基于上、下位機(jī)的無軌電車整流站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

介紹了一種基于上、下位機(jī)的無軌電車整流站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。敘述了該系統(tǒng)的組成、工作過程和功能，并著重?cái)⑹隽硕搪窓z測系統(tǒng)的基本原理、組成和工作過程。

　　隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的飛速發(fā)展，空氣污染日趨嚴(yán)重。無軌電車以其無污染、節(jié)省燃料等優(yōu)勢在該行業(yè)中占據(jù)著不可替代的位置。為無軌電車提供電能的整流站承擔(dān)著變壓、整流和輸送電的任務(wù)。隨著公共交通事業(yè)的發(fā)展，對無軌電車供電的可靠性提供了更高的要求。過去尋種靠工人監(jiān)視、手動(dòng)操作的整流站控制方式已保證不了電能饋出系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，不能正確判斷某些意外事故，人為故障羅多，效率較低。在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要防止事故擴(kuò)大、壓縮停電時(shí)間、盡快恢復(fù)電車運(yùn)行。因此，建立現(xiàn)代化的無軌電車供電調(diào)度數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)是十分必要的.本文介紹了一種基于上、下位機(jī)的無軌電車整漢站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。敘述了該系統(tǒng)的組成、工作過程和功能，并著重?cái)⑹隽硕搪窓z測系統(tǒng)的基本原理、組成和工作過程。

　　1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成

　　該監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。

　　圖1中，控制室屬于上位機(jī)監(jiān)控部分。主機(jī)選用臺灣研華公司生產(chǎn)的IPC-586工控機(jī)。采用WINDOWS95NT、VC++5.0畫面開發(fā)軟件。通過上位機(jī)畫面可以對站內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)站內(nèi)運(yùn)行情況發(fā)生異常時(shí)，可進(jìn)行越限或故障的聲音報(bào)警及文字提示，同時(shí)自動(dòng)彈出有關(guān)畫面，便于監(jiān)護(hù)人員迅速分析、處理，以最短的時(shí)間恢復(fù)供電。其報(bào)警內(nèi)容包括：母排失壓或超低限的報(bào)警;送出回路失壓、故障跳閘、短路或末端短路的報(bào)警;油開關(guān)跳閘的報(bào)警;在早6：30～晚21：00之間，對饋出回路電流I<30A、時(shí)間T≥15min的超低限報(bào)警;某饋出回路I≥1500A、時(shí)間T持續(xù)達(dá)5秒時(shí)間的超大電流報(bào)警;火災(zāi)、防盜門訊的報(bào)警等。此外，該系統(tǒng)還可對各控制開關(guān)執(zhí)行合、跳閘命令時(shí)不到位故障進(jìn)行報(bào)警提示。各類報(bào)警按其緊急程度分別以四種聲音來提示。

　　控制柜里的PLC屬于下位機(jī)部分，也是該系統(tǒng)的核心部分，選用OMRON公司生產(chǎn)的C200.它一方面將通過開關(guān)量輸入單元和模擬量輸入單元檢測回來的各種信號傳給上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的顯示或報(bào)警，另一方面根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的運(yùn)行狀態(tài)，按照其內(nèi)部邏輯程序輸出命令，控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的上、下位機(jī)比例為1：

　　8。上位機(jī)可以接收八個(gè)站端PLC的信息，并按八個(gè)站的聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)管理結(jié)構(gòu)程序。

　　2 監(jiān)控系統(tǒng)工作過程

　　改造后的整流站監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)下位機(jī)全自動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控、上位機(jī)手動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控和保留原來現(xiàn)場控制臺手動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控三種運(yùn)行狀態(tài)的自由切換。在該控制系統(tǒng)投入運(yùn)行前，應(yīng)檢查確認(rèn)各受控開關(guān)及刀閘正常工作條件均已滿足，操作人員可從上位機(jī)或控制柜選擇下面任意一種工作狀態(tài)。

　　(1)現(xiàn)場手動(dòng)操作狀態(tài)：PIC系統(tǒng)將上、下位機(jī)的輸出命令全部封鎖。由現(xiàn)場操作臺來受控開關(guān)。通過上位機(jī)畫面可對各開關(guān)量的“合”、“斷”狀態(tài)及各模擬量的變化進(jìn)行監(jiān)視，并自動(dòng)記錄各類事件，以便事手查閱、分析。

　　(2)上位機(jī)手動(dòng)操作狀態(tài)：可從上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)視運(yùn)行，可以利用鼠標(biāo)和鍵盤以口令形式對各受控開關(guān)發(fā)由“合”、“斷”命令，并人為發(fā)出短路檢測系統(tǒng)投入或撤出命令以及屏蔽封鎖某路受控開關(guān)，以便于維護(hù)人員進(jìn)行檢修。不同操作人員可以設(shè)置不同操作口令，并對其操作過程自動(dòng)記錄，以便一旦發(fā)生事故后可迅速查閱，為查清事故責(zé)任人和對變電運(yùn)行人員進(jìn)行經(jīng)濟(jì)考核提供了客觀準(zhǔn)確的依據(jù)。

