??? 摘? 要: 介紹了一種基于上、下位機的無軌電車整流站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。敘述了該系統(tǒng)的組成、工作過程和功能,并著重敘述了短路檢測系統(tǒng)的基本原理、組成和工作過程。?

??? 關(guān)鍵詞: PLC? 工控機? 監(jiān)控系統(tǒng)? 短路檢測

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??? 隨著交通運輸行業(yè)的飛速發(fā)展,空氣污染日趨嚴重。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著變壓、整流和輸送電的任務。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出了更高的要求。過去那種靠人工監(jiān)視、手動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,人為故障較多,效率較低。在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,需要防止事故擴大、壓縮停電時間、盡快恢復電車運行。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。近幾年,PLC以其系統(tǒng)構(gòu)成靈活、編程設計簡單、可靠性高及抗干擾能力強等諸多優(yōu)勢在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。我們將工控機和PLC應用于無軌電車整流站自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)的改造,取得了良好效果。?

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。?

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??? 圖1中,控制室屬于上位機監(jiān)控部分。主機選用臺灣研華公司生產(chǎn)的IPC-586工控機。采用WINDOWS95NT、VC++5.0畫面開發(fā)軟件。通過上位機畫面可以對站內(nèi)運行狀態(tài)進行監(jiān)視。當站內(nèi)運行情況發(fā)生異常時,可進行越限或故障的聲音報警及文字提示,同時自動彈出有關(guān)畫面,便于監(jiān)護人員迅速分析、處理,以最短的時間恢復供電。其報警內(nèi)容包括:母排失壓或超低限的報警;送出回路失壓、故障跳閘、短路或末端短路的報警;油開關(guān)跳閘的報警;在早6:30～晚21:00之間,對饋出回路電流I<30A、時間T≥15min的超低限報警;某饋出回路I≥1500A、時間T持續(xù)達5秒時的超大電流報警;火災、防盜門訊的報警等。此外,該系統(tǒng)還可對各控制開關(guān)執(zhí)行合、跳閘命令時不到位故障進行報警提示。各類報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進行相應的顯示或報警,另一方面根據(jù)系統(tǒng)設置的運行狀態(tài),按照其內(nèi)部邏輯程序輸出命令,控制相應的執(zhí)行機構(gòu)。該系統(tǒng)的上、下位機比例為1:8。上位機可以接收八個站端PLC的信息,并按八個站的聯(lián)網(wǎng)設計管理結(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)可實現(xiàn)下位機全自動狀態(tài)的監(jiān)控、上位機手動狀態(tài)的監(jiān)控和保留原來現(xiàn)場控制臺手動狀態(tài)的監(jiān)控三種運行狀態(tài)的自由切換。在該控制系統(tǒng)投入運行前,應檢查確認各受控開關(guān)及刀閘正常工作條件均已滿足,操作人員可從上位機或控制柜選擇下面任意一種工作狀態(tài)。?

??? (1)現(xiàn)場手動操作狀態(tài):PIC系統(tǒng)將上、下位機的輸出命令全部封鎖。由現(xiàn)場操作臺來控制各受控開關(guān)。通過上位機畫面可對各開關(guān)量的“合”、“斷”狀態(tài)及各模擬量的變化進行監(jiān)視,并自動記錄各類事件,以便事后查閱、分析。?

??? (2)上位機手動操作狀態(tài):可從上位機進行監(jiān)視運行,也可以利用鼠標和鍵盤以口令形式對各受控開關(guān)發(fā)出“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),以便于維護人員進行檢修。不同操作人員可以設置不同操作口令,并對其操作過程自動記錄,以便一旦發(fā)生事故后可迅速查閱,為查清事故責任人和對變電運行人員進行經(jīng)濟考核提供了客觀準確的依據(jù)。?

??? (3)下位機自動操作狀態(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:?

??? ①在系統(tǒng)進行正常監(jiān)控運行時,當某一路高速開關(guān)發(fā)生故障跳閘時,系統(tǒng)一方面通過上位機發(fā)出報警提示,并自動彈出故障回路相應畫面;另一方面通過下位機命令短路檢測系統(tǒng)投入該回路進行“短路故障檢測”。當其檢測結(jié)果為“真”短路時,通過上位機發(fā)出告警提示,直至人為確認。同時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。此時人為通知調(diào)度去檢修故障線路,經(jīng)確認已排除后,再在上位機人為解除對該回路高速開關(guān)的屏蔽,而下位機則再自動進行短路檢測,確認無短路故障時,則延時28s后自動重合閘。?

??? ②如若檢測結(jié)果為“無”短路故障,同時該回路處在“備用自動并送”功能設置狀態(tài)時,該系統(tǒng)將自動檢測其跳閘瞬間前8點(每點間隔10ms)的電流平均值I_均,當I_均≥1300A,則系統(tǒng)認定其為“過載”,下位機自動將該路高速開關(guān)、備刀和備用回路的高速開關(guān)投上。當系統(tǒng)檢定其電流I_均<1200A、T≥10min時,將自動切斷備用回路的高速開關(guān)及備刀。?

