地鐵是我國大型城市公共交通的重點發展方向,而可靠的供電是地鐵安全運營的重要保障,功能強大的地鐵供電變電站自動化係統又是保證供電質量的基礎。地鐵供電變電站的一次設備、運行方式及管理模式與大電網變電站有一定的差異,導致了其自動化係統的功能也與大電網變電站的功能存在不少差異。現著重探討和研究這些具有地鐵特色的功能要求及實現方案。

1 一次係統

      地鐵供電變電站按功能劃分主要有4種類型:主變電站、牽引變電站、降壓變電站和跟隨變電站。主變電所將110kV電網電壓降為35kV,給牽引變電站和降壓變電站供電(電壓等級僅為參考值,進口一次設備可能略有差異,以下同);牽引變電站則是將35kV交流電經變壓器、整流器轉換為直流1500V/750V,給接觸網/接觸軌供電;降壓變電站則是將35kV電網電壓降為400V,提供車站的動力和照明電源,同時也是跟隨變電站的進線電源;跟隨變電站無變壓器,是降壓變電站400V側在地理上的延伸,是為離降壓變電站較遠的地鐵設備供電。
      主變電站、降壓變電站、跟隨變電站與交流電網上的其他變電站並無本質的區別,無論是電氣接線方式還是運行方式均與普通變電站類似,隻有直流牽引變電站是地鐵供電係統所特有的。地鐵變電站自動化係統的很多獨特之處也多與直流牽引變電站有關。

       圖1中,102、103為進線斷路器,來自於主變電站的2段不同的33kV母線;101、104為出線斷路器,給兩邊相鄰的降壓變電站供電。201、202為直流進線開關;211、212、213、214為直流饋線開關,分別給上行和下行接觸網供電。2112、2134為接觸網分段隔離開關, 僅當該站直流停止供電時才能合上。

2 係統功能
      現代意義的變電站自動化係統的功能在IEC61850-5:2003[1]中作了係統、全麵的闡述。IEC61850-5將係統的功能從邏輯上分為變電站層、間隔層和過程層3個層次和係統支持功能(如自檢、時鍾同步)、係統配置或維護功能(如測試、配置參數)、運行或控製功能(如遙控)、本地過程自動化功能(如數據采集、繼電保護)、分布式自動化支持功能(如聯鎖、同期)和分布式過程自動化功能(如順控、電壓無功控製),共6種類別。

      而傳統意義的變電站自動化係統指的是數據采集與處理(SCADA)係統(不包括繼電保護等功能)的子站部分,或稱為遠動終端設備。

      遠動終端設備可以視為現代意義的變電站自動化係統的一部分。

      2002年頒布實施的國家標準《GB/T13729-2002遠動終端設備》[2],對遠動終端設備的功能要求作了明確的規定。鐵道行業標準《TB/T2831-1997電氣化鐵道牽引供電遠動係統技術條件》[3]則在引用GB/T13729-1992的基礎上,對係統功能作出了針對行業應用的更為具體的要求。

      地鐵變電站自動化係統的功能不僅要符合上述2個有關遠動終端設備的標準,還應該盡快向即將推出的IEC61850靠攏,將繼電保護、故障錄波等功能有機地、無縫地融入到自動化係統中去。

      以下將重點探討幾個具有地鐵變電站典型特征的自動化係統的基本功能。

2.1 遙控功能

      《電氣化鐵道牽引供電遠動係統技術條件》提出的功能要求包括6項內容:遙控、遙信、遙測、打印、接口和自檢。遙信、遙測、打印、接口和自檢功能的要求與GB/T13729-2002的要求是基本一致的。而遙控功能則賦予了其更多的內涵。

