新型城軌能饋式供電系統(tǒng)上位機控制平臺研究

胡 平，賀 文，谷 濤，陽 興

（株洲中車時代裝備技術(shù)有限公司，湖南株洲412001）

新型城軌能饋式供電系統(tǒng)上位機控制平臺研究

胡 平，賀 文，谷 濤，陽 興

（株洲中車時代裝備技術(shù)有限公司，湖南株洲412001）

針對城軌能饋式供電系統(tǒng)參數(shù)變量繁多、控制信息量大、實時性要求高等特點，研究設計了一種新型能饋式供電系統(tǒng)上位機控制平臺。該上位機控制平臺采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以工業(yè)平板PC和PLC作為核心控制器件，上位機人機界面基于專業(yè)組態(tài)軟件LabVIEW設計，實現(xiàn)對能饋式供電系統(tǒng)的實時監(jiān)控，包括系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、關(guān)鍵數(shù)據(jù)和重要波形的實時顯示。通過結(jié)合實際城軌能饋產(chǎn)品的調(diào)試試驗，試驗結(jié)果表明該新型上位機控制平臺操作方便、工作穩(wěn)定，同時具備高可靠性的冗余控制。

城市軌道交通；能量回饋；供電系統(tǒng)；上位機；控制平臺；人機界面

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)為線路上運行的列車提供電能，是整個城市軌道交通系統(tǒng)的動力來源，在城市軌道交通的正常運轉(zhuǎn)中起著非常重要的作用。城市軌道交通列車需要頻繁的啟動和制動，當列車制動時，會產(chǎn)生較多的能量，傳統(tǒng)的方法是把這部分能量通過車載制動電阻消耗掉。而城軌能饋式牽引供電系統(tǒng)充分利用列車制動時的再生能量，其能量直接回饋至電網(wǎng)供其他設備使用，不需要配置儲能元件，也不存在電阻發(fā)熱的問題，對環(huán)境影響小，節(jié)能效果明顯[1-2，8]。

城軌能量回饋裝置的主要原理是把列車制動時抬高的直流母線電壓通過逆變回饋給交流電網(wǎng)。為了保證能饋式供電系統(tǒng)的調(diào)試及運行的正常，要求對能饋式供電系統(tǒng)運行過程中的各電氣參數(shù)、運行開關(guān)狀態(tài)、故障報警等信息進行實時測量、顯示、存儲及后臺傳輸[3-4]，此外，還需要通過人機界面實現(xiàn)對整個供電系統(tǒng)的投入運行、保護參數(shù)等進行實時控制和設置。由于整個能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，研究開發(fā)了1套新型的適用于能饋式牽引供電系統(tǒng)的上位機控制平臺。

1 能饋式供電系統(tǒng)

能饋式供電系統(tǒng)主要由高壓開關(guān)柜、雙重變壓器、高壓電抗器、四象限變流柜、直流開關(guān)柜和負極隔離柜等構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整套系統(tǒng)的雙重變壓器一次側(cè)通過高壓開關(guān)柜與交流中壓電網(wǎng)相連，低壓側(cè)與四象限變流柜模塊相連，四象限變流柜的直流側(cè)通過直流開關(guān)柜和負極隔離柜與直流牽引母線相連。當列車制動時，直流母線電壓會被抬高，產(chǎn)生的再生電能通過四象限變流柜模塊逆變回饋給交流中壓電網(wǎng)，實現(xiàn)再生電能的利用[5-6]。

從圖1中可以看出，能饋式供電系統(tǒng)涉及高壓開關(guān)柜、直流開關(guān)柜、高壓電抗器、雙重變壓器、四象限變流柜等多個設備，需要進行多個電氣參數(shù)的測量，監(jiān)測信號繁多，實時性和準確性要求高，因此，對整個系統(tǒng)的上位機控制平臺提出了更高的要求[7]。

圖1 能饋式供電系統(tǒng)

2 新型上位機控制平臺的網(wǎng)絡拓撲

新型能饋式供電系統(tǒng)上位控制平臺采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個控制系統(tǒng)通過通信的方式實現(xiàn)系統(tǒng)控制設置和狀態(tài)監(jiān)控?？刂破脚_由安裝在負極隔離柜的上位機和下位機構(gòu)成，采用工業(yè)平板 PC 作為系統(tǒng)上位機，下位機則采用西門子公司 PLC 來實現(xiàn)[9-10]，整個控制平臺的通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 新型上位機控制平臺網(wǎng)絡拓撲

圖2 網(wǎng)絡拓撲設計中，各關(guān)鍵模塊功能如下。

工業(yè)平板一體機（PC），電阻觸摸式，作為控制系統(tǒng)的上位機，提供人機界面。

可編程邏輯控制器（PLC），采用西門子公司S7-1200PLC來實現(xiàn)，是系統(tǒng)主控PLC，是設備控制命令發(fā)出源及設備狀態(tài)接收源。

