基于現(xiàn)場(chǎng)總線的地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地鐵的供電電源要求安全可靠，通常由城市電網(wǎng)供給。目前，國(guó)內(nèi)各城市對(duì)地鐵及城市軌道交通的供電一般有三種方式，即分散供電方式、集中供電方式、分散與集中相結(jié)合的混合供電方式。分散供電方式是指沿地鐵線路的城市電網(wǎng)（通常是10KV電壓等級(jí)）分別向各沿線的地鐵牽引變電所和降壓變電所供電。其前提條件是城市電網(wǎng)在地鐵沿線有足夠的變電站和備用容量，并能滿(mǎn)足地鐵牽引供電的可靠性要求。如早期的北京地鐵采取的就是這種供電方式。集中供電方式是指城市電網(wǎng)（通常是110KV或66KV電壓等級(jí)）向地鐵的專(zhuān)用主變電所供電，主變電所再向地鐵的牽引變電所和降壓變電所供電，地鐵自身組成完整的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。近幾年新建的地鐵系統(tǒng)多采用集中供電方式，如上海、廣州、深圳地鐵等。

地鐵供電系統(tǒng)監(jiān)控單元，即電力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控著整個(gè)地鐵變電所35kV開(kāi)關(guān)柜綜合測(cè)控單元、150V直流開(kāi)關(guān)柜綜合保護(hù)測(cè)控單元、400V開(kāi)關(guān)柜測(cè)控單元、排流柜測(cè)控單元、交直流盤(pán)監(jiān)控單元、上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)、鋼軌電位限制裝置、軌回流單項(xiàng)導(dǎo)通裝置正常運(yùn)行。因此電力監(jiān)控調(diào)試關(guān)系到整個(gè)地鐵供電質(zhì)量的好壞和地鐵運(yùn)行的安全可靠。地鐵線供電監(jiān)控PSCADA(PowerSupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是集中管理、分散布置的模式及分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)I／O設(shè)備分散布置必然要求使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與I／O設(shè)備交換信息。因此．在地鐵PSCADA系統(tǒng)中的站級(jí)管理層與1.5kV直流開(kāi)關(guān)柜使用.DP現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)兩者之間的信息交互。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。因其具有數(shù)字化、開(kāi)放性、分散性以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)而獲得了廣泛的應(yīng)用。目前。已逐漸成熟并對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有Profibus(Processfieldbus)、HART、LonWorks、FF等。其中，ProfibusDP總線是最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一?？偩€的實(shí)時(shí)性是評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，即總線對(duì)外部事件的反應(yīng)速度越快，實(shí)時(shí)性就越好。PROFIBUS-DP廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層，高總線傳輸速率的特點(diǎn)使其非常適合在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中完成對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的報(bào)文傳輸任務(wù)。以單主站PROFIBUS．DP系本文統(tǒng)為例，分析了與總線實(shí)時(shí)性相關(guān)的各個(gè)時(shí)間參數(shù)，推導(dǎo)總線循環(huán)周期的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并給出令牌目標(biāo)循環(huán)時(shí)間的確定標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)地鐵電力監(jiān)控大部分采用中央級(jí)、車(chē)站級(jí)、單元級(jí)三級(jí)監(jiān)控方式，通信通道采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，有效降低了電力監(jiān)控故障率。雜散電流檢測(cè)部分采用獨(dú)立通道，但是排流單元同時(shí)受雜散檢測(cè)系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng)控制，具體構(gòu)成見(jiàn)西安地鐵二號(hào)線一期工程供電系統(tǒng)工程電力監(jiān)控示意圖。各級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

（1）中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對(duì)全部車(chē)站變電所信號(hào)控制盤(pán)檢測(cè)控制，同時(shí)可以完成報(bào)表和事件打印，調(diào)度員可以根據(jù)要求靈活調(diào)整供電方式。中央級(jí)控制系統(tǒng)和車(chē)站級(jí)控制系統(tǒng)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，如果一端通道故障可采用另一端通道，有效降低通道故障率為通道維修提供保障。

