3WL智能斷路器在地鐵低壓配電中的應(yīng)用

1引言
      隨著自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展,智能斷路器和現(xiàn)場總線技術(shù)已在高、低壓配電系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。開關(guān)量、電量參數(shù)都可通過現(xiàn)場總線傳送到中央控制室的計(jì)算機(jī)上。智能斷路器強(qiáng)大的功能使得參數(shù)初始化、組態(tài)、診斷、測試、維護(hù)等工作可在控制室完成,提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,縮短了故障出現(xiàn)后的響應(yīng)時(shí)間,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可控性,降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本[1]。由于歷史條件限制,廣州地鐵一號(hào)線低壓配電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)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(yùn)行中出現(xiàn)過供電可靠性不夠高等問題。傳統(tǒng)的低壓系統(tǒng)功能單一,以點(diǎn)對點(diǎn)的方式與上位監(jiān)控系統(tǒng)連接,其大量的控制電纜造成現(xiàn)場接線和調(diào)試工作量大,日后難以維護(hù);設(shè)備控制采用繼電器接觸器控制,分離的電氣元件多,接線復(fù)雜,可靠性差。因此,地鐵三號(hào)線裝備了國內(nèi)最先進(jìn)的“智能低壓配電系統(tǒng)”,控制線路變得非常簡單,簡化了現(xiàn)場接線和維護(hù)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(tǒng)是直接向軌道交通中的其它系統(tǒng)提供電能的重要子系統(tǒng),同時(shí)還負(fù)責(zé)監(jiān)測控制通風(fēng)空調(diào)、給排水和照明等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。由于低壓智能化處于控制系統(tǒng)的最底層,通信網(wǎng)絡(luò)選用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu),智能元件均具有通信口。智能斷路器用于低壓供配電系統(tǒng)中,作進(jìn)線斷路器、母聯(lián)分段斷路器和部分大電流出線回路的斷路器開關(guān)。這些回路中往往要求測量三相電壓電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度等電力參數(shù),在智能供配電系統(tǒng)中又要求“遙測”這些電量,甚至要求“遙信”、“遙控”、“遙調(diào)”斷路器開關(guān),監(jiān)視其運(yùn)行和故障狀態(tài)。

      智能低壓系統(tǒng)功能強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)對供配電回路或設(shè)備的計(jì)量、軟起動(dòng)、變頻、控制、保護(hù)、監(jiān)視、故障診斷、故障報(bào)警和預(yù)報(bào)警等功能。智能低壓系統(tǒng)接線簡單,通過通信口與上位監(jiān)控系統(tǒng)EMCS(機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))、SCADA(電力監(jiān)控系統(tǒng))接線。本文主要介紹了智能元件西門子3WL智能斷路器在地鐵低壓配電中的應(yīng)用。

2西門子3WL智能斷路器

      西門子3WL智能斷路器內(nèi)部有通信總線CubicleBUS,具有參數(shù)初始化、組態(tài)、診斷、測試、維護(hù)功能、遠(yuǎn)程控制等特性,在通訊方面有其獨(dú)到的應(yīng)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(nèi)部,有一特殊系統(tǒng)總線Cu-bicleBUS作為該結(jié)構(gòu)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問現(xiàn)有斷路器數(shù)據(jù)源,以保證快速地訪問信息和響應(yīng)事件。通過CubicleBUS與各附加模塊(包括數(shù)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(shù)據(jù):開關(guān)合/分信號(hào)、脫扣信號(hào)、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能信號(hào)、合閘準(zhǔn)備就緒信號(hào)、欠電壓脫扣信號(hào)。BSS還含有一個(gè)溫度傳感器,根據(jù)安裝場地的不同,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(xiàn)一個(gè)類似多用途測量儀表的功能,并提供良好的對外輸出。可完成測量的參數(shù)如下:電流、電壓、功率、能量、功率因數(shù)、頻率等。這些參數(shù)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(hù)功能。增強(qiáng)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(xiàn)通過故障事件發(fā)生的詳細(xì)診斷。

2.3通訊協(xié)議模塊 信息請登陸:輸配電設(shè)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,保證最簡單的調(diào)試和診斷以及最佳的可視界面。通過使用COM15接口,采用必要的附件設(shè)備,SENTRONWL可實(shí)現(xiàn)遙控合閘/分閘,以及遙控修改斷路器參數(shù)。斷路器的位置可通過微型開關(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(shù)值添加時(shí)間標(biāo)記并實(shí)現(xiàn)同步。

3智能低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在地鐵智能低壓配電系統(tǒng)中,大量使用了3WL智能斷路器。智能低壓配電系統(tǒng)由智能斷路器、小型PLC呈智能I/O、現(xiàn)場總線等組成,并通過智能通信接口模塊與SCADA連接。智能低壓配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。整個(gè)低壓部分有眾多開關(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(jī)組網(wǎng),形成低壓配電監(jiān)控裝置遠(yuǎn)程組態(tài)、診斷、測試、維護(hù)等功能,進(jìn)行低壓電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位電網(wǎng)故障。

