制設(shè)備中的監(jiān)控與管理系統(tǒng)作為軟件平臺運(yùn)用于變電與配電自動化系統(tǒng),它是在 Microsoft 32位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā),在Windows 2000/NT/XP環(huán)境中運(yùn)行。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理、歷史記錄、界面監(jiān)控、事件查詢、報告管理、打印管理及用戶管理等功能。

主變電站間隔層ZD200M間隔測控裝置和微機(jī)保護(hù)設(shè)備采用就地安裝的方式,即保護(hù)和測控單元分散安裝在各設(shè)備小間內(nèi),模擬量、開關(guān)數(shù)字信號通過光纖、雙絞線、以太網(wǎng)通信上報給后臺監(jiān)控主機(jī),對主變電站及監(jiān)控與管理系統(tǒng)的命令進(jìn)行接收并執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測量、控制及信號監(jiān)視功能,在整個信號集中控制系統(tǒng)與主變電站內(nèi)一次設(shè)備間起到接口作用。

通信網(wǎng)絡(luò)層是聯(lián)系間隔層和監(jiān)控與管理系統(tǒng)的重要組成部分,兩臺通信管理單元以互為主備的方式收集全站的實(shí)時信息數(shù)據(jù),同時在遠(yuǎn)方調(diào)度系統(tǒng)接收所管轄的變電站信息數(shù)據(jù)。

2) POD數(shù)據(jù)處理核心模塊的主要功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行POD分析，包括POD分解(進(jìn)行POD分解計算，分別計算特征值、特征模態(tài)和模態(tài)系數(shù))、POD重構(gòu)(基于POD分解得到的特征值、模態(tài)和模態(tài)系數(shù)對流場進(jìn)行重構(gòu))和相位平均(基于重構(gòu)的流場進(jìn)行相位平均，同時計算流場瞬態(tài)相位角和相位流場信息等)等3個子模塊[4, 8, 10-11] 。

2 信號集中控制設(shè)備的升級改造

2.1 升級改造的原則

新村路主變電站信號集中控制設(shè)備的升級改造主要從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行。其升級改造也應(yīng)遵循硬件平臺一致性和軟件功能一致性原則。

1) 硬件平臺的一致性:考慮到既有設(shè)備的運(yùn)行需要,選取的新硬件設(shè)備與既有設(shè)備的接口部分應(yīng)保持一致。新設(shè)備在改造完成后應(yīng)能夠與既有設(shè)備正常連接、運(yùn)行。

2) 軟件功能的一致性:本次設(shè)備改造后所使用的新軟件在保證穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,還應(yīng)保持與舊軟件在使用方式及功能上的一致性。

本次改造采用上海新華控制技術(shù)集團(tuán)科技有限公司(以下簡稱“新華”)生產(chǎn)的TISNET P-600變電站自動化控制系統(tǒng)替換原有的ZD1000電廠/變電站自動化系統(tǒng)。TISNET P-600變電站自動化控制系統(tǒng)以32位CPU(中央處理器)組成的控制器為核心,該P(yáng)LC(可編程邏輯控制器)系統(tǒng)涵蓋了主流的Modbus通信協(xié)議、PROFIBUS(過程現(xiàn)場總線)、TCP(傳輸控制協(xié)議)/IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)等通信方式,可根據(jù)工況要求靈活配置I/O(輸入/輸出)模塊,能很好地滿足變電站穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

目前,TISNET P-600變電站自動化控制系統(tǒng)已應(yīng)用于7號線牽引、降壓變電站中,該系統(tǒng)在可靠性、可用性及可維護(hù)性方面均已得到充分認(rèn)證。同時,7號線所使用的XICSC-100綜合監(jiān)控系統(tǒng)也由新華提供。與舊有的智達(dá)ZD1000監(jiān)控系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)信號傳輸效率更高,且與中央SCADA的聯(lián)動效果也更好。

為確保7號線供電系統(tǒng)SCADA正常運(yùn)行,站內(nèi)綜保、消防等設(shè)備均不作改動。改造后的信號集中控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 信號集中控制系統(tǒng)改造后設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖

本次改造的主要目的,是解決變電站內(nèi)SCADA站控操作與遠(yuǎn)程操作延遲嚴(yán)重,故障報警頻繁誤報等問題。本次改造的技術(shù)難點(diǎn),在于新舊系統(tǒng)的集成度、信號傳輸方式存在差異。對信號接線端子的數(shù)量、綜保信號的傳輸方式作出修改的同時,必須保證變電站其他相連設(shè)備可以不受影響地正常運(yùn)行。

2.2 設(shè)備硬件的改造

設(shè)備硬件改造的主要內(nèi)容可分為3個方面:① 信號集中機(jī)柜的改造;② 110 kV主變電站保護(hù)測控裝置的改造;③ 綜保設(shè)備串口信號的改造。

2.2.1 信號集中機(jī)柜的改造

新的變電站信號集中控制系統(tǒng)采用了分散控制、集中管理的模式。在改造中將拆除原有的信號集中柜,并在原處安裝新的信號集中機(jī)柜,并將原機(jī)柜內(nèi)的ZD1000系統(tǒng)信號集中機(jī)柜整體棄用。新機(jī)柜內(nèi)配有TISNET P-600變電站自動化控制系統(tǒng)設(shè)備與XCCU(新華通信控制器)設(shè)備。改造中將站內(nèi)各處設(shè)備信號通過光纖傳輸至新機(jī)柜內(nèi)以太網(wǎng)交換機(jī),再以以太網(wǎng)信號的形式同時傳輸至本地人機(jī)界面、本地工程師站、TISNET P-600 PLC、XCCU中。傳輸至XCCU中的信號再以主、備用兩路形式通過相互獨(dú)立的若干個光電轉(zhuǎn)換器將光纖信號傳輸至控制中心等外部單位。新機(jī)柜內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 新機(jī)柜內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 110 kV主變電站保護(hù)測控裝置的改造