??? ③如若檢測結(jié)果為“無”短路故障,同時過載檢測也為“否”,則延遲28s后自動重合“高速開關(guān)”。?

??? ④在“下位機自動操作”狀態(tài)時,可人為“設置”或“屏蔽”任一送出回路過載時的主、備用自動并送及恢復正常功能。?

??? ⑤在“上位機手動操作”及“下位機自動操作”兩種狀態(tài),當系統(tǒng)檢測到某一饋出回路的電流I為900A時,時間在0.5分鐘內(nèi),其電流上下波動范圍不超過±50A,即I_最大-I_最小≤100A時,PLC均可以自動切斷該路高速開關(guān),上位機發(fā)出“末端短路”(即穩(wěn)定負荷)報警。在“下位機自動操作”狀態(tài)時,下位機可自動投入短路檢測裝置,進行相應的操作。在“上位機手動操作”狀態(tài)時,以上工作均由操作員來完成。?

??? ⑥在“下位機自動運行”狀態(tài)時,如若某一回路高速開關(guān)需要檢修維護,可通過上位機發(fā)出“代送”命令,PLC自動遙控切斷該路高速開關(guān)。同時合上該回路備用刀閘及對應備用回路高速開關(guān),檢修完畢,可發(fā)出“恢復”正常命令,PIC自動遙控斷開備用回路高速開關(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)具備先進的自動短路判別功能。8個整流站負責饋出供電網(wǎng)路100多條。由于車輛多、道路窄、線路老化、行駛不當?shù)纫蛩?經(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,導致無軌電車停運、線網(wǎng)損壞、交通堵塞等嚴重問題。國內(nèi)電車系統(tǒng)整流站自動監(jiān)控領(lǐng)域?qū)Χ搪饭收系呐袆e技術(shù)尚不成熟,經(jīng)常出現(xiàn)誤判。怎樣自動識別過載、瞬時短路或永久短路,并采取相應措施,保證安全供電及經(jīng)濟不受損失,成為電車行業(yè)供電系統(tǒng)的一個主要問題。我們根據(jù)用戶提出的功能要求,設計制作了饋線遠區(qū)跳閘原因自動識別及報警系統(tǒng)。與利用人為重合閘進行判斷的方法相比,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)行機構(gòu)等五部分組成。其基本原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。?

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??? 當供電系統(tǒng)某一饋出回路故障時,發(fā)生高速開關(guān)跳閘?？赡艿脑蛴腥N:過載、瞬時短路或永久短路。在自動操作狀態(tài)時,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(每點間隔10ms)的電流值,與預先設置的參數(shù)進行比較。若采樣值小于等于預置參數(shù),則判為過載;若采樣值大于預置參數(shù),則判為短路。?

??? (2)瞬時短路和永久短路的判別:當高速開關(guān)發(fā)生跳閘時,其信號回饋到PLC系統(tǒng)。經(jīng)CPU確認后,根據(jù)其內(nèi)部判斷邏輯輸出相應的控制信號,將短路判別系統(tǒng)的信號源投入跳閘饋線回路,進行第一次判斷。采樣電路進行檢測,根據(jù)故障回路短路點的遠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)采樣比較控制電路的轉(zhuǎn)換,與預先設置的參數(shù)進行分析比較,則可以判定是否短路。如果為“真”短路,經(jīng)60s延時后再進行第二次判斷,若仍與第一次結(jié)果相同,則認為是永久短路;若與第一次結(jié)果相反,則認為是瞬時短路。判別結(jié)果送入PLC,經(jīng)CPU內(nèi)部邏輯判斷發(fā)出相應的指令,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu),若瞬時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,同時通過上位機發(fā)出報警,并自動彈出故障回路相應畫面,使監(jiān)護人員快速、準確地分析、確認跳閘原因,以便及時處理事故,盡快恢復供電?？紤]到實際路中各種因素的影響,該系統(tǒng)判別的準確率為95%以上。?

??? 本文設計的無軌電車整流站自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有下列功能:?

??? (1)早間3時50分、晚間23時的送電、停電定時鬧鐘提示;?

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

??? (3)可進行運行日報表、電量日報表、供電日報表的自動填寫及定時打印;?

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

??? (5)人機對話靈活方便,操作簡單,鍵盤和鼠標器在線控制和操作,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)突然掉電及瞬時失壓造成的數(shù)據(jù)丟失或上、下位機通訊狀態(tài)的改變;?

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

??? (8)系統(tǒng)還增設了必要的防雷措施,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)后還將增設通訊線路的浪涌吸收裝置等。?

??? 一段時間的試運行表明,基于上、下位機的無軌電車整流站自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)的投入代替了人工監(jiān)控操作,實現(xiàn)了整流站無人監(jiān)控的自動化過程,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,其各項指標均達到預期效果,滿足了用戶的要求。?

參考文獻?

1 鄭 晟.現(xiàn)代可編程序控制器原理與應用.北京:科學出版社,1999?

2 PLC手冊. OMRON公司，1999