      智能低壓配電要求通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)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(xiàn)對各分變電所的遙控、遙測、遙調(diào)、遙訊,以便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,處理突發(fā)事件。通過使用3WL智能斷路器,使得地鐵智能低壓配電系統(tǒng)在低壓電網(wǎng)初始化參數(shù)、組態(tài)、診斷、測試、維護(hù)及能量管理方面打開了全新局面。

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(tǒng)應(yīng)用的是Modbus[7]。Modbus是MODICON公司為其生產(chǎn)的PLC設(shè)計(jì)的一種通信協(xié)議,從功能上可認(rèn)為是一種現(xiàn)場總線。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程,如回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求,以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

      當(dāng)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(shè)備地址,識(shí)別按地址發(fā)來的消息,決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng),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(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測的方法。

      控制器通信使用主-從技術(shù),主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信,也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信,從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng),如果是以廣播方式查詢的,則不作任何回應(yīng)。Modbus通信有2種模式:ASCII和RTU模式。一個(gè)Modbus通信系統(tǒng)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(xù)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(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。在此網(wǎng)絡(luò)中,處于低壓配電室的進(jìn)線柜、聯(lián)絡(luò)柜中的3WL斷路器將采集到如電壓、電流、功率因數(shù)、斷路器狀態(tài)等各種參數(shù),通過和它相連接的RS485送至本變電室光電接口,在光電轉(zhuǎn)換器處將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以在光纖網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行遠(yuǎn)傳的光信號(hào)。從遠(yuǎn)端傳輸來的光信號(hào)經(jīng)過NSC100轉(zhuǎn)換為RS232電氣標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),再由NPort5610轉(zhuǎn)換為適用于以太網(wǎng)的協(xié)議語言。

      在中央控制室,值班人員就可在PC機(jī)上看到所有配電室的設(shè)備運(yùn)行狀況,隨時(shí)處理發(fā)生的緊急狀況,從而避免出現(xiàn)問題后由于信息閉塞而帶來設(shè)備損毀的可能。技術(shù)工程師可在此時(shí)對各開關(guān)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、組態(tài)、診斷、測試、維護(hù)等。

3.3 3WL智能斷路器的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

      地鐵智能低壓配電系統(tǒng)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關(guān)量和電氣參數(shù),并提供給CubicleBUS內(nèi)部總線,并通過COM15轉(zhuǎn)換為外部網(wǎng)絡(luò)可識(shí)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)鍵組成部件來傳輸配電系統(tǒng)所有電氣參數(shù)。

      通過COM15模塊智能斷路器可以支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的通訊連接是被安裝在配電室內(nèi)的西門子8PT開關(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,變電室用戶可通過RS485標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞線將其連接到上位機(jī),組成控制網(wǎng)絡(luò)。COM15模塊相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站,其中以數(shù)據(jù)集的形式來組織數(shù)據(jù)。每數(shù)據(jù)集包含一組通用寄存器。COM15共有28個(gè)數(shù)據(jù)集。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于總線的讀取和訪問,可在一條消息中包含一個(gè)數(shù)據(jù)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COM15模塊而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘。地鐵智能低壓配電系統(tǒng)主電路方案如圖3所示,其根本思想即通過3個(gè)斷路器中的任意2個(gè)合閘來保證整段設(shè)備持續(xù)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(tǒng)采用的是單總線結(jié)構(gòu)。考慮到系統(tǒng)可靠性要求,對于設(shè)備較多可靠性要求較高時(shí)采用多條單總線形式[5]。如:一個(gè)車站環(huán)控電控室選用3條現(xiàn)場總線;區(qū)間及車站變電所選用1條現(xiàn)場總線。對于3號(hào)線,SCADA供貨商選用設(shè)備本身具有3個(gè)通信可掛3條現(xiàn)場總線。智能低壓控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

4結(jié)語

      智能低壓系統(tǒng)的采用不僅完善了環(huán)控設(shè)備的保護(hù)功能、提高了系統(tǒng)的可靠性,簡化了低壓配電系統(tǒng)與EMCS的接口。實(shí)現(xiàn)了地鐵運(yùn)營管理的實(shí)時(shí)、可靠、快速的要求。設(shè)置在環(huán)控電控室的設(shè)備人機(jī)操作界面,便于就地進(jìn)行各個(gè)智能模塊的參數(shù)設(shè)定和查詢。同時(shí)由于現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用,系統(tǒng)中智能化元件可不依賴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立運(yùn)行,具有強(qiáng)抗干擾能力。新型智能低壓系統(tǒng)避免了廣州地鐵一、二號(hào)線采用傳統(tǒng)的低壓配電系統(tǒng)和傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制方式的不足。由于系統(tǒng)功能提高和控制接線的簡化,提高了系統(tǒng)可靠性和自動(dòng)化程度,大為縮短了系統(tǒng)的安裝調(diào)試時(shí)間,同時(shí)提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。