　　(3)下位機(jī)自動(dòng)操作狀態(tài)：這一狀態(tài)是該系統(tǒng)的主要工作狀態(tài)。在這種工作狀態(tài)下，系統(tǒng)具有下列功能：

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　　在系統(tǒng)進(jìn)行正常監(jiān)控運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某一路高速開關(guān)發(fā)生故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)一方面通過上位機(jī)發(fā)出報(bào)警提示，并自動(dòng)彈出故障回路相應(yīng)畫面;另一方面通過下位機(jī)命令短路檢測系統(tǒng)投入該回路進(jìn)行“短路故障檢測”。當(dāng)其檢測結(jié)果為“真”短路時(shí)，通過上位機(jī)發(fā)出告警提示，直至人為確認(rèn)。同時(shí)屏蔽該回路的高速開關(guān)的操作命令，使其“重合閘”命令送不出去。此時(shí)人為通知調(diào)度去檢修故障線路，經(jīng)確認(rèn)已排除后，再在上位機(jī)人為解除對該路高速開關(guān)的屏蔽，而下位機(jī)則再自動(dòng)進(jìn)行短路檢測，確認(rèn)無短路故障時(shí)，則延時(shí)28s后自動(dòng)重合閘。

　?、谌缛魴z測結(jié)果為“無”短路故障，同時(shí)該回路處在“備用自動(dòng)并送”功能設(shè)置狀態(tài)時(shí)，該系統(tǒng)將自動(dòng)檢測其跳閘瞬間前8點(diǎn)(每點(diǎn)間隔10ms)的電流平均值I均，當(dāng)I

　　均≥1300A，則系統(tǒng)認(rèn)定其為“過載”，下位機(jī)自動(dòng)將該路高速開關(guān)、備刀和備用回路的高速開關(guān)投上。當(dāng)系統(tǒng)檢定其電流I均<1200A、

　　T≥10min時(shí)，將自動(dòng)切斷備用回路的高速開關(guān)及備刀。

　?、廴缛魴z測結(jié)果為“無”短路故障，同時(shí)過載檢測也為“否”，則延遲28s后自動(dòng)重合“高速開關(guān)”。

　?、茉?ldquo;下位機(jī)自動(dòng)操作”狀態(tài)時(shí)，可人為“設(shè)置”或“屏蔽”任一送出回路過載時(shí)的主、備用自動(dòng)并送及恢復(fù)正常功能。

　?、?在“上位機(jī)手動(dòng)操作”及“下位機(jī)自動(dòng)操作”兩種狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到某一饋出回路的電流I為900A時(shí)，時(shí)間在0.5分鐘內(nèi)，其電流上下波動(dòng)范圍不超過±

　　50A，即I最大-I最小≤100A時(shí)，PLC均可以自動(dòng)切斷該路高速開關(guān)，上位機(jī)發(fā)出“末端短路”(即穩(wěn)定負(fù)荷)報(bào)警。在“下位機(jī)自動(dòng)操作”狀態(tài)時(shí)，下位機(jī)可自動(dòng)投入短路檢測裝置，進(jìn)行相應(yīng)的操作。在“上位機(jī)手動(dòng)操作”狀態(tài)時(shí)，以上工作均由操作員來完成。

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　　在“下位機(jī)自動(dòng)運(yùn)行”狀態(tài)時(shí)，如若某一回路高速開關(guān)需要檢修維護(hù)，可通過上位機(jī)發(fā)出“代送”命令，PLC自動(dòng)遙控切斷該路高速開關(guān)。同時(shí)合上該回路備用刀閘及對應(yīng)備用回路高速開關(guān)，檢修完畢，可發(fā)出“恢復(fù)”正常命令，PLC自動(dòng)遙控?cái)嚅_備用回路高速開關(guān)及該路備刀，合上該路高速開關(guān)。
3 短路檢測系統(tǒng)

　　本監(jiān)控系統(tǒng)具備出進(jìn)的自動(dòng)短路判別功能。8個(gè)整流站負(fù)責(zé)饋出供電網(wǎng)絡(luò)100多條。由于車車輛多、道路窄、線路老化、行駛不當(dāng)?shù)纫蛩?，?jīng)常發(fā)生集電桿脫落現(xiàn)象，造成觸線打連、絞接等短路故障，導(dǎo)致無軌電車停運(yùn)、線網(wǎng)損壞、交通堵塞等嚴(yán)重問題。國內(nèi)電車系統(tǒng)整流站自動(dòng)監(jiān)控領(lǐng)域?qū)Χ搪饭收系呐袛嗉夹g(shù)尚不成熟，經(jīng)常出現(xiàn)誤判。怎樣自動(dòng)識別過方案、瞬時(shí)短路或永久短路，并采取相應(yīng)措施，保證安全供電及經(jīng)濟(jì)不受損失，成為電車行業(yè)供電系統(tǒng)的一個(gè)主機(jī)問題。我們根據(jù)用戶提出的功能要求，設(shè)計(jì)制作了饋線遠(yuǎn)區(qū)跳閘原因自動(dòng)識別及報(bào)警系統(tǒng)。與利用人為重合閘進(jìn)行判斷的方法相比，該系統(tǒng)的可靠性及安全性等方面都有了很大的提高。