傳動控制單元（DCU），安裝在2臺四象限變流柜內(nèi)，作為從站接收主控PLC下傳的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為控制信號對變流器進行控制，并采集變流器狀態(tài)信號上傳。

智能儀表，負責采集設備運行溫度、消耗電能等參數(shù)，如：電抗器溫控儀、中壓柜智能電度表等。

新型能饋式供電系統(tǒng)上位控制平臺系統(tǒng)中，后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）通過網(wǎng)絡通信協(xié)議（Modbus）與PC機進行一般信息交換，由于 PC 機運行環(huán)境為通用的Windows系統(tǒng)，考慮到 PC 機可靠性不高且存在系統(tǒng)死機的可能[7]，PSCADA 系統(tǒng)也可通過 Modbus 通信協(xié)議與 PLC 進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)及控制通信，2種通信方式可互為冗余備用，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)以 PLC 通信方式為主。

PC 與PLC之間，采用傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP），通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通信，作為控制核心的 PLC 選用西門子公司 S7-1200系列[9]，其 CPU 具有一個集成的工業(yè)以太網(wǎng)接口，用于與 PC 之間的通信，端口類型為 RJ45。

PC與智能儀表之間，采用 Modbus 通信協(xié)議，實現(xiàn)智能儀表中相關(guān)信息在 PC 上的顯示，所選用的溫控儀、電度表等智能儀表，均攜帶 RS485端口，并遵循Modbus_RTU 通信規(guī)約。

2臺變流柜與 PC 之間，采用 Modbus 通信協(xié)議，實現(xiàn)變流柜相關(guān)信息在 PC 上的顯示及 PC 向變流柜設置運行參數(shù)等。同樣，出于通信冗余考慮，變流柜中控制單元模塊也可通過現(xiàn)場總線（Profibus）通信協(xié)議與 PLC 進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)及控制通信，在 PLC 中安裝專用的 Profibus 通信模塊，作為 Profibus 通信主站，與Profibus 從站（變流柜內(nèi) DCU）進行數(shù)據(jù)交換。

3 上位機控制平臺軟件設計

3.1 系統(tǒng)功能設計

新型能饋式供電系統(tǒng)上位機控制平臺的人機軟件主要功能包括：運行狀態(tài)顯示、系統(tǒng)參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)分析及保存、故障記錄及儲存、波形顯示及調(diào)閱等，系統(tǒng)軟件各功能模塊如下。

（1）運行狀態(tài)顯示。軟件開發(fā)主界面為系統(tǒng)主電路運行的實時顯示界面，顯示當前時間日期、工作方式、系統(tǒng)狀態(tài)、運行狀態(tài)及整個主電路設備狀態(tài)和部分參數(shù)值。日期顯示時間為 PC 本地時間，并可以通過時間同步功能，完成與后臺 PSCADA 系統(tǒng)的對時。

（2）系統(tǒng)參數(shù)顯示。上位機將各終端設備測量的參數(shù)顯示到人機界面上，實時顯示變流器柜的交流電壓、交流電流、直流母線電壓、直流電流、網(wǎng)側(cè)功率及功能因數(shù)、回饋電能值等各關(guān)鍵信息。

（3）數(shù)據(jù)分析及保存。上位機軟件可對實時采集數(shù)據(jù)與歷史存儲數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析，如統(tǒng)計某一時間段的回饋電能總量并進行回饋效率計算等。軟件運行時，可自動進行實時數(shù)據(jù)的保存，保存時間間隔為每秒1次，保存數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：運行時間、交直流側(cè)電參量、正向總電能、負向總電能等關(guān)鍵信息，保存路徑可選擇本地磁盤保存。

（4）故障記錄及儲存。上位機軟件根據(jù)終端設備（變流柜）故障標志位的變化翻譯成對應故障事件，并進行故障的實時記錄和儲存，實際記錄包括故障發(fā)生時間、故障內(nèi)容、故障級別等，并支持對歷史故障的調(diào)閱和分析。

（5）波形顯示及調(diào)閱。系統(tǒng)運行時，通過點擊選擇上位機軟件界面的“實時曲線”按鈕，系統(tǒng)界面進入到“實時曲線”顯示區(qū)域。數(shù)據(jù)波形曲線每秒自動更新1次，可顯示最近一個小時時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，并支持同時多條曲線的顯示。

3.2 軟件程序設計

按照該控制平臺網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，控制平臺軟件設計包括下位機 PLC 及上位機 PC 軟件設計兩部分。

3.2.1 PLC 程序設計

下位機 PLC 程序主要完成與上位機 PC 通信、變流柜通信、框架保護信號采集及控制、隔離開關(guān)輸入輸出（IO）控制、故障判斷、與后臺 PSCADA 通信等功能。設計中，在完成初始化后，程序進入主程序，同時調(diào)用各個子程序，在無退出命令的情況下，PLC 會不斷地執(zhí)行此循環(huán)，PLC 程序設計流程圖如圖3所示。