（2）車(chē)站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)本站的監(jiān)控單元檢測(cè)控制，或中央級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)故障，監(jiān)控將下放至車(chē)站級(jí)。車(chē)站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)裝置起承上啟下的作用，既可以完成對(duì)本站各測(cè)控單元的監(jiān)控也可以接受來(lái)自中央級(jí)的命令，同時(shí)也將各測(cè)控單元狀態(tài)上傳至中央監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）測(cè)控單元，是電力監(jiān)控系統(tǒng)中最基本的測(cè)控單元，主要完成檢測(cè)信號(hào)上傳以及上級(jí)控制單元的命令執(zhí)行

2 PROFIBUS-DP總線結(jié)構(gòu)

PROFIBUS—DP的MAC層使用基于Token—Passing方式的主從輪詢(xún)協(xié)議。不同于普通以太網(wǎng)中各個(gè)站點(diǎn)有均等的權(quán)利接入總線，PROFIBUS-DP—Token-Passing網(wǎng)絡(luò)上的各點(diǎn)都連接在總線上，它們擁有平等的物理地位和統(tǒng)一的邏輯地址，但是按照其在網(wǎng)絡(luò)上的功能和自身智能化程度的不同分為主站(MasterStation)和從站(SlaveStation)兩種類(lèi)型。前者的作用是統(tǒng)一管理各個(gè)從站接入總線的時(shí)序，數(shù)據(jù)的收集、處理、加工和反饋主要由Pc和PLC擔(dān)任；后者的作用是將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳到主站并執(zhí)行主站下達(dá)的任務(wù)，一般為前端的傳感器和執(zhí)行器。

PROFIBUS—DP總線上所有的主站可以定義成一個(gè)邏輯環(huán)，如圖1所示為Profibus—DP總線邏輯結(jié)構(gòu)圖，令牌作為一個(gè)特定的幀可以在此邏輯環(huán)中循環(huán)。一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)令牌，在任意時(shí)刻只有一個(gè)主站能夠獲得這個(gè)令牌，持有令牌的主站擁有總線的控制權(quán)，可以將屬于它的從站接入總線并逐一與它們進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種工作機(jī)制確保了任何時(shí)刻PROFIBUS-DP總線上只有一個(gè)主站使用總線，避免了數(shù)據(jù)傳輸沖突。

圖1Profibus—DP總線邏輯結(jié)構(gòu)圖

3 PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵供電系統(tǒng)采用2級(jí)集中供電方式，設(shè)6個(gè)供電分區(qū)，環(huán)網(wǎng)電壓為AC33kV。電力監(jiān)控變電所自動(dòng)化系統(tǒng)在車(chē)站主控設(shè)備室通過(guò)車(chē)站級(jí)的以太網(wǎng)交換機(jī)接入主控系統(tǒng)。電力監(jiān)控變電所自動(dòng)化系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式。分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)由站級(jí)管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、間隔設(shè)備層組成。系統(tǒng)以供電設(shè)備為對(duì)象。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所內(nèi)的110kV／33kV／0.4kV交流保護(hù)測(cè)控單元、1.5kV直流保護(hù)測(cè)控單元、交直流電源系統(tǒng)監(jiān)控單元等間隔層設(shè)備連接起來(lái)。電力監(jiān)控變電所PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2電力監(jiān)控變電所PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

站級(jí)管理層設(shè)備由通信處理機(jī)(總控單元)、液晶顯示器組成．在牽引變電主所還包括當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計(jì)算機(jī)。通信處理機(jī)采用可靠性高、處理能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度快的工業(yè)級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。通信處理機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)、所內(nèi)網(wǎng)傳輸都采用光纖以太網(wǎng)接口。

