基于現場總線的地鐵電力監控系統的設計    來源:http://my171.cn/

地鐵的供電電源要求安全可靠，通常由城市電網供給。目前，國內各城市對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（通常是10KV電壓等級）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在地鐵沿線有足夠的變電站和備用容量，并能滿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（通常是110KV或66KV電壓等級）向地鐵的專用主變電所供電，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絡系統。近幾年新建的地鐵系統多采用集中供電方式，如上海、廣州、深圳地鐵等。

地鐵供電系統監控單元，即電力監控系統監控著整個地鐵變電所35kV開關柜綜合測控單元、150V直流開關柜綜合保護測控單元、400V開關柜測控單元、排流柜測控單元、交直流盤監控單元、上網隔離開關操作機構、鋼軌電位限制裝置、軌回流單項導通裝置正常運行。因此電力監控調試關系到整個地鐵供電質量的好壞和地鐵運行的安全可靠。地鐵線供電監控PSCADA(PowerSupervisoryControlAndDataAcquisition)系統設計采用的是集中管理、分散布置的模式及分層分布式系統結構。現場I／O設備分散布置必然要求使用現場總線技術或網絡技術實現監控系統與I／O設備交換信息。因此．在地鐵PSCADA系統中的站級管理層與1.5kV直流開關柜使用.DP現場總線實現兩者之間的信息交互。

現場總線技術是實現現場級設備數字化通信的一種工業現場網絡通信技術。因其具有數字化、開放性、分散性以及對現場環境的適應性等特點而獲得了廣泛的應用。目前。已逐漸成熟并對工業自動化進程形成影響的現場總線主要有Profibus(Processfieldbus)、HART、LonWorks、FF等。其中，ProfibusDP總線是最為流行的現場總線技術之一。總線的實時性是評價現場總線系統性能的重要標準，即總線對外部事件的反應速度越快，實時性就越好。PROFIBUS-DP廣泛應用于工業現場層，高總線傳輸速率的特點使其非常適合在小規模網絡中完成對實時性要求高的報文傳輸任務。以單主站PROFIBUS．DP系本文統為例，分析了與總線實時性相關的各個時間參數，推導總線循環周期的數學表達式，并給出令牌目標循環時間的確定標準。

1 系統構成特點

目前國內地鐵電力監控大部分采用中央級、車站級、單元級三級監控方式，通信通道采用環形網絡傳輸通道，有效降低了電力監控故障率。雜散電流檢測部分采用獨立通道，但是排流單元同時受雜散檢測系統和電力監控系統控制，具體構成見西安地鐵二號線一期工程供電系統工程電力監控示意圖。各級監控系統特點如下：

（1）中央級監控系統，中央級監控系統主要完成對全部車站變電所信號控制盤檢測控制，同時可以完成報表和事件打印，調度員可以根據要求靈活調整供電方式。中央級控制系統和車站級控制系統采用環形網絡傳輸通道，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）車站級監控系統，主要實現對本站的監控單元檢測控制，或中央級監控系統故障，監控將下放至車站級。車站級監控系統裝置起承上啟下的作用，既可以完成對本站各測控單元的監控也可以接受來自中央級的命令，同時也將各測控單元狀態上傳至中央監控系統。

（3）測控單元，是電力監控系統中最基本的測控單元，主要完成檢測信號上傳以及上級控制單元的命令執行

2 PROFIBUS-DP總線結構

PROFIBUS—DP的MAC層使用基于Token—Passing方式的主從輪詢協議。不同于普通以太網中各個站點有均等的權利接入總線，PROFIBUS-DP—Token-Passing網絡上的各點都連接在總線上，它們擁有平等的物理地位和統一的邏輯地址，但是按照其在網絡上的功能和自身智能化程度的不同分為主站(MasterStation)和從站(SlaveStation)兩種類型。前者的作用是統一管理各個從站接入總線的時序，數據的收集、處理、加工和反饋主要由Pc和PLC擔任；后者的作用是將采集到的現場數據上傳到主站并執行主站下達的任務，一般為前端的傳感器和執行器。