　　其基本原理是：將一定幅值和頻率的正弦信號送入需要檢測的饋線回路，測量反饋回來的正弦電壓U和電流I，根據(jù)U和I的相位差判斷是否短路。

　　該系統(tǒng)主要由自動(dòng)投切裝置、信號發(fā)生裝置、采樣比較控制電路、軟件識別系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等五部分組成。其基本原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　當(dāng)供電系統(tǒng)某一饋出回路故障時(shí)，發(fā)生高速開關(guān)跳閘。可能的原因有三種：過載、瞬時(shí)短路或永久短路。在自動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)，該系統(tǒng)可以通過以下方法來判斷識別跳閘原因。

　　(1)過載的識別：可取跳閘瞬間前8點(diǎn)(每點(diǎn)間隔10ms)的電流值，與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較。若采樣值小于等于預(yù)置參數(shù)，則判為過載;若采樣值大于預(yù)置參數(shù)，則判為短路。

　　(2)瞬時(shí)短路和永久短路的判別：當(dāng)高速開關(guān)發(fā)生跳閘時(shí)，其信號回饋到PLC系統(tǒng)。經(jīng)CPU確認(rèn)后，根據(jù)其內(nèi)部判斷邏輯輸出相應(yīng)的控制信號，將短路判別系統(tǒng)的信號源投入跳閘饋線回路，進(jìn)行第一次判斷。采樣電路進(jìn)行檢測，根據(jù)故障回路短路點(diǎn)的遠(yuǎn)近及在線車輛的多少，由傳感器檢測出電壓和電流的變化分量，經(jīng)采樣比較控制電路轉(zhuǎn)換，與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行分析比較，則可以判定是否短路。如果為“真”短路，經(jīng)60s延時(shí)后再進(jìn)行第二次判斷，若仍與第一次結(jié)果相同，則認(rèn)為是永久短路;若與第一次結(jié)果相反，則認(rèn)為是瞬時(shí)短路。判別結(jié)果送入PLC，經(jīng)CPU內(nèi)部邏輯判斷發(fā)出相應(yīng)的指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若瞬時(shí)短路則可令高速開關(guān)重新合閘;永久短路則將高速開關(guān)封鎖，同時(shí)通過上位機(jī)發(fā)生報(bào)警，并自動(dòng)彈出故障回路相應(yīng)畫面，使監(jiān)護(hù)人員快速、準(zhǔn)確地分析、確認(rèn)跳閘原因，以便及時(shí)處理事故意，盡快恢復(fù)供電?？紤]到實(shí)際路中各種因素的影響，該系統(tǒng)判別的準(zhǔn)確率為95%以上。

　　本文設(shè)計(jì)的無軌電車整流站自動(dòng)化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有下列功能：

　　(1)早間3時(shí)50分、晚間23時(shí)的送電、停電定時(shí)鬧鐘提示;

　　(2)可記錄、存儲各類隨機(jī)信息和事件內(nèi)容，方便查閱和打印輸出;

　　(3)可進(jìn)行運(yùn)行日報(bào)表、電量日報(bào)表、供電日報(bào)表的自動(dòng)填寫及定時(shí)打印;

　　(4)可實(shí)現(xiàn)對各模擬量24小時(shí)變化曲線趨勢圖的存儲及隨時(shí)調(diào)閱和打印;

　　(5)人機(jī)對話靈活方便，操作簡單，鍵盤和鼠標(biāo)器在線控制和操作，既能屏蔽受控開關(guān)，又能刷新更改，便于檢修;

　　(6)在線式UPS不間斷電源配置，可以防止系統(tǒng)突然掉電及瞬時(shí)失壓造成的數(shù)據(jù)丟失或上、下位機(jī)通訊狀態(tài)的改變;

　　(7)具有自診斷系統(tǒng)，可檢查工控機(jī)硬件及上、下位機(jī)通訊是否正常;

　　(8)系統(tǒng)還增設(shè)了必要的防雷措施，如：監(jiān)控系統(tǒng)供電電源的隔離靜化;模擬量變換的隔離。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后還將增設(shè)通訊線路的浪涌吸收裝置等。

　　一段時(shí)間的試運(yùn)行表明，基于上、下位機(jī)的無軌電車整流站自動(dòng)化集中監(jiān)控系統(tǒng)的投入代替了人工監(jiān)控操作，實(shí)現(xiàn)了整流站無人監(jiān)控的自動(dòng)化過程，提高了供電系統(tǒng)的可靠性，降低了人為事故率。該系統(tǒng)效果良好，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果，滿足了用戶的要求。