經(jīng)現(xiàn)場排摸發(fā)現(xiàn),因舊有系統(tǒng)的主變電站測控裝置ZD200-M使用非標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議,與新系統(tǒng)采用的IEC 60870-5-104規(guī)約不匹配。因此,需拆除1#、2#主變電站保護(hù)測控柜內(nèi)的ZD200-M主變電站測控裝置各1臺,在兩柜內(nèi)各新增1臺TISNET P-600 PLC設(shè)備,將主變電站測控信號柜內(nèi)硬接點(diǎn)信號連接至其中,再通過以太網(wǎng)信號傳輸至旁邊新柜內(nèi)的XCCU通信控制器,最終全部接入監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)。

2.2.3 綜保設(shè)備串口信號的改造

考慮到主變電站內(nèi)110 kV、35 kV設(shè)備的位置與信號集中柜距離較遠(yuǎn),且長時間處于電壓等級較高的電氣環(huán)境中,因此,此次信號設(shè)備改造中,可對綜保設(shè)備信號的傳輸也一并進(jìn)行優(yōu)化。現(xiàn)將綜保設(shè)備采集的RS422、RS485信號通過新增的Moxa串口設(shè)備就地集中后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光纖信號再傳入信號集中柜內(nèi)。接入信號集中柜后,通過以太交換機(jī)將光纖信號轉(zhuǎn)換后接入PLC。

相對于直接使用Modbus通信協(xié)議總線制,光纖傳輸抗電磁干擾能力更強(qiáng),同時也可有效避免單個設(shè)備輪詢時間過長的情況,更適合在110 kV變電站這種設(shè)備較多、電磁干擾較大的環(huán)境中使用。

綜上,此次改造方案的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰明了、接入方便、改造徹底,提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.3 軟件部分改造

在軟件方面,原有工作站及其監(jiān)控系統(tǒng)軟件廢棄不再使用。使用新的工程師工作站,并啟用與TISNET P-600控制系統(tǒng)配套的XICSC-100軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)采用IEC 60870-5-104規(guī)約,同時選用Unix系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺,相對于ZD1000使用的Windows XP 32位系統(tǒng)更加安全,符合當(dāng)下對網(wǎng)絡(luò)安全的要求,并提高了可靠性。

2.4 系統(tǒng)的調(diào)試與功能驗(yàn)證

從供電系統(tǒng)管理的角度出發(fā),主變電站信號集中控制系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容主要分為供電設(shè)備單體單系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)間綜合聯(lián)調(diào)。

供電設(shè)備單體與單系統(tǒng)調(diào)試主要是對設(shè)備本體或供電系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)校驗(yàn)、邏輯閉鎖及功能驗(yàn)證,同時也是系統(tǒng)間綜合聯(lián)調(diào)的必要前提。單系統(tǒng)調(diào)試主要是為了滿足供電系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備間的邏輯閉鎖,以及保護(hù)功能的完善。單系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容主要包括 35 kV GIS(氣體絕緣開關(guān)柜)間的功能驗(yàn)證,35 kV綜合保護(hù)模塊的邏輯功能、差動保護(hù)的驗(yàn)證。

系統(tǒng)間綜合聯(lián)調(diào)主要以模擬主變電站單母線失電與整座主變電站解列的情況下,由另一座主變電站一路母線或兩路母線通過環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行支援供電的情況,即主要驗(yàn)證在運(yùn)營期間突發(fā)上級電網(wǎng)故障導(dǎo)致的主變電站一路母線故障后,本站 35 kV 母線分段開關(guān)自動投入, 由本站另一路母線支援供電,并對下級負(fù)載極差的綜合保護(hù)整定值配置進(jìn)行驗(yàn)證。在SCADA 的聯(lián)調(diào)中,以無人值守變電站為考量,在無人值守的情況下,運(yùn)管中心調(diào)度能夠完全通過遙控手段對整個變電站實(shí)行停、復(fù)役的操作,并能夠?qū)φ緝?nèi)設(shè)備的重要數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測、遙調(diào)及采集。同時,為了滿足應(yīng)急處置響應(yīng)效率與延長運(yùn)行的需要,增加了對直流牽引系統(tǒng)的遠(yuǎn)程故障復(fù)位與程序控制的驗(yàn)證。

3 結(jié)語

本文研究了7號線主變電站信號集中控制系統(tǒng)的升級改造。選定了新平臺,在選定的新平臺上重建了控制代碼。優(yōu)化了信號傳輸方式,使設(shè)備信號傳輸更加穩(wěn)定可靠。驗(yàn)證和調(diào)試了新硬件平臺的功能。從試驗(yàn)結(jié)果可得知,新裝置在完全具備舊有裝置功能的同時,顯著提高了主變電站信號集中控制系統(tǒng)的工作效率,解決了變電站由于信號干擾導(dǎo)致的頻繁誤報警現(xiàn)象。后續(xù)類似控制設(shè)備的升級改造可借鑒此成果。