【摘要】通過對地鐵電力SCADA系統(tǒng)的構(gòu)成和功能的分析，將先進的LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)TRANBBS技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電力設(shè)備的監(jiān)督和控制。
【關(guān)鍵詞】：地鐵，電力SCADA，LONWORKS，埃施朗公司，LONTALK
1引言
地鐵供配電系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著向地鐵各系統(tǒng)提供動力能源的任務(wù)。按照功能它可分為高壓電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和動力照明供電系統(tǒng)。高壓電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)將TRANBBS城市電網(wǎng)高壓電變?yōu)榈罔F牽引供電系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)所需要的電壓，由主變電站組成；牽引供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)軌道電動車輛運行的電能，由牽引站和接觸網(wǎng)組成；動力照明供電系統(tǒng)提供車站和區(qū)間各類照明、扶梯、風(fēng)機、水泵等動力機械設(shè)備電源和通信、信號、自動控制等設(shè)備的電源，由降壓站組成。一般，我們習(xí)慣于按照變電站降壓等級分類，即主變電站、牽引站、降壓站。目前，國內(nèi)常規(guī)TRANBBS設(shè)計為設(shè)兩個110/33 kV主變電站，并根據(jù)實際情況設(shè)置多個33 kV /1500VDC牽引站和33/0.4kV降壓變電站。供配電系統(tǒng)作為整個地鐵的動力源泉，是其它系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的前提，為此，建立一個可靠、有效、完善的電力SCADA系統(tǒng)，監(jiān)督供配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并根據(jù)需要進行控制，使供配電系統(tǒng)更好地為其它系統(tǒng)服務(wù)，是所有地鐵用戶的要求。本文介紹采用LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)作為地鐵電力SCADA系統(tǒng)的解決方案。
2LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)概述
LONWORKS是由美國埃施朗公司（ECHELON Co.）開發(fā)的一種完整、全開放、可互操作的目前已十分成熟的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的總稱。全世界已有2500多家公司利用LONWORKS技術(shù)生產(chǎn)各種各樣的LONWORKS產(chǎn)品，以滿足現(xiàn)代化樓宇、工廠、TRANBBS交通運輸系統(tǒng)、城市基礎(chǔ)設(shè)施（水、電、氣等）、家庭環(huán)境等自動化系統(tǒng)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)要求。為了保證來自眾多廠家的產(chǎn)品是真正開放且滿足LONWORKS技術(shù)要求并能使這些產(chǎn)品在一個LONWORKS分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實現(xiàn)即插即用，1994年由全球12家聞名工業(yè)集團發(fā)起、150家公司參加成立了一個稱為LONMARK的互操作性協(xié)會，以確保各種產(chǎn)品在LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)上具有互操作性。1995年， LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)被美國空調(diào)與制冷協(xié)會確定為樓宇自動化控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。1998年， LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)被美國鐵路協(xié)會確定為鐵路自動化控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，進一步推廣了該技術(shù)在地鐵領(lǐng)域的應(yīng)用。本文重點介紹LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在地鐵電力SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用。
3 系統(tǒng)組成
圖1為地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理圖。從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)看，地鐵電力SCADA系統(tǒng)可分為3層：設(shè)置在控制中心的中心級監(jiān)控層、設(shè)置在車站的車站級監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場控制節(jié)點層，各控制層通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)相互間的信息傳遞。
3.1中心級監(jiān)控系統(tǒng)
中心級監(jiān)控系統(tǒng)由控制中心局域網(wǎng)構(gòu)成，此系統(tǒng)采用雙以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)路由器和SDH接入設(shè)備接入廣域網(wǎng)，通過通信系統(tǒng)提供的SDH通道實現(xiàn)監(jiān)控中心和車站間的數(shù)據(jù)交換，傳輸帶寬可達到2M。系統(tǒng)由下列設(shè)備組成。
