1  引言
               
　　地铁的供电系统为地铁运营提供电能。无论地铁列车还是地铁中的辅助设施都依赖电能。地铁供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。
               
　　地铁供电系统不仅为地铁车辆运行提供牵引电源，同时为整个地铁的环控、照明、信号及运营管理系统等所有用电设施提供电源。地铁供电系统的安全、可靠运行，是维系地铁各个系统正常运行的重要保障。
               
　　地铁全面采用变电站自动化设计，由于变电站数量多、设备多，在加上其完善的综合功能，信息交换量大，而且要求信息传输速度快和准确无误。在变电站综合自动化系统中，监控系统至关重要，是确保整个系统可靠运行的关键。
               
　　变电站自动化系统，经过几代的发展，已经进入了分散式控制系统时代。遥测、遥信、遥控命令执行和继电保护功能等均由现场单元部件独立完成，并将这些信息通过通讯系统送至后台计算机系统。变电站自动化的综合功能均由后台计算机系统承担，可以提高电网的安全、经济运行水平，减少基建投资，及时掌握电网及变电站的运行情况，提高变电站的可控性，为推广变电站无人值班提供了手段。
               
　　将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统。它取消了传统的控制屏台、表计等常规设备，因而节省了控制电缆，缩小了控制室面积。
           
2  地铁变电站自动化系统组成
               
　　变电站综合自动化是将变电站的二次设备(包括测量仪表、信号系统、继电报护、自动装置和远动装置等)经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、plc技术、通信技术和信号处理技术，实现对全站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等自动化功能。
               
　　本地变电站自动化系统采用分层分布式功能分割方案。系统纵向分三层，即变电站管理层、网络通讯层和间隔设备层。分层式设计有利于系统功能的划分，结构清晰明了。系统采用集中管理、分散布置的模式，各下位监控单元安装于各开关柜内，上位监控单元通过站内通信网络对其进行监视控制。变电站自动化系统需要对交流微机保护测控装置、直流750v牵引系统微机保护测控装置、380/220v监测装置、变压器及整流器的温控装置、直流/交流电源屏等设备进行监控和数据采集。系统结构如图1所示。
               
　　由于可编程序控制器技术经过几十年的发展，已经相当成熟，己被广泛应用于工业控制的各个领域。用plc来实现地铁变电站自动化的rtu功能，能够很好地满足“三遥”的要求。本系统采用了和利时公司 lk系列plc，来实现变电站自动化的rtu功能。lk具有模块化，可扩展的体系结构，用于工业和制造过程实时控制。
               
　　变电站管理单元内的主监控部分采用具有冗余功能的cpu模块lk210，可以实现profibus-dp网络冗余，增强主控制器与远程i/o通讯的可靠性。电源模块，同样采用冗余配置。电源采用冗余配置，系统输人两路直流电源，保证系统在1路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，提高系统的可靠性。
               
　　随着当地保护装置功能的日益强大，可以通过与保护装置的通讯来实现遥控和遥信功能。lk系列plc支持多种通讯协议，可以轻松与第三方设备进行通讯，本系统中线路纵差保护装置通过modbus协议与控制中心plc通讯，满足变电所综合自动化系统控制、测量、保护的技术要求。

                                                                附图  地铁变电站自动化系统结构图
           
3  地铁变电站自动化系统设计
           
　　3.1 系统结构
               
　　变电站管理单元内的主监控部分采用和利时公司lk系列plc。cpu模块采用工业级处理器lk210，主频533mhz，程序内存16m，数据内存64m，掉电保持区为1m。能实现cpu及i/o进行自诊断。
               
　　电源模块，采用冗余配置。电源采用冗余配置，系统输人两路直流电源，保证系统在1路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，提高系统的可靠性。系统结构如附图所示。
           
　　间隔层的微机保护装置经过rs-485总线分成几个组，连接到cpu模块lk210的com2通讯口上，通过modbus协议收集数据并将这些数据送到主监控单元lk　plc。
               
