LONWORKS技术在地铁电力SCADA系统中的应用

【摘要】通过对地铁电力SCADA系统的构成和功能的分析，将先进的LONWORKS控制网络TRANBBS技术应用于该系统，实现了对电力设备的监督和控制。

【关键词】：地铁，电力SCADA，LONWORKS，埃施朗公司，LONTALK

1引言

      地铁供配电系统担负着向地铁各系统提供动力能源的任务。按照功能它可分为高压电源系统、牵引供电系统和动力照明供电系统。高压电源系统负责将TRANBBS城市电网高压电变为地铁牵引供电系统和动力照明系统所需要的电压，由主变电站组成；牵引供电系统负责轨道电动车辆运行的电能，由牵引站和接触网组成；动力照明供电系统提供车站和区间各类照明、扶梯、风机、水泵等动力机械设备电源和通信、信号、自动控制等设备的电源，由降压站组成。一般，我们习惯于按照变电站降压等级分类，即主变电站、牵引站、降压站。目前，国内常规TRANBBS设计为设两个110/33 kV主变电站，并根据实际情况设置多个33 kV /1500VDC牵引站和33/0.4kV降压变电站。供配电系统作为整个地铁的动力源泉，是其它系统正常运转的前提，为此，建立一个可靠、有效、完善的电力SCADA系统，监督供配电系统的运行状态，并根据需要进行控制，使供配电系统更好地为其它系统服务，是所有地铁用户的要求。本文介绍采用LONWORKS控制网络作为地铁电力SCADA系统的解决方案。

2LONWORKS控制网络概述

      LONWORKS是由美国埃施朗公司（ECHELON Co.）开发的一种完整、全开放、可互操作的目前已十分成熟的分布式控制网络技术的总称。全世界已有2500多家公司利用LONWORKS技术生产各种各样的LONWORKS产品，以满足现代化楼宇、工厂、TRANBBS交通运输系统、城市基础设施（水、电、气等）、家庭环境等自动化系统的分布式控制网络要求。为了保证来自众多厂家的产品是真正开放且满足LONWORKS技术要求并能使这些产品在一个LONWORKS分布式控制网络系统中实现即插即用，1994年由全球12家闻名工业集团发起、150家公司参加成立了一个称为LONMARK的互操作性协会，以确保各种产品在LONWORKS控制网络上具有互操作性。1995年， LONWORKS控制网络被美国空调与制冷协会确定为楼宇自动化控制网络标准的一部分。1998年， LONWORKS控制网络被美国铁路协会确定为铁路自动化控制网络标准，进一步推广了该技术在地铁领域的应用。本文重点介绍LONWORKS控制网络技术在地铁电力SCADA系统中的应用。

3 系统组成

     图1为地铁电力监控系统的组成原理图。从系统的组成结构看，地铁电力SCADA系统可分为3层：设置在控制中心的中心级监控层、设置在车站的车站级监控系统、现场控制节点层，各控制层通过通信网络实现相互间的信息传递。

3.1中心级监控系统

      中心级监控系统由控制中心局域网构成，此系统采用双以太网冗余结构，通过以太网路由器和SDH接入设备接入广域网，通过通信系统提供的SDH通道实现监控中心和车站间的数据交换，传输带宽可达到2M。系统由下列设备组成。

·监控工作站：包括两台互为备份的监控主机，监控主机的主要功能是采集车站送来的各主变电站、牵引站和降压站的设备工作状态，并经数据处理显示在CRT上，使中心值班人员了解系统的运行情况，实现日常的控制和治理工作；

·维护计算机：又称工程师工作站，用于系统软件的维护、组态、运行参数的定义、系统数据库的形成和用户操作画面的修改、增加等；

·网络服务器：包括两套互为备份的网络服务器，用于控制中心监控系统整个网络的治理、数据库数据的存储与处理，并提供共享资源。本系统的网络服务器可与其它系统共用；

·以太网路由器：用于连接控制中心局域网与站间广域网的接口设备；

·打印机：用作事件和报表打印，事件打印内容包括操作记录、事故记录、测量数据的实时打印等，报表打印用于数据和图表的输出打印；

·模拟屏：用于显示整个地铁所有主变电站、牵引站和降压站的设备运行状态、故障情况等信息。

3.2车站级监控系统

       与中心级监控系统相似，车站级监控系统也由局域网构成，所不同的是此系统采用单以太网结构。车站级监控系统的主要设备是一台工作站，负责采集现场层控制器或控制节点的实时数据并将其显示在车站监控工作站上，值班人员可在车站控制室了解所管辖变电站、牵引站或降压站现场设备的运行情况，操作人员还可通过该工作站把控制指令下达给现场控制器。作为整个SCADA系统的中间层，它还负责将采集的数据重新打包发送到控制中心，因此设有以太网路由器和SDH接入设备，接入SDH广域网，通过通信系统提供的SDH通道实现监控中心和车站间的数据交换，传输带宽可达到2M。

3.3现场监控层

       现场监控层采用了开放式LONWORKS控制网络技术，主干网络传输介质为光纤，采用光纤环网拓朴结构，传输速率为1.25Mb/s。

需要指出的是：为提高系统整体的可靠性和可用性，采用基于光纤进行传输的解决方案。

        LONWORKS光纤传输网络与传统的光纤传输系统不同，传统的光纤传输系统只能进行单向传输，其发送和接收分离， LONWORKS光纤传输网络用单根光纤即可进行双向通信，降低了成本。将LONWORKS系统连接为环网的拓扑结构，主干的任意两个节点间都有两条通路，消除了主干网单点故障对系统可能造成的重大损害。所选用的控制节点均是智能的，有自身的处理器，相应控制程序均下载到各节点，车站监控工作站关机并不影响各节点的监控功能。每个节点控制器中都带有EEPROM芯片，断电或故障排除后能自动投入运行。

       每个节点均采用变压器隔离，以抑制干扰，当某个节点故障时，不会影响其它控制器工作，与故障节点无绑定关系的所有控制均不受影响。

        地铁典型车站（假设它负责一个主变电站、一个牵引站和一个降压站的设备监控）现场控制层结构参见图1。主变电站、牵引站及降压站的控制和监测节点用双绞线构成一个子网。以车站为中心，将该车站四周区域的主变电站、牵引站及降压站通过光纤路由器构成光纤主干网，车站内的监控工作站负责采集现场监控设备的各种数据。车站值班人员通过车站的监控工作站即可了解现场设备的运行状态并能通过计算机下达控制指令，由现场的智能控制器对电力设备进行控制，从而实现变电站内的无人值守。

4系统功能

       分布式电力SCADA系统对各主变电站、牵引站及降压站内的所有供配电设备进行分布式遥信、遥测和遥控。通过LONWORKS控制网络将现场采集的开关状态数据、电量数据及变压器设备的运行状况等数据传送到车站控制室和控制中心并存放在系统数据库中。操作人员通过工作站的模拟运行图可直观地了解到各主变电站、牵引站及降压站电力设备的运行情况，并能显示或打印各种电量的历史趋势数据、设备故障报警及其它各种报警信息，在车站控制室可遥控开/关相应设备。

4.1监控内容

电力自动控制系统通过光纤路由器与高低压配电设备监控节点联接，电力设备运行状态、高低压主开关状态、采集各种电力参数，并对各高低压设备开关进行控制。

       遥控对象包括：110kV/33kV高压交流断路器；1500V直流断路器；0.4kV低压回路负荷开关；母联开关；1500V上网电动隔离开关等。

      遥信对象包括：高低压开关柜保护信息（过流保护、速断保护等）；变压器保护信息（变压器温<