1引言

隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展,智能斷路器和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已在高、低壓配電系統中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。開(kāi)關(guān)量、電量參數都可通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)傳送到中央控制室的計算機上。智能斷路器強大的功能使得參數初始化、組態(tài)、診斷、測試、維護等工作可在控制室完成,提高了整個(gè)系統的自動(dòng)化程度,縮短了故障出現后的響應時(shí)間,增強了系統的可控性,降低了系統的維護成本[1]。由于歷史條件限制,廣州地鐵一號線(xiàn)低壓配電系統采用傳統的備自投裝置,主要由多個(gè)中間繼電器和時(shí)間繼電器組成,在多年運行中出現過(guò)供電可靠性不夠高等問(wèn)題。傳統的低壓系統功能單一,以點(diǎn)對點(diǎn)的方式與上位監控系統連接,其大量的控制電纜造成現場(chǎng)接線(xiàn)和調試工作量大,日后難以維護;設備控制采用繼電器接觸器控制,分離的電氣元件多,接線(xiàn)復雜,可靠性差。因此,地鐵三號線(xiàn)裝備了國內最先進(jìn)的“智能低壓配電系統”,控制線(xiàn)路變得非常簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)化了現場(chǎng)接線(xiàn)和維護檢修工作,保證了高質(zhì)量的地鐵供電要求。

地鐵低壓配電系統是直接向軌道交通中的其它系統提供電能的重要子系統,同時(shí)還負責監測控制通風(fēng)空調、給排水和照明等設備的運行狀態(tài)。由于低壓智能化處于控制系統的最底層,通信網(wǎng)絡(luò )選用現場(chǎng)總線(xiàn)結構,智能元件均具有通信口。智能斷路器用于低壓供配電系統中,作進(jìn)線(xiàn)斷路器、母聯(lián)分段斷路器和部分大電流出線(xiàn)回路的斷路器開(kāi)關(guān)。這些回路中往往要求測量三相電壓電流、頻率、功率因數、有功功率、無(wú)功功率、有功電度、無(wú)功電度等電力參數,在智能供配電系統中又要求“遙測”這些電量,甚至要求“遙信”、“遙控”、“遙調”斷路器開(kāi)關(guān),監視其運行和故障狀態(tài)。

智能低壓系統功能強,可實(shí)現對供配電回路或設備的計量、軟起動(dòng)、變頻、控制、保護、監視、故障診斷、故障報警和預報警等功能。智能低壓系統接線(xiàn)簡(jiǎn)單,通過(guò)通信口與上位監控系統EMCS(機電設備監控系統)、SCADA(電力監控系統)接線(xiàn)。本文主要介紹了智能元件西門(mén)子3WL智能斷路器在地鐵低壓配電中的應用。

　　2西門(mén)子3WL智能斷路器

西門(mén)子3WL智能斷路器內部有通信總線(xiàn)CubicleBUS,具有參數初始化、組態(tài)、診斷、測試、維護功能、遠程控制等特性,在通訊方面有其獨到的應用價(jià)值。3WL智能斷路器附帶測量功能單元、BSS模塊、協(xié)議模塊(Modbus、Profibus兩者可選)和液晶顯示屏[4][5]。在斷路器內部,有一特殊系統總線(xiàn)Cu-bicleBUS作為該結構的中樞。它在SENTRONWL中連接所有智能部件,并允許外部附加部件與斷路器連接。所有CubicleBUS上的模板都可直接訪(fǎng)問(wèn)現有斷路器數據源,以保證快速地訪(fǎng)問(wèn)信息和響應事件。通過(guò)CubicleBUS與各附加模塊(包括數字量輸入輸出模板、模擬量輸出模板)形成各種最有成本效益的自動(dòng)化方案。

2.1斷路器狀態(tài)傳感器BSS

所有微型開(kāi)關(guān)都可采集安裝或連接到BSS模板上的斷路器狀態(tài)。BSS為CubicleBUS提供下列數據:開(kāi)關(guān)合/分信號、脫扣信號、儲能機構儲能信號、合閘準備就緒信號、欠電壓脫扣信號。BSS還含有一個(gè)溫度傳感器,根據安裝場(chǎng)地的不同,測量并傳遞斷路器中的溫度。