　　系统网络通讯层向上通过高速工业以太网实现与控制中心通讯；向下网络通讯层通过rs-485接口modbus标准规约实现与主变电站内的各开关柜或保护屏内的微机综合保护测控单元等智能装置通讯，满足变电所综合自动化系统控制、测量、保护的技术要求。
               
　　配置液晶显示器，用于变电所内监控、软件维护，设备调试，站控层操作等人机接口。带有液晶显示器实现站内数据的显示和控制。液晶显示以汉字实时显示所内所有事故、预告信号、所内各微机综合保护测控单元的运行状态。事件变位的内容、时间等。当多个事故信号同时发生时，液晶显示报警装置按新旧次序，在所内时间分辨率的范围内依次显示各种信息，并能存储。操作员通过按钮对显示进行选择，必要时操作员可通过该组操作按钮对开关进行所内集中控制。
               
　　“就地/远方”控制切换装置。为便于系统运行的需要，在中央信号屏内装有“就地/远方”切换开关，实现就地控制和远方控制之间的方式切换和闭锁。在变电站控制上，方便分层控制和管理。
               
　　系统的电源采用冗余配置，系统输人两路直流电源，保证系统在一路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，提高系统的可靠性。
          
　　 3.2 开放式、宜扩展性设计
           
　　可以与满足相应标准规约(profibus、tcp/ip、modbus等)的其它公司相关的(ied)互联进行信息交换。充分考虑到变电站扩建、改造等因素，间隔层设备基于模块式标准化设计，可根据要求随意配置，变电站层设备设置灵活。
               
　　网络通讯层设计考虑到工业以太网、rs485、modbus等现场总线的接口设计，能充分满足大流量实时数据传送的实时性和可靠性。

　　3.3 软件设计
               
　　plc软件方面，由于plc以循环扫描和中断两种方式来执行程序。为了完成所有rtu功能，plc采用循环扫描方式，与各个间隔层保护单元进行通讯。通过profibus-dp总线，读取各个保护单元的遥测、遥信信息，同时通过总线通讯对各个智能保护装置进行设点操作，实现对开关的遥控功能。本系统采用了lk系列plc配套的powerpro编程软件中的fbd方式，进行了plc的组态，实现了变电站自动化的三遥功能。
               
　　通过使用合适的功能块的组合，可以实现你所要的功能。其中的功能块有powerpro软件的提供的标准功能块，也可以自己定义，自己独特的功能块。
               
　　遥信的实现，有两种方式。一种是通讯方式，当变电站设备发生变位时，通过plc与智能保护装置的通讯，读取变位的信息到plc中，并将其上送给控制中心。另一种为di模块方式，通过连接设备的位置继电器，plc的di模块能够感知设备的变位信息。
               
　　遥测的实现也包含两种方式。一种是通讯方式，plc通过与智能保护装置的通讯，实时获取保护装置采集的遥测量信息，相当于由保护装置完成现场级的采集功能。另一种为ai模块方式，由plc自己来完成现场的遥测量采集，并将采集到的数据存放在ram中。网桥将ram中的遥测量信息，作为二级数据，实时的与控制中心进行通讯。
               
　　网桥中的报文接收分析程序分析控制中心传来的报文，如果分析认为其是遥控报文，对其进行报文解析，将获取的遥控对象信息写入plc，由plc程序与智能保护装置通讯，来完成遥控功能。
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4  系统功能设计
               
　　地铁变电站自动化归纳起来可分为以下几种功能组：控制、监视功能；自动控制功能；测量表记功能；继电保护功能；与继电保护有关功能；接口功能；系统功能。综合地铁实际情况，具体来说，地铁变电站综合自动化系统的基本功能体现在下述五项功能中。
           
　　4.1 监控功能
               
　　监控系统应取代常规的测量系统，取代指针式仪表；改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的告警、报警、中央信号、光字牌等；取代常规的远动装置等等。总之，其功能应包括以下几部分内容：
           
　　4.2 模拟量的采集
               
　　变电站需采集的模拟量有：各段母线电压、线路电压、电流、有功功率、无功功率，主变压器电流、有功功率和无功功率，电容器的电流、无功功率，馈出线的电流、电压、功率以及频率、相位、功率因数等。此外，模拟量还有主变压器油温、直流电源电压、站用变压器电压等。对模拟量的采集，有直流采样和交流采样两种方式。
           
