摘要:闡述了德國西門子公司3WL可通訊智能斷路器的特性以及在地鐵低壓配電工程中的應用,介紹了它的參數初始化、組態、診斷、測試、維護功能、遠程控制等特性及功能模塊,并結合地鐵低壓配電工程中的通訊網絡、相關協議,應用3WL可通訊智能斷路器進行設計,實現遠程控制。

    1引言

    隨著自動化技術不斷發展,智能斷路器和現場總線技術已在高、低壓配電系統中發揮著越來越重要的作用。開關量、電量參數都可通過現場總線傳送到中央控制室的計算機上。智能斷路器強大的功能使得參數初始化、組態、診斷、測試、維護等工作可在控制室完成,提高了整個系統的自動化程度,縮短了故障出現后的響應時間,增強了系統的可控性,降低了系統的維護成本[1]。由于歷史條件限制,廣州地鐵一號線低壓配電系統采用傳統的備自投裝置,主要由多個中間繼電器和時間繼電器組成,在多年運行中出現過供電可靠性不夠高等問題。傳統的低壓系統功能單一,以點對點的方式與上位監控系統連接,其大量的控制電纜造成現場接線和調試工作量大,日后難以維護;設備控制采用繼電器接觸器控制,分離的電氣元件多,接線復雜,可靠性差。因此,地鐵三號線裝備了國內最先進的“智能低壓配電系統”,控制線路變得非常簡單,簡化了現場接線和維護檢修工作,保證了高質量的地鐵供電要求。

    地鐵低壓配電系統是直接向軌道交通中的其它系統提供電能的重要子系統,同時還負責監測控制通風空調、給排水和照明等設備的運行狀態。由于低壓智能化處于控制系統的最底層,通信網絡選用現場總線結構,智能元件均具有通信口。智能斷路器用于低壓供配電系統中,作進線斷路器、母聯分段斷路器和部分大電流出線回路的斷路器開關。這些回路中往往要求測量三相電壓電流、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度等電力參數,在智能供配電系統中又要求“遙測”這些電量,甚至要求“遙信”、“遙控”、“遙調”斷路器開關,監視其運行和故障狀態。

    智能低壓系統功能強,可實現對供配電回路或設備的計量、軟起動、變頻、控制、保護、監視、故障診斷、故障報警和預報警等功能。智能低壓系統接線簡單,通過通信口與上位監控系統EMCS(機電設備監控系統)、SCADA(電力監控系統)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用。

    2西門子3WL智能斷路器

    西門子3WL智能斷路器內部有通信總線CubicleBUS,具有參數初始化、組態、診斷、測試、維護功能、遠程控制等特性,在通訊方面有其獨到的應用價值。3WL智能斷路器附帶測量功能單元、BSS模塊、協議模塊(Modbus、Profibus兩者可選)和液晶顯示屏[4][5]。在斷路器內部,有一特殊系統總線Cu-bicleBUS作為該結構的中樞。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有斷路器數據源,以保證快速地訪問信息和響應事件。通過CubicleBUS與各附加模塊(包括數字量輸入輸出模板、模擬量輸出模板)形成各種最有成本效益的自動化方案。

    2.1斷路器狀態傳感器BSS

    所有微型開關都可采集安裝或連接到BSS模板上的斷路器狀態。BSS為CubicleBUS提供下列數據:開關合/分信號、脫扣信號、儲能機構儲能信號、合閘準備就緒信號、欠電壓脫扣信號。BSS還含有一個溫度傳感器,根據安裝場地的不同,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,實現一個類似多用途測量儀表的功能,并提供良好的對外輸出。可完成測量的參數如下:電流、電壓、功率、能量、功率因數、頻率等。這些參數逐個測量,分別包括實際值,最小值/最大值,測量功能單元也可以完成附加的保護功能。增強型測量功能單元具有兩個附加的波形緩存,并支持諧波分析,可以實現通過故障事件發生的詳細診斷。

    2.3通訊協議模塊

    使用COM15Profibus模塊,斷路器可直接連接到PofibusDP或Modbus。它支持創新性的DPV1功能,保證最簡單的調試和診斷以及最佳的可視界面。通過使用COM15接口,采用必要的附件設備,SENTRONWL可實現遙控合閘/分閘,以及遙控修改斷路器參數。斷路器的位置可通過微型開關在COM15上進行采集和傳輸。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,集成的時鐘為所有事件及參數值添加時間標記并實現同步。

    3.1智能低壓配電系統結構

    在地鐵智能低壓配電系統中,大量使用了3WL智能斷路器。智能低壓配電系統由智能斷路器、小型PLC呈智能I/O、現場總線等組成,并通過智能通信接口模塊與SCADA連接。智能低壓配電系統示意圖如圖1所示。整個低壓部分有眾多開關柜,除完成正常的輸配電功能,還要具備通訊功能與上位機組網,形成低壓配電監控裝置遠程組態、診斷、測試、維護等功能,進行低壓電網運行狀態實時監測,及時發現和定位電網故障。