　2.2測量功能元件

3WL智能斷路器集成的測量功能單元可以配裝在所有可以連接CubicleBUS的脫扣器上,實(shí)現一個(gè)類(lèi)似多用途測量?jì)x表的功能,并提供良好的對外輸出?？赏瓿蓽y量的參數如下:電流、電壓、功率、能量、功率因數、頻率等。這些參數逐個(gè)測量,分別包括實(shí)際值,最小值/最大值,測量功能單元也可以完成附加的保護功能。增強型測量功能單元具有兩個(gè)附加的波形緩存,并支持諧波分析,可以實(shí)現通過(guò)故障事件發(fā)生的詳細診斷。

　2.3通訊協(xié)議模塊 信息請登陸:輸配電設備網(wǎng)

使用COM15Profibus模塊,斷路器可直接連接到PofibusDP或Modbus。它支持創(chuàng )新性的DPV1功能,保證最簡(jiǎn)單的調試和診斷以及最佳的可視界面。通過(guò)使用COM15接口,采用必要的附件設備,SENTRONWL可實(shí)現遙控合閘/分閘,以及遙控修改斷路器參數。斷路器的位置可通過(guò)微型開(kāi)關(guān)在COM15上進(jìn)行采集和傳輸。集成在COM15中的溫度傳感器可采集斷路器以外的溫度并傳輸,集成的時(shí)鐘為所有事件及參數值添加時(shí)間標記并實(shí)現同步。

　3智能低壓配電系統結構

在地鐵智能低壓配電系統中,大量使用了3WL智能斷路器。智能低壓配電系統由智能斷路器、小型PLC呈智能I/O、現場(chǎng)總線(xiàn)等組成,并通過(guò)智能通信接口模塊與SCADA連接。智能低壓配電系統示意圖如圖1所示。整個(gè)低壓部分有眾多開(kāi)關(guān)柜,除完成正常的輸配電功能,還要具備通訊功能與上位機組網(wǎng),形成低壓配電監控裝置遠程組態(tài)、診斷、測試、維護等功能,進(jìn)行低壓電網(wǎng)運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監測,及時(shí)發(fā)現和定位電網(wǎng)故障。

智能低壓配電要求通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現低壓配電智能化,采集分變電所中各配電段的電參量信息、斷路器狀態(tài)信息,實(shí)現對各分變電所的遙控、遙測、遙調、遙訊,以便管理人員及時(shí)發(fā)現問(wèn)題,處理突發(fā)事件。通過(guò)使用3WL智能斷路器,使得地鐵智能低壓配電系統在低壓電網(wǎng)初始化參數、組態(tài)、診斷、測試、維護及能量管理方面打開(kāi)了全新局面。

　　3.1MODBUS通訊協(xié)議

3WL智能斷路器可以完成與Modbus、Profibus的組網(wǎng),地鐵智能低壓配電系統應用的是Modbus[7]。Modbus是MODICON公司為其生產(chǎn)的PLC設計的一種通信協(xié)議,從功能上可認為是一種現場(chǎng)總線(xiàn)。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪(fǎng)問(wèn)其它設備的過(guò)程,如回應來(lái)自其它設備的請求,以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

當在一Modbus網(wǎng)絡(luò )上通信時(shí),此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設備地址,識別按地址發(fā)來(lái)的消息,決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應,控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò )上,包含了Modbus協(xié)議的消息轉換為在此網(wǎng)絡(luò )上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網(wǎng)絡(luò )解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

控制器通信使用主-從技術(shù),主設備可單獨和從設備通信,也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信,從設備返回一消息作為回應,如果是以廣播方式查詢(xún)的,則不作任何回應。Modbus通信有2種模式:ASCII和RTU模式。一個(gè)Modbus通信系統中只能選擇一種模式,不允許2種模式混合使用。本文采用RTU模式,整個(gè)消息幀作為一連續的流傳輸,傳輸速率較ASCII模式高。

3.2地鐵工程通訊網(wǎng)絡(luò )

圖2為地鐵智能低壓配電系統通訊網(wǎng)絡(luò )結構示意圖。在此網(wǎng)絡(luò )中,處于低壓配電室的進(jìn)線(xiàn)柜、聯(lián)絡(luò )柜中的3WL斷路器將采集到如電壓、電流、功率因數、斷路器狀態(tài)等各種參數,通過(guò)和它相連接的RS485送至本變電室光電接口,在光電轉換器處將電氣信號轉換為可以在光纖網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行遠傳的光信號。從遠端傳輸來(lái)的光信號經(jīng)過(guò)NSC100轉換為RS232電氣標準信號,再由NPort5610轉換為適用于以太網(wǎng)的協(xié)議語(yǔ)言。