      地鐵變電站自動化係統的遙控功能按受控對象的數量分為單控和程控2種[3]。單控是指對單個對象的控製,也就是通常所指的基本遙控功能;而程控則是對多個對象的程序控製。

      單控、程控的概念是地鐵變電站所特有的,不管是單控還是程控,其內涵均包括控製和相關的聯鎖2部分。

      單控聯鎖功能通常是由受控的間隔層[1]設備來完成的。例如,牽引變電站直流饋線開關的合閘,是由安裝於直流開關櫃內的保護測控單元來實現的。合閘出口繼電器動作以前,必須進行一係列的聯鎖邏輯判斷:首先檢查開關是否處於分位,手車是否處於運行位;然後檢查是否有合閘閉鎖信號;最後進行線路測試,確認無短路後,方可進行合閘。若受控的間隔層設備無聯鎖功能,則可由變電站層[1]的通信控製器來完成。

      程控功能按操作對象和聯鎖關係分為2個層次:

      (1)操作對象和聯鎖關係均在同一變電站內,稱為站內程控功能。例如,降壓變電站的動力變壓器的停電/恢複,需要對相鄰的多個斷路器進行操作。站內程控功能通常由變電站層的通信控製器來完成。

      (2)操作對象或聯鎖關係涉及多個變電站,稱為站間程控功能。例如,接觸網/接觸軌的越區供電,需要對多個牽引變電站的多個直流斷路器以及分段隔離開關進行操作。站間程控功能可由某一變電站的通信控製器來完成,也可由運行控製中心(OCC)電調主站來完成。前者需將鄰站納入采集和監控的範圍,增加了硬件投資,但可脫離OCC電調運行;後者隻能由OCC電調進行操作,對主站的依賴性太高,不利於緊急情況的處理。所以前一個方案更可取。

      值得一提的是,程控並不是簡單的多個單控的組合,因為受控的多個對象之間可能存在複雜的聯鎖或閉鎖的關係。而單控僅存在受控對象與其他非受控對象之間的聯鎖邏輯關係。IEC61850-5中,單控屬於控製和分布式聯鎖功能的組合,而程控屬於分布式順控和分布式聯鎖功能的組合。

2.2 網絡通信功能

      GB/T13729-2002提出了一些選配功能,其中的網絡通信功能也應作為地鐵變電站自動化係統的基本功能要求,而不是選配功能。其理由如下:

      (1)GB/T13729-2002僅是遠動終端設備的標準,而地鐵變電站自動化係統不僅包括遠動終端設備的功能。網絡通信功能是現代意義的變電站自動化係統區別於傳統RTU(遠動終端設備)的本質特征之一。

      (2)網絡通信是今後變電站自動化係統的發展方向。在IEC61850中,網絡通信是根本,是整個IEC61850思想體係的核心和基礎。在IEC61850-5對功能的分類中,網絡通信不再是獨立的功能,因為它已是所有功能的基礎。

      (3)網絡通信已在地鐵變電站自動化係統中得到了大量的應用。如本世紀投入運行的上海、廣州地鐵,正在實施的南京、武漢、重慶等地鐵(或輕軌)變電站項目,無一例外的具備了網絡通信的功能。

      事實上,地鐵變電站自動化係統不僅是已具備了網絡通信功能,而且還在同一個站內具備了五花八門的通信硬件和軟件協議,這與大電網變電站有很大的區別,因為大電網變電站自動化係統的網絡通信已經統一到IEC60870-5-103的標準上,而地鐵變電站(尤其是牽引變電站)自動化係統間隔層設備的網絡通信由於諸多原因尚無法統一。

      在通信網絡短時間內不能統一的前提下,地鐵變電站自動化係統要能支持各種通信硬件和網絡協議。從長遠看,地鐵變電站自動化係統的通信網絡也要統一到IEC61850上來。

2.3 繼電保護功能

      繼電保護設備與遠動終端設備一樣,是現代變電站自動化係統的核心設備。自從IEC60870-5-103誕生以來,二者就已經是一個有機的整體,而不再是2個孤立的子係統。