網(wǎng)絡(luò)通信層提供了RS一422、RS一485和CAN、PROFIBUS-DP等現(xiàn)場(chǎng)總線接口．及以太網(wǎng)、光纖以太網(wǎng)接口．可滿(mǎn)足自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)變電所供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的要求．同時(shí)提供了通信接口的可擴(kuò)展能力，以滿(mǎn)足系統(tǒng)擴(kuò)容和增加通信手段的需要。

間隔層設(shè)備包括：1.5kV直流開(kāi)關(guān)柜(包括饋線柜、進(jìn)線柜和負(fù)極柜3種類(lèi)型)，33kVGIS(GasInsu1anceSwitchcabinet)REF542+綜合測(cè)控保護(hù)單元。0.4kV開(kāi)關(guān)柜智能信息采集單元。110kV線路保護(hù)，110kVGIS測(cè)控單元。110kV分段保護(hù)、主變保護(hù)，智能監(jiān)控單元和時(shí)鐘系統(tǒng)。每個(gè)變電所因其功能的不同可只包含部分間隔層設(shè)備．如1.5kV直流開(kāi)關(guān)柜只存在于牽引所。在實(shí)際系統(tǒng)中1.5kV直流開(kāi)關(guān)柜與站級(jí)管理層中的總控單元l直接構(gòu)成DP總線網(wǎng)．下面詳細(xì)分析該總線網(wǎng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。

4 電力系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)

根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)中的諧波情況和仿真分析的需要，本文構(gòu)建出以下兩種信號(hào)模型。實(shí)際電網(wǎng)中由于既存在線性負(fù)荷也存在非線性的負(fù)荷，所以實(shí)際情況下電網(wǎng)中的諧波既包含穩(wěn)定的基波的各次諧波分量也包含一些非穩(wěn)定的瞬態(tài)變化的諧波，各種電網(wǎng)噪聲干擾等。為了仿真分析的方便起見(jiàn)，本文選取有代表性的僅含一種諧波情況的諧波信號(hào)進(jìn)行分析。

4.1信號(hào)模型一

圖3正弦信號(hào)搭建的諧波電源的仿真模型

圖4正弦信號(hào)搭建的諧波電源的信號(hào)波形圖

4.2信號(hào)模型二

含有白噪聲的正弦信號(hào)，即基波加白噪聲。在電網(wǎng)中電壓和電流的基波頻率均為50Hz，本文考慮基波中含有正態(tài)分布的隨機(jī)噪聲的情況。設(shè)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

此信號(hào)中第一項(xiàng)是頻率為50Hz的基波，第二項(xiàng)是正態(tài)分布的隨機(jī)噪聲分量，其幅度為基波幅度的0.2倍，在MATLAB中使用

函數(shù)來(lái)表示

階的正態(tài)分布的隨機(jī)矩陣。在實(shí)際的電網(wǎng)電壓或者電流中可能還含有其它成分的單一頻率的諧波，此處為了簡(jiǎn)化分析，僅考慮基波加噪聲的情況，如果有其它諧波成分的話，將其疊加綜合考慮即可。相應(yīng)的仿真圖如圖5所示，信號(hào)波形圖如圖6所示。

圖5含有白噪聲的正弦信號(hào)仿真模型

圖6含有白噪聲的正弦信號(hào)的信號(hào)波形圖

5 結(jié)論

本文分析了PROFIBUS—DP總線的通信協(xié)議和介質(zhì)層的任務(wù)處理流程，在對(duì)單主站PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)中的主／從數(shù)據(jù)交換過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了了諧波電流檢測(cè)算法方法。光纖環(huán)網(wǎng)采用總線結(jié)構(gòu)。通過(guò)通信鏈路的冗余．使得增加新的間隔層設(shè)備而不影響其他設(shè)備的正常工作。通過(guò)DP現(xiàn)場(chǎng)總線在PSCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用。極大增強(qiáng)了間隔層設(shè)備的信息集成能力．同時(shí)降低了系統(tǒng)的工程成本．提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性及擴(kuò)展能力。