在中央控制室,值班人員就可在PC機上看到所有配電室的設備運行狀況,隨時(shí)處理發(fā)生的緊急狀況,從而避免出現問(wèn)題后由于信息閉塞而帶來(lái)設備損毀的可能。技術(shù)工程師可在此時(shí)對各開(kāi)關(guān)進(jìn)行參數設置、組態(tài)、診斷、測試、維護等。

　　3.3 3WL智能斷路器的遠程控制設計

地鐵智能低壓配電系統中3WL智能斷路器通訊協(xié)議模塊采用COM15,與CubicleBUS相連的BSS和測量功能單元分別采集斷路器的開(kāi)關(guān)量和電氣參數,并提供給CubicleBUS內部總線(xiàn),并通過(guò)COM15轉換為外部網(wǎng)絡(luò )可識別的Modbus協(xié)議。其電氣連接協(xié)議為RS485串行接口。3WL斷路器通過(guò)BSS、測量功能單元、通訊協(xié)議模塊的幾個(gè)關(guān)鍵組成部件來(lái)傳輸配電系統所有電氣參數。

通過(guò)COM15模塊智能斷路器可以支持工業(yè)標準Modbus協(xié)議。而進(jìn)行通訊連接的是在斷路器COM15模塊前面的9針RS485接口。地鐵智能低壓配電系統的通訊連接是被安裝在配電室內的西門(mén)子8PT開(kāi)關(guān)柜里,每個(gè)3WL智能斷路器作為通訊網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)終端,變電室用戶(hù)可通過(guò)RS485標準的屏蔽雙絞線(xiàn)將其連接到上位機,組成控制網(wǎng)絡(luò )。COM15模塊相當于一個(gè)數據中轉站,其中以數據集的形式來(lái)組織數據。每數據集包含一組通用寄存器。COM15共有28個(gè)數據集。這樣的數據結構有利于總線(xiàn)的讀取和訪(fǎng)問(wèn),可在一條消息中包含一個(gè)數據塊。這種存取有利于整個(gè)Modbus快捷有效的工作,網(wǎng)絡(luò )可通過(guò)COM15模塊而實(shí)現遠程分合閘。地鐵智能低壓配電系統主電路方案如圖3所示,其根本思想即通過(guò)3個(gè)斷路器中的任意2個(gè)合閘來(lái)保證整段設備持續供電,這其中包括3個(gè)斷路器之間的連鎖控制。

智能低壓控制系統采用的是單總線(xiàn)結構?？紤]到系統可靠性要求,對于設備較多可靠性要求較高時(shí)采用多條單總線(xiàn)形式[5]。如:一個(gè)車(chē)站環(huán)控電控室選用3條現場(chǎng)總線(xiàn);區間及車(chē)站變電所選用1條現場(chǎng)總線(xiàn)。對于3號線(xiàn),SCADA供貨商選用設備本身具有3個(gè)通信可掛3條現場(chǎng)總線(xiàn)。智能低壓控制系統示意圖如圖4所示。

4結語(yǔ)

智能低壓系統的采用不僅完善了環(huán)控設備的保護功能、提高了系統的可靠性,簡(jiǎn)化了低壓配電系統與EMCS的接口。實(shí)現了地鐵運營(yíng)管理的實(shí)時(shí)、可靠、快速的要求。設置在環(huán)控電控室的設備人機操作界面,便于就地進(jìn)行各個(gè)智能模塊的參數設定和查詢(xún)。同時(shí)由于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用,系統中智能化元件可不依賴(lài)計算機網(wǎng)絡(luò )而獨立運行,具有強抗干擾能力。新型智能低壓系統避免了廣州地鐵一、二號線(xiàn)采用傳統的低壓配電系統和傳統的繼電器、接觸器控制方式的不足。由于系統功能提高和控制接線(xiàn)的簡(jiǎn)化,提高了系統可靠性和自動(dòng)化程度,大為縮短了系統的安裝調試時(shí)間,同時(shí)提高了系統的可維護性。