圖3 PLC 程序設計流程圖

3.2.2 PC程序設計

上位機 PC 軟件設計，基于 NI 公司專業(yè)組態(tài)軟件LabVIEW2009進行設計開發(fā)，上位機軟件同樣采用模塊化設計，在 PC 啟動后自動加載上位機主程序，通過循環(huán)調(diào)用各個子程序模塊實現(xiàn)，上位機 PC 軟件程序設計流程如圖4所示。

圖4 上位機 PC 軟件程序設計流程圖

上位機 PC 軟件的實時曲線顯示程序如圖5所示，程序設計為每秒采集1個點，一共可以采集最近1小時的數(shù)據(jù)，并在“數(shù)據(jù)波形”選項卡界面中顯示出曲線波形。

上位機 PC 軟件的實時數(shù)據(jù)保存程序中數(shù)據(jù)保存格式為.xls 格式，每秒自動保存1次數(shù)據(jù)，保存的數(shù)據(jù)為交流側(cè)電壓和電流、直流側(cè)電壓和電流、功率以及系統(tǒng)的電能等參數(shù)，供用戶日后查詢和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

上位機 PC 軟件與變流柜的實時通信程序之間基于 Modbus 通信協(xié)議，通過程序可實現(xiàn)設置對應串口的名稱、波特率、奇偶校驗等通信參數(shù)。

圖5 實時曲線顯示程序

4 試驗結(jié)果

4.1 運行狀態(tài)監(jiān)測

上位機 PC 軟件主界面可以實時顯示能饋式牽引供電系統(tǒng)的電氣運行情況，通過采集設備的開關(guān)狀態(tài)，顯示電流的運行趨勢，未通電的情況下主電路顯示為黑色，通電以后，主電路將顯示為紅色，同時在主電路圖上顯示實時的電壓、電流等參數(shù)，用于觀察和指示，電氣運行狀態(tài)監(jiān)測顯示如圖6所示。

圖6 運行狀態(tài)監(jiān)測

4.2 系統(tǒng)參數(shù)顯示

通過人機軟件，選擇系統(tǒng)參數(shù)值選項卡，可以顯示每個變流柜模塊、直流側(cè)相關(guān)電氣參數(shù)的實時值，并計算出功率、回饋電能等參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)顯示界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)參數(shù)顯示

4.3 數(shù)據(jù)波形顯示

系統(tǒng)運行時，點擊選擇系統(tǒng)界面進入到“實時數(shù)據(jù)波形”顯示區(qū)域，數(shù)據(jù)波形曲線每秒自動更新1次，可顯示最近1小時時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。橫坐標為系統(tǒng)實時時間，縱坐標為實時數(shù)據(jù)值，單位為 V 或 A，可同時選擇顯示多條曲線，并可選擇歷史數(shù)據(jù)曲線顯示。點擊界面右側(cè)的選擇開關(guān)，可選擇查看或取消查看數(shù)據(jù)實時曲線，波形顯示如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)波形顯示

4.4 運行參數(shù)設置

系統(tǒng)運行時，點擊選擇系統(tǒng)界面進入到“系統(tǒng)運行設置”顯示區(qū)域，可以實時地修改系統(tǒng)的保護參數(shù)，包括直流過壓保護值、直流過流保護值、交流過壓保護值、交流欠壓保護值、交流過流保護值、設備啟動電壓值等。為避免誤操作，在修改系統(tǒng)參數(shù)前，必須先獲得寫允許權(quán)限，只有在輸入正確密碼后，才設置成功，否則設置失敗，系統(tǒng)提示重新輸入密碼。運行參數(shù)設置如圖9所示。

圖9 運行參數(shù)設置

5 結(jié)語

研究開發(fā)了1套新型的適用于城軌能饋式供電系統(tǒng)的上位機控制平臺，搭建上位機控制平臺的網(wǎng)絡拓撲，并基于 LabVIEW 軟件開發(fā)了上位機平臺的軟件程序。試驗結(jié)果表明，新型的上位機控制平臺能夠?qū)崿F(xiàn) PC 與 PLC、變流柜 DCU 和智能儀表等終端設備間的可靠通信，整個上位機控制平臺系統(tǒng)實時響應快，控制冗余性好，設計的軟件人機界面友好，易于操作，可移植性強。該新型的上位機控制平臺為城軌能饋式供電系統(tǒng)提供了強大的人機交互功能，可極大地提高能饋式供電系統(tǒng)產(chǎn)品的綜合自動化程度。

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責任編輯 冒一平

Study on New PC Control Platform for Power Fed Supply System of Transit

Hu Ping, He Wen, Gu Tao, et al.

In view of the many parameters variables of transit energy fed power supply system, large amount of control information and real-time requirements, a PC control platform is designed. The paper describes the PC control platform with distributed control system based on industrial panel PC and PLC, HMI software LabVIEW, to achieve real-time monitoring of energy fed power supply system, the real-time display of key and important data waveform. The test results show that the new PC control platform is easy to operate, stable operation and high reliability.

urban rail transit, power feedback, power supply system, host computer, control platform, HMI

U231.8

2016-07-12

胡平（1984—），男，工程師，碩士研究生