??? 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控系統。敘述了該系統的組成、工作過程和功能,并著重敘述了短路檢測系統的基本原理、組成和工作過程。?
??? 關鍵詞: PLC? 工控機? 監控系統? 短路檢測
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??? 隨著交通運輸行業的飛速發展,空氣污染日趨嚴重。無軌電車以其無污染、節省燃料等優勢在該行業中占據著不可替代的位置。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。隨著公共交通事業的發展,對無軌電車供電的可靠性提出了更高的要求。過去那種靠人工監視、手動操作的整流站控制方式已保證不了電能饋出系統工作在最佳狀態,不能正確判斷某些意外事故,人為故障較多,效率較低。在供電系統發生故障時,需要防止事故擴大、壓縮停電時間、盡快恢復電車運行。因此,建立現代化的無軌電車供電調度數據采集和監視控制系統是十分必要的。近幾年,PLC以其系統構成靈活、編程設計簡單、可靠性高及抗干擾能力強等諸多優勢在控制領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控系統的改造,取得了良好效果。?
1 監控系統的組成?
??? 該監控系統的基本構成如圖1所示。?
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??? 圖1中,控制室屬于上位機監控部分。主機選用臺灣研華公司生產的IPC-586工控機。采用WINDOWS95NT、VC++5.0畫面開發軟件。通過上位機畫面可以對站內運行狀態進行監視。當站內運行情況發生異常時,可進行越限或故障的聲音報警及文字提示,同時自動彈出有關畫面,便于監護人員迅速分析、處理,以最短的時間恢復供電。其報警內容包括: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,該系統還可對各控制開關執行合、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,也是該系統的核心部分,選用OMRON公司生產的C200。它一方面將通過開關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,另一方面根據系統設置的運行狀態,按照其內部邏輯程序輸出命令,控制相應的執行機構。該系統的上、下位機比例為1:8。上位機可以接收八個站端PLC的信息,并按八個站的聯網設計管理結構程序。?
2 監控系統工作過程?
??? 改造后的整流站監控系統可實現下位機全自動狀態的監控、上位機手動狀態的監控和保留原來現場控制臺手動狀態的監控三種運行狀態的自由切換。在該控制系統投入運行前,應檢查確認各受控開關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。?
??? (1)現場手動操作狀態:PIC系統將上、下位機的輸出命令全部封鎖。由現場操作臺來控制各受控開關。通過上位機畫面可對各開關量的“合”、“斷”狀態及各模擬量的變化進行監視,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:可從上位機進行監視運行,也可以利用鼠標和鍵盤以口令形式對各受控開關發出“合”、“斷”命令,并人為發出短路檢測系統投入或撤出命令以及屏蔽封鎖某路受控開關,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濟考核提供了客觀準確的依據。?
??? (3)下位機自動操作狀態:這一狀態是該系統的主要工作狀態。在這種工作狀態下,系統具有下列功能:?
??? ①在系統進行正常監控運行時,當某一路高速開關發生故障跳閘時,系統一方面通過上位機發出報警提示,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投入該回路進行“短路故障檢測”。當其檢測結果為“真”短路時,通過上位機發出告警提示,直至人為確認。同時屏蔽該回路的高速開關的操作命令,使其“重合閘”命令送不出去。此時人為通知調度去檢修故障線路,經確認已排除后,再在上位機人為解除對該回路高速開關的屏蔽,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”功能設置狀態時,該系統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,則系統認定其為“過載”,下位機自動將該路高速開關、備刀和備用回路的高速開關投上。當系統檢定其電流I均<1200A、T≥10min時,將自動切斷備用回路的高速開關及備刀。?
??? ③如若檢測結果為“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”。?
??? ④在“下位機自動操作”狀態時,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,當系統檢測到某一饋出回路的電流I為900A時,時間在0.5分鐘內,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,上位機發出“末端短路”(即穩定負荷)報警。在“下位機自動操作”狀態時,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”狀態時,以上工作均由操作員來完成。?
??? ⑥在“下位機自動運行”狀態時,如若某一回路高速開關需要檢修維護,可通過上位機發出“代送”命令,PLC自動遙控切斷該路高速開關。同時合上該回路備用刀閘及對應備用回路高速開關,檢修完畢,可發出“恢復”正常命令,PIC自動遙控斷開備用回路高速開關及該路備刀,合上該路高速開關。?
3 短路檢測系統?
??? 本監控系統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路100多條。由于車輛多、道路窄、線路老化、行駛不當等因素,經常發生集電桿脫落現象,造成觸線打連、絞接等短路故障,導致無軌電車停運、線網損壞、交通堵塞等嚴重問題。國內電車系統整流站自動監控領域對短路故障的判別技術尚不成熟,經常出現誤判。怎樣自動識別過載、瞬時短路或永久短路,并采取相應措施,保證安全供電及經濟不受損失,成為電車行業供電系統的一個主要問題。我們根據用戶提出的功能要求,設計制作了饋線遠區跳閘原因自動識別及報警系統。與利用人為重合閘進行判斷的方法相比,該系統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U和I的相位差判斷是否短路。?
??? 該系統主要由自動投切裝置、信號發生裝置、采樣比較控制電路、軟件識別系統和執行機構等五部分組成。其基本原理結構圖如圖2所示。?
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??? 當供電系統某一饋出回路故障時,發生高速開關跳閘。可能的原因有三種:過載、瞬時短路或永久短路。在自動操作狀態時,該系統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,與預先設置的參數進行比較。若采樣值小于等于預置參數,則判為過載;若采樣值大于預置參數,則判為短路。?
??? (2)瞬時短路和永久短路的判別:當高速開關發生跳閘時,其信號回饋到PLC系統。經CPU確認后,根據其內部判斷邏輯輸出相應的控制信號,將短路判別系統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,經采樣比較控制電路的轉換,與預先設置的參數進行分析比較,則可以判定是否短路。如果為“真”短路,經60s延時后再進行第二次判斷,若仍與第一次結果相同,則認為是永久短路;若與第一次結果相反,則認為是瞬時短路。判別結果送入PLC,經CPU內部邏輯判斷發出相應的指令,驅動執行機構,若瞬時短路則可令高速開關重新合閘;永久短路則將高速開關封鎖,同時通過上位機發出報警,并自動彈出故障回路相應畫面,使監護人員快速、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。考慮到實際路中各種因素的影響,該系統判別的準確率為95%以上。?
??? 本文設計的無軌電車整流站自動化集中監控系統具有下列功能:?
??? (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)可實現對各模擬量24小時變化曲線趨勢圖的存儲及隨時調閱和打印;?
??? (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,又能刷新更改,便于檢修;?
??? (6)在線式UPS不間斷電源配置,可以防止系統突然掉電及瞬時失壓造成的數據丟失或上、下位機通訊狀態的改變;?
??? (7)具有自診斷系統,可檢查工控機硬件及上、下位機通訊是否正常;?
??? (8)系統還增設了必要的防雷措施,如:監控系統供電電源的隔離靜化;模擬量變換的隔離。系統聯網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控系統的投入代替了人工監控操作,實現了整流站無人監控的自動化過程,提高了供電系統的可靠性,降低了人為事故率。該系統效果良好,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