·監(jiān)控工作站：包括兩臺互為備份的監(jiān)控主機，監(jiān)控主機的主要功能是采集車站送來的各主變電站、牽引站和降壓站的設(shè)備工作狀態(tài)，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理顯示在CRT上，使中心值班人員了解系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)日常的控制和治理工作；
·維護計算機：又稱工程師工作站，用于系統(tǒng)軟件的維護、組態(tài)、運行參數(shù)的定義、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的形成和用戶操作畫面的修改、增加等；
·網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：包括兩套互為備份的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用于控制中心監(jiān)控系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)的治理、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的存儲與處理，并提供共享資源。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可與其它系統(tǒng)共用；
·以太網(wǎng)路由器：用于連接控制中心局域網(wǎng)與站間廣域網(wǎng)的接口設(shè)備；
·打印機：用作事件和報表打印，事件打印內(nèi)容包括操作記錄、事故記錄、測量數(shù)據(jù)的實時打印等，報表打印用于數(shù)據(jù)和圖表的輸出打??；
·模擬屏：用于顯示整個地鐵所有主變電站、牽引站和降壓站的設(shè)備運行狀態(tài)、故障情況等信息。
3.2車站級監(jiān)控系統(tǒng)
與中心級監(jiān)控系統(tǒng)相似，車站級監(jiān)控系統(tǒng)也由局域網(wǎng)構(gòu)成，所不同的是此系統(tǒng)采用單以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。車站級監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備是一臺工作站，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場層控制器或控制節(jié)點的實時數(shù)據(jù)并將其顯示在車站監(jiān)控工作站上，值班人員可在車站控制室了解所管轄變電站、牽引站或降壓站現(xiàn)場設(shè)備的運行情況，操作人員還可通過該工作站把控制指令下達給現(xiàn)場控制器。作為整個SCADA系統(tǒng)的中間層，它還負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)重新打包發(fā)送到控制中心，因此設(shè)有以太網(wǎng)路由器和SDH接入設(shè)備，接入SDH廣域網(wǎng)，通過通信系統(tǒng)提供的SDH通道實現(xiàn)監(jiān)控中心和車站間的數(shù)據(jù)交換，傳輸帶寬可達到2M。
3.3現(xiàn)場監(jiān)控層
現(xiàn)場監(jiān)控層采用了開放式LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主干網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)為光纖，采用光纖環(huán)網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)，傳輸速率為1.25Mb/s。
需要指出的是：為提高系統(tǒng)整體的可靠性和可用性，采用基于光纖進行傳輸?shù)慕鉀Q方案。
LONWORKS光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的光纖傳輸系統(tǒng)不同，傳統(tǒng)的光纖傳輸系統(tǒng)只能進行單向傳輸，其發(fā)送和接收分離， LONWORKS光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)用單根光纖即可進行雙向通信，降低了成本。將LONWORKS系統(tǒng)連接為環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主干的任意兩個節(jié)點間都有兩條通路，消除了主干網(wǎng)單點故障對系統(tǒng)可能造成的重大損害。所選用的控制節(jié)點均是智能的，有自身的處理器，相應(yīng)控制程序均下載到各節(jié)點，車站監(jiān)控工作站關(guān)機并不影響各節(jié)點的監(jiān)控功能。每個節(jié)點控制器中都帶有EEPROM芯片，斷電或故障排除后能自動投入運行。
每個節(jié)點均采用變壓器隔離，以抑制干擾，當(dāng)某個節(jié)點故障時，不會影響其它控制器工作，與故障節(jié)點無綁定關(guān)系的所有控制均不受影響。
地鐵典型車站（假設(shè)它負(fù)責(zé)一個主變電站、一個牽引站和一個降壓站的設(shè)備監(jiān)控）現(xiàn)場控制層結(jié)構(gòu)參見圖1。主變電站、牽引站及降壓站的控制和監(jiān)測節(jié)點用雙絞線構(gòu)成一個子網(wǎng)。以車站為中心，將該車站四周區(qū)域的主變電站、牽引站及降壓站通過光纖路由器構(gòu)成光纖主干網(wǎng)，車站內(nèi)的監(jiān)控工作站負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的各種數(shù)據(jù)。車站值班人員通過車站的監(jiān)控工作站即可了解現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)并能通過計算機下達控制指令，由現(xiàn)場的智能控制器對電力設(shè)備進行控制，從而實現(xiàn)變電站內(nèi)的無人值守。