PROFIBUS—DP總線上所有的主站可以定義成一個邏輯環，如圖1所示為Profibus—DP總線邏輯結構圖，令牌作為一個特定的幀可以在此邏輯環中循環。一個系統中只有一個令牌，在任意時刻只有一個主站能夠獲得這個令牌，持有令牌的主站擁有總線的控制權，可以將屬于它的從站接入總線并逐一與它們進行數據交換。這種工作機制確保了任何時刻PROFIBUS-DP總線上只有一個主站使用總線，避免了數據傳輸沖突。

圖1Profibus—DP總線邏輯結構圖

3 PSCADA系統結構

地鐵供電系統采用2級集中供電方式，設6個供電分區，環網電壓為AC33kV。電力監控變電所自動化系統在車站主控設備室通過車站級的以太網交換機接入主控系統。電力監控變電所自動化系統采用集中管理、分散布置的模式。分層、分布式系統結構：系統由站級管理層、網絡通信層、間隔設備層組成。系統以供電設備為對象。通過網絡將所內的110kV／33kV／0.4kV交流保護測控單元、1.5kV直流保護測控單元、交直流電源系統監控單元等間隔層設備連接起來。電力監控變電所PSCADA系統結構如圖2所示。

圖2電力監控變電所PSCADA系統結構圖

站級管理層設備由通信處理機(總控單元)、液晶顯示器組成．在牽引變電主所還包括當地監控計算機。通信處理機采用可靠性高、處理能力強、實時響應速度快的工業級監控計算機。通信處理機的遠程網、所內網傳輸都采用光纖以太網接口。

網絡通信層提供了RS一422、RS一485和CAN、PROFIBUS-DP等現場總線接口．及以太網、光纖以太網接口．可滿足自動化系統對變電所供電設備進行監控的要求．同時提供了通信接口的可擴展能力，以滿足系統擴容和增加通信手段的需要。

間隔層設備包括：1.5kV直流開關柜(包括饋線柜、進線柜和負極柜3種類型)，33kVGIS(GasInsu1anceSwitchcabinet)REF542+綜合測控保護單元。0.4kV開關柜智能信息采集單元。110kV線路保護，110kVGIS測控單元。110kV分段保護、主變保護，智能監控單元和時鐘系統。每個變電所因其功能的不同可只包含部分間隔層設備．如1.5kV直流開關柜只存在于牽引所。在實際系統中1.5kV直流開關柜與站級管理層中的總控單元l直接構成DP總線網．下面詳細分析該總線網的設計及實現方案。

4 電力系統信號檢測

根據實際電網中的諧波情況和仿真分析的需要，本文構建出以下兩種信號模型。實際電網中由于既存在線性負荷也存在非線性的負荷，所以實際情況下電網中的諧波既包含穩定的基波的各次諧波分量也包含一些非穩定的瞬態變化的諧波，各種電網噪聲干擾等。為了仿真分析的方便起見，本文選取有代表性的僅含一種諧波情況的諧波信號進行分析。

4.1信號模型一

圖3正弦信號搭建的諧波電源的仿真模型

圖4正弦信號搭建的諧波電源的信號波形圖

4.2信號模型二

含有白噪聲的正弦信號，即基波加白噪聲。在電網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分布的隨機噪聲的情況。設信號的數學表達式如下：

此信號中第一項是頻率為50Hz的基波，第二項是正態分布的隨機噪聲分量，其幅度為基波幅度的0.2倍，在MATLAB中使用

函數來表示

階的正態分布的隨機矩陣。在實際的電網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。相應的仿真圖如圖5所示，信號波形圖如圖6所示。

圖5含有白噪聲的正弦信號仿真模型

圖6含有白噪聲的正弦信號的信號波形圖

5 結論

本文分析了PROFIBUS—DP總線的通信協議和介質層的任務處理流程，在對單主站PROFIBUS-DP總線系統中的主／從數據交換過程進行分析的基礎上，給出了了諧波電流檢測算法方法。光纖環網采用總線結構。通過通信鏈路的冗余．使得增加新的間隔層設備而不影響其他設備的正常工作。通過DP現場總線在PSCADA系統中的應用。極大增強了間隔層設備的信息集成能力．同時降低了系統的工程成本．提高了整個系統的可靠性和可維護性及擴展能力。

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