　　4.3 开关量的采集
               
　　变电站的开关量有：断路器的状态、隔离开关状态、有载调压变压器分接头的位置、同期检测的状态、继电保护动作信号、运行告警信号等。这些信号都以开关量的形式，通过光电隔离电路输入至计算机。
           
　　4.4 电能计量
               
　　电能计量即指对电能(包括有功电能和无功电能)的采集。有两种测量的方法，一种电能脉冲计量法，电能表转盘每转一圈便输出一个或两个脉冲，用输出的脉冲数代替转盘转动的圈数，plc可以对这个输出脉冲数进行计数，将脉冲数乘以标度系数，便得到电能量；另一种是软件计算方法，是数据采集系统利用交流采样得到的电流、电压值，通过软件计算出有功电能和无功电能。
           
　　4.5 事件顺序记录soe
               
　　事件顺序记录soe包括断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录。微机保护或监控系统采集环节必须有足够的内存，能存放足够数量或足够长时间段的事件顺序记录，确保当后台监控系统或远方集中控制主站通信中断，不丢失事件信息，并记录事件发生的时间。
           
　　4.6 故障记录
               
　　故障记录是记录继电保护动作前后与故障有关的电流量和母线电压。对于地铁中、低压变电站，没有配备专门的故障录波装置，而10kv出线数量大、故障率高，在监控系统中设置了故障记录功能，对分析和掌握情况、判断保护动作是否正确很有益处。
           
　　4.7 操作控制功能
               
　　少人值班变电站自动化系统，操作人员都可以通过crt屏幕对断路器和隔离开关进行投、切控制，同时能接受遥控操作命令，进行远方操作；为防止计算机系统故障时无法操作被控设备，在设计时，保留了人工直接跳、合闸手段。

           
　　4.8 安全监视功能
               
　　监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率等量不断的进行越限监视，如发现越限，立刻发出告警信号，同时记录和显示越限时间和越限值，另外，还监视保护装置是否失电，自控装置是否正常等。
           
　　4.9 人机联系功能
               
　　(1) 人机联系桥梁
               
　　crt显示器、鼠标和键盘。操作人员或调度员只要面对crt显示器的屏幕，通过操作鼠标或键盘，就可以对全站的运行情况和运行参数一目了然，可以对全站的断路器和隔离开关等进行分、合操作，彻底改变了传统的依靠指针式仪表和依靠模拟屏或操作屏等手段的操作方式。
               
　　(2) crt显示画面的内容
               
　　归纳起来，显示的内容有：采集和计算的实时运行参数；实时主接线图；事件顺序记录；越限报警显示；值班记录显示；历史趋势显示；保护定值和自控装置的设定显示；其他(故障记录显示、设备运行状况显示)。
               
　　(3) 输入数据
               
    变电站投入运行后，随着送电量的变化，保护定值、越限值等需要修改，甚至由于负荷的增长，需要更换原有的设备。因此在人机联系中，有输入数据的功能。
           
　　4.10 打印功能
               
    变电站自动化系统配备打印机，完成下列记录功能：定时打印报表和日志；开关操作记录打印；事件顺序记录打印；越限打印；召唤打印；抄屏打印；事故追忆打印。
           
　　4.11 据处理与记录功能
               
    历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容。此外，为满足继电保护专业和变电站管理的需要，进行一些数据统计，其内容包括：主变和输电线路有功功率和无功功率每天的最大值和最小值以及相应的时间；母线电压每天定时记录的最高值和最低值以及相应的时间；计算受配电电能平衡率；统计断路器动作次数；断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数；控制操作和修改定值记录。
           
　　4.12 微机保护的功能
               
    微机保护包括全站主要设备和输电线路的全套保护，具体有：高压输电线路的主保护和后备保护、主变压器的主保护和后备保护、无功补偿电容器组的保护、母线保护、配电线路的保护、不完全接地系统的单相接地选线。
           