      對於地鐵供電領域來說,除了牽引變電站外,其他類型變電站(如主變電站、降壓變電站)的繼電保護功能與大電網交流變電站的繼電保護功能是完全相同的。而牽引變電站采用直流饋線,使其繼電保護功能具有顯著的差異。

      目前,國內尚無任何標準對直流牽引變電站的繼電保護功能作出完整的描述,筆者通過對國外保護設備的研究,認為應該具備以下功能:

      (1)所有直流斷路器本體必須安裝大電流脫扣保護;
      (2)直流饋線以di/dt及ΔI保護為主保護,定時限過流保護、Imax保護或其他類型的保護為後備保護,同時必須具有自動重合閘的功能,采用雙邊供電的還必須具備聯跳鄰站斷路器的功能;
      (3)直流進線則必須有逆流保護;
      (4)框架保護。
      其他的保護功能可根據實際需要選配。

3 自動化係統的實現

      地鐵變電站自動化係統的實現沒有統一的標準或模式,隻要滿足係統的所有功能和性能的要求即可。本方案是結合工程實踐提出的,由於牽引變電站更具有行業代表性,所以該方案為牽引變電站自動化係統的技術方案。

3.1 牽引變電站自動化係統構成

      圖2是本方案的係統構成圖,它基於無人值守的牽引變電站,所以係統圖中並未出現人機對話工作站。

　　圖2中的通信控製器是整個係統的核心和所有數據(本站的全部數據及鄰站的有關數據)的流入點,如果該設備單機的可靠性不夠高,則可考慮采用冗餘配置。冗餘不是必需的,所以在圖中顯示的是單機配置。通信控製器完成程控及程控聯鎖的功能、完成轉發站內數據至調度的功能,它通常還帶有一個人機接口,用於簡單的在線運行監視。維護計算機用於離線的係統配置、故障診斷的功能。通信控製器和調試計算機都屬於變電站層的設備。

      圖2中的各種保護測控單元和其他監控單元是間隔層設備,主要完成保護、測量、控製、單控聯鎖的功
能。介於間隔層設備與變電站層設備之間的是通信網絡。以下將重點描述遙控、網絡通信功能的實現方案。

3.2 單控及程控實現方案

      在地鐵供電領域,有些間隔層設備是用可編程邏輯控製器(PC)來實現的,甚至早期的變電站層設備也是用PC來實現的,相應的控製、聯鎖功能也要通過對PC編程來實現,PC的編程語言絕大多數支持IEC1131-3:1993[4]的標準。而同一個站內,非PC類的通信控製器也要實現程控及聯鎖功能。為統一起見,通常要求通信控製器也要用符合IEC1131-3標準的編程語言來實現程控。這種方案實際上是最理想的方案,它主要有幾大優勢:

      (1)符合IEC1131-3標準的編程語言如IL、ST、LD、FBD等均直觀易讀,尤其是LD和FBD,為多數維護人員所熟悉。運用熟悉的編程語言可減少出錯的可能。

      (2)保證全站甚至全地鐵所有變電站的所有設備使用統一的編程語言,減小了運行管理的難度。

      (3)使用IEC1131-3標準,降低了自動化係統製造商在組態軟件上的開發風險,自行製定的標準往往存在考慮不周的情況。該方案的實現手段如下:

      首先,開發符合IEC1131-3的組態軟件,該軟件在維護計算機中運行,將易於維護人員掌握的編程語言轉換為目標機(如通信控製器)所能識別的機器執行代碼,然後將該代碼在線下載到目標機中去。

3.3 通信網絡實現方案

      本方案中,間隔層設備通過網關將各種不同的通信網絡統一至光纖以太網中來,以太網采用星型連接,即所有設備通過光纖交換機相連(交換機在圖中未顯示)。以太網作為變電站自動化係統通信網絡未來數年的發展方向是不可動搖的,光纖介質雖然成本較高,但其卓越的電磁兼容性能和長距離通信能力是雙絞線無法比擬的。