    智能低壓配電要求通過現場總線實現低壓配電智能化,采集分變電所中各配電段的電參量信息、斷路器狀態信息,實現對各分變電所的遙控、遙測、遙調、遙訊,以便管理人員及時發現問題,處理突發事件。通過使用3WL智能斷路器,使得地鐵智能低壓配電系統在低壓電網初始化參數、組態、診斷、測試、維護及能量管理方面打開了全新局面。

    3.2MODBUS通訊協議

    3WL智能斷路器可以完成與Modbus、Profibus的組網,地鐵智能低壓配電系統應用的是Modbus[7]。Modbus是MODICON公司為其生產的PLC設計的一種通信協議,從功能上可認為是一種現場總線。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程,如回應來自其它設備的請求,以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

    當在一Modbus網絡上通信時,此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址,識別按地址發來的消息,決定要產生何種行動。如果需要回應,控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上,包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

    控制器通信使用主-從技術,主設備可單獨和從設備通信,也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信,從設備返回一消息作為回應,如果是以廣播方式查詢的,則不作任何回應。Modbus通信有2種模式:ASCII和RTU模式。一個Modbus通信系統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,整個消息幀作為一連續的流傳輸,傳輸速率較ASCII模式高。

    3.3地鐵工程通訊網絡

    為地鐵智能低壓配電系統通訊網絡結構示意圖。在此網絡中,處于低壓配電室的進線柜、聯絡柜中的3WL斷路器將采集到如電壓、電流、功率因數、斷路器狀態等各種參數,通過和它相連接的RS485送至本變電室光電接口,在光電轉換器處將電氣信號轉換為可以在光纖網絡上進行遠傳的光信號。從遠端傳輸來的光信號經過NSC100轉換為RS232電氣標準信號,再由NPort5610轉換為適用于以太網的協議語言。

    在中央控制室,值班人員就可在PC機上看到所有配電室的設備運行狀況,隨時處理發生的緊急狀況,從而避免出現問題后由于信息閉塞而帶來設備損毀的可能。技術工程師可在此時對各開關進行參數設置、組態、診斷、測試、維護等。

    3.43WL智能斷路器的遠程控制設計

    地鐵智能低壓配電系統中3WL智能斷路器通訊協議模塊采用COM15,與CubicleBUS相連的BSS和測量功能單元分別采集斷路器的開關量和電氣參數,并提供給CubicleBUS內部總線,并通過COM15轉換為外部網絡可識別的Modbus協議。其電氣連接協議為RS485串行接口。3WL斷路器通過BSS、測量功能單元、通訊協議模塊的幾個關鍵組成部件來傳輸配電系統所有電氣參數。

    通過COM15模塊智能斷路器可以支持工業標準Modbus協議。而進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的通訊連接是被安裝在配電室內的西門子8PT開關柜里,每個3WL智能斷路器作為通訊網絡的一個終端,變電室用戶可通過RS485標準的屏蔽雙絞線將其連接到上位機,組成控制網絡。COM15模塊相當于一個數據中轉站,其中以數據集的形式來組織數據。每數據集包含一組通用寄存器。COM15共有28個數據集。這樣的數據結構有利于總線的讀取和訪問,可在一條消息中包含一個數據塊。這種存取有利于整個Modbus快捷有效的工作,網絡可通過COM15模塊而實現遠程分合閘。地鐵智能低壓配電系統主電路方案如圖3所示,其根本思想即通過3個斷路器中的任意2個合閘來保證整段設備持續供電,這其中包括3個斷路器之間的連鎖控制。

    智能低壓控制系統采用的是單總線結構。考慮到系統可靠性要求,對于設備較多可靠性要求較高時采用多條單總線形式[5]。如:一個車站環控電控室選用3條現場總線;區間及車站變電所選用1條現場總線。對于3號線,SCADA供貨商選用設備本身具有3個通信可掛3條現場總線。智能低壓控制系統示意圖如圖4所示。

    4結語

    智能低壓系統的采用不僅完善了環控設備的保護功能、提高了系統的可靠性,簡化了低壓配電系統與EMCS的接口。實現了地鐵運營管理的實時、可靠、快速的要求。設置在環控電控室的設備人機操作界面,便于就地進行各個智能模塊的參數設定和查詢。同時由于現場總線技術的應用,系統中智能化元件可不依賴計算機網絡而獨立運行,具有強抗干擾能力。新型智能低壓系統避免了廣州地鐵一、二號線采用傳統的低壓配電系統和傳統的繼電器、接觸器控制方式的不足。由于系統功能提高和控制接線的簡化,提高了系統可靠性和自動化程度,大為縮短了系統的安裝調試時間,同時提高了系統的可維護性。