　　4.13 电压、无功综合控制的功能
               
    变电站综合自动化系统具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。电压和频率是电能质量的重要指标，因此电压、无功综合控制也是变电站综合自动化系统的一个重要组成部分。
               
    在变电站中，对电压和无功的自动控制，主要是自动调节有载变压器的分接头位置和自动控制无功补偿设备的投、切或控制其运行工况。其控制方式有如下三种：
               
　　(1) 集中控制
               
　　集中控制是指在调度中心对各个变电站的主变压器的分接头位置和无功补偿设备进行统一的控制。
               
　　(2) 分散控制
           
　　这是我国目前进行电压、无功综合控制的主要方式。分散控制是指在各个变电站中，自动调节有载调压变压器的分接头位置或其他调压设备，以控制地区的电压和无功功率在规定的范围内。
               
　　(3) 关联分散控制
               
    所谓关联分散控制，是指电力系统正常运行时，由分散的安装在各厂、站的分散控制装置或控制软件进行自动调控，调控范围和定值是从整个系统的安全、稳定和经济运行出发，事先由电压、无功优化程序计算好的，而在系统变化较大或紧急情况或系统运行方式发生大的变动时，可由调度中心直接操作控制，或由调度中心修改下属变电站所维持的母线电压和无功功率的定值，以满足系统运行方式变化后新的要求。
           
　　本变电站综合自动化系统采用分散控制的方式。

           
　　4.14 频减负荷的功能
               
    电力系统的频率是电能质量重要的指标之一。电力系统正常运行时，必须维持频率在50±(0.1～0.2)hz的范围内。系统频率偏移过大时，发电设备和用电设备都会受到不良的影响。因而当系统发生有功功率缺额的事故时，必须迅速地切断部分负荷，减小系统的有功缺额，使系统频率维持在正常水平或允许的范围内。
          
　　4.15 备用电源自投控制的功能
               
    在具有两路电源供电的变电站中，电源进线可分为工作电源进线和备用电源进线两种。备用电源自投装置就是当工作电源因故障被断开后，能自动而迅速地将备用电源投入工作的装置。
           
5  系统特点
                
    变电站自动化实现对变电站各种设备进行实时控制和数据采集，对各种设备的微机控制、监视、逻辑闭锁、微机测量以及所有开关联跳功能。基于和利时公司lk系列plc的地铁变电站自动化系统的特点：
               
    lk具有完善的自检功能，除通过通信对各单元进行监控外，各单元中保护和监控模块都具有极强的自检功能，同时二者相互监视，一旦发生异常，及时报警，提高系统运行可靠性。
               
　　采用lk冗余系统，实现了电源冗余、cpu冗余、以太网冗余、总线冗余。
           
　　具有冗余以太网接口、冗余profibus-dp总线接口、rs485及rs232接口等多种通信接口。
           
　　soe记录分辨率可达100us。
               
　　开关、刀闸状态信息采用常开及常闭双位置接点，通过软件判断其合法性。
           
　　监控系统采用plc代替传统的rtu，各智能模块采集的数据通过现场总线上传到通讯控制器。
               
　　取消了常规光字牌，采用计算机模拟光字牌，并按不同电压等级的分层模式来显示。
           
　　简化防误闭锁设计，重要设备之间用硬接线实现闭锁功能，综合自动化软件具备软件逻辑判别功能，但考虑到已有运行和检修经验，一般不在后台软件中进行闭锁。
           
　　对暂态变位信号，经软件处理，采用自保持方式，未经人工确认信号不会消失。
           
6  结束语
                
    和利时公司lk大型plc已经在城铁变电站自动化系统中成功实施了多个项目，如北京地铁10号线scada系统变电站自动化系统、武汉轻轨scada系统变电站系统、天津快轨中山门西段工程变电站自动化系统等。lk plc的双网冗余、控制器与工作站冗余热备、模块智能自检、预置输出功能、i/o通道隔离等措施，构建了一个高可靠性、高稳定性、高容错性的应用系统。很好的满足了供电监控系统的要求。lk plc符合工业标准，具有很好的开放性和易用性，可实现与各个子系统的接口。人机接口操作简单，功能强大，进一步提高了变电站自动化系统的管