4系統(tǒng)功能
分布式電力SCADA系統(tǒng)對各主變電站、牽引站及降壓站內(nèi)的所有供配電設(shè)備進行分布式遙信、遙測和遙控。通過LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)及變壓器設(shè)備的運行狀況等數(shù)據(jù)傳送到車站控制室和控制中心并存放在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。操作人員通過工作站的模擬運行圖可直觀地了解到各主變電站、牽引站及降壓站電力設(shè)備的運行情況，并能顯示或打印各種電量的歷史趨勢數(shù)據(jù)、設(shè)備故障報警及其它各種報警信息，在車站控制室可遙控開/關(guān)相應(yīng)設(shè)備。
4.1監(jiān)控內(nèi)容
電力自動控制系統(tǒng)通過光纖路由器與高低壓配電設(shè)備監(jiān)控節(jié)點聯(lián)接，電力設(shè)備運行狀態(tài)、高低壓主開關(guān)狀態(tài)、采集各種電力參數(shù)，并對各高低壓設(shè)備開關(guān)進行控制。
遙控對象包括：110kV/33kV高壓交流斷路器；1500V直流斷路器；0.4kV低壓回路負(fù)荷開關(guān)；母聯(lián)開關(guān)；1500V上網(wǎng)電動隔離開關(guān)等。
遙信對象包括：高低壓開關(guān)柜保護信息（過流保護、速斷保護等）；變壓器保護信息（變壓器溫度信號、重瓦斯和輕瓦斯保護等）；斷路器、負(fù)荷開關(guān)的合分閘狀態(tài)；現(xiàn)場控制節(jié)點的故障信號等。
4.2功能實現(xiàn)
系統(tǒng)功能的實現(xiàn)必須依靠于選擇合適的硬件產(chǎn)品并編制界面友好、滿足用戶需求的軟件。一般，10kV以上的高壓柜均配有綜合繼電保護產(chǎn)品，綜合繼電保護產(chǎn)品不僅可實現(xiàn)各種短路保護、速斷保護，對斷路器進行合/分閘操作，而且還能采集柜中的各種實時數(shù)據(jù)并通過配置的通信接口將數(shù)據(jù)傳送給車站監(jiān)控系統(tǒng)。
對于各主變壓器也配備專用的變壓器保護產(chǎn)品，以實現(xiàn)變壓器的過熱保護、重瓦斯/輕瓦斯等各種保護，同時還可獲得變壓器次級側(cè)的各種實時數(shù)據(jù)并通過配置的通信接口將數(shù)據(jù)傳送到車站監(jiān)控系統(tǒng)中。
對于400V的低壓回路，采用智能電量節(jié)點可采集相應(yīng)回路的電流、電壓、頻率、功率因素、電度量、有功/無功功率等全電量信息。若只需了解線路的電流負(fù)荷情況，則可用電流變送器將線路的電流變?yōu)?~20mA或0~10V模擬量信號送入模擬量輸入智能節(jié)點進行檢測。圖2為電量檢測原理圖。各開關(guān)狀態(tài)的檢測和控制可通過數(shù)字量輸入/輸出節(jié)點實現(xiàn)。溫度、油壓等模擬量信息可通過模擬量輸入節(jié)點進行檢測。圖3為變壓器溫度檢測及風(fēng)機控制原理圖。
控制中心和車站控制室監(jiān)控工作站上的圖形監(jiān)控軟件采用最為良好的圖形化界面，中文操作。該圖形軟件具有動態(tài)數(shù)據(jù)圖形化顯示治理、工程治理、數(shù)據(jù)記錄治理、動態(tài)數(shù)據(jù)交換、動態(tài)趨勢曲線治理、安全治理及報表生成治理等功能。
5系統(tǒng)設(shè)計特點
·可靠性：中心級與車站級之間采用SDH傳輸通道，SDH的自愈環(huán)特性確保了通道的可靠性。現(xiàn)場層使用光纖環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，消除了主干網(wǎng)的單點故障。
·擴充性：系統(tǒng)設(shè)計方案充分考慮到了系統(tǒng)的可擴充性，當(dāng)用戶有新的需求時，整個系統(tǒng)無需改動，只要增加相應(yīng)的控制節(jié)點和通信線路即可滿足用戶要求。
·系統(tǒng)簡單性：選用的控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，便于工程安裝調(diào)試及系統(tǒng)維護。
·易操作性：用戶操作界面簡單，易于把握，便于治理。
·開放性：符合開放式控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，各個不同廠家的產(chǎn)品在系統(tǒng)內(nèi)可即插即用。充分考慮到了綜合自動控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所涉及的各子系統(tǒng)的集成和信息共享，保證了整個智能化系統(tǒng)總體上的先進性和合理性，實現(xiàn)了對各子系統(tǒng)的分散控制和集中治理。
6 結(jié)束語
在國外，已有將LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于地鐵信號系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)的成功范例，在國內(nèi)LONWORKS技術(shù)也已廣泛地應(yīng)用于樓宇自控、環(huán)境控制、電力監(jiān)控等領(lǐng)域。隨著LONWORKS控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國內(nèi)的不斷推廣，這種技術(shù)的先進性和全開放的通信協(xié)議正在被更多的人熟悉和接受?？梢哉f， LONWORKS開放、分布式、互操作控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種目前應(yīng)用效果最佳、前景最為看好的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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