电力系统的设计(电力系统的设计原则)

　　前言

　　地铁的供电电源要求安全可靠，通常由城市电网供给。目前，国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式，即分散供电方式、集中供电方式、分散与集中相结合的混合供电方式。分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是10KV电压等级）分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。其前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量，并能满足地铁牵引供电的可靠性要求。如早期的北京地铁采取的就是这种供电方式。集中供电方式是指城市电网（通常是110KV或66KV电压等级）向地铁的专用主变电所供电，主变电所再向地铁的牵引变电所和降压变电所供电，地铁自身组成完整的供电网络系统。近几年新建的地铁系统多采用集中供电方式，如上海、广州、深圳地铁等。

　　地铁供电系统监控单元，即电力监控系统监控着整个地铁变电所35kV开关柜综合测控单元、150V直流开关柜综合保护测控单元、400V开关柜测控单元、排流柜测控单元、交直流盘监控单元、上网隔离开关操作机构、钢轨电位限制装置、轨回流单项导通装置正常运行。因此电力监控调试关系到整个地铁供电质量的好坏和地铁运行的安全可靠。地铁线供电监控PSCADA(PowerSupervisoryControlAndDataAcquisition)系统设计采用的是集中管理、分散布置的模式及分层分布式系统结构。现场I／O设备分散布置必然要求使用现场总线技术或网络技术实现监控系统与I／O设备交换信息。因此．在地铁PSCADA系统中的站级管理层与1.5kV直流开关柜使用.DP现场总线实现两者之间的信息交互。

　　现场总线技术是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场网络通信技术。因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了广泛的应用。目前。已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响的现场总线主要有Profibus(Processfieldbus)、HART、LonWorks、FF等。其中，ProfibusDP总线是最为流行的现场总线技术之一。总线的实时性是评价现场总线系统性能的重要标准，即总线对外部事件的反应速度越快，实时性就越好。PROFIBUS-DP广泛应用于工业现场层，高总线传输速率的特点使其非常适合在小规模网络中完成对实时性要求高的报文传输任务。以单主站PROFIBUS．DP系本文统为例，分析了与总线实时性相关的各个时间参数，推导总线循环周期的数学表达式，并给出令牌目标循环时间的确定标准。

　　1 系统构成特点

　　目前国内地铁电力监控大部分采用中央级、车站级、单元级三级监控方式，通信通道采用环形网络传输通道，有效降低了电力监控故障率。杂散电流检测部分采用独立通道，但是排流单元同时受杂散检测系统和电力监控系统控制，具体构成见西安地铁二号线一期工程供电系统工程电力监控示意图。各级监控系统特点如下：

　　（1）中央级监控系统，中央级监控系统主要完成对全部车站变电所信号控制盘检测控制，同时可以完成报表和事件打印，调度员可以根据要求灵活调整供电方式。中央级控制系统和车站级控制系统采用环形网络传输通道，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为通道维修提供保障。

　　（2）车站级监控系统，主要实现对本站的监控单元检测控制，或中央级监控系统故障，监控将下放至车站级。车站级监控系统装置起承上启下的作用，既可以完成对本站各测控单元的监控也可以接受来自中央级的命令，同时也将各测控单元状态上传至中央监控系统。

　　（3）测控单元，是电力监控系统中最基本的测控单元，主要完成检测信号上传以及上级控制单元的命令执行

　　2 PROFIBUS-DP总线结构

　　PROFIBUS—DP的MAC层使用基于Token—Passing方式的主从轮询协议。不同于普通以太网中各个站点有均等的权利接入总线，PROFIBUS-DP—Token-Passing网络上的各点都连接在总线上，它们拥有平等的物理地位和统一的逻辑地址，但是按照其在网络上的功能和自身智能化程度的不同分为主站(MasterStation)和从站(SlaveStation)两种类型。前者的作用是统一管理各个从站接入总线的时序，数据的收集、处理、加工和反馈主要由Pc和PLC担任；后者的作用是将采集到的现场数据上传到主站并执行主站下达的任务，一般为前端的传感器和执行器。

　　PROFIBUS—DP总线上所有的主站可以定义成一个逻辑环，如图1所示为Profibus—DP总线逻辑结构图，令牌作为一个特定的帧可以在此逻辑环中循环。一个系统中只有一个令牌，在任意时刻只有一个主站能够获得这个令牌，持有令牌的主站拥有总线的控制权，可以将属于它的从站接入总线并逐一与它们进行数据交换。这种工作机制确保了任何时刻PROFIBUS-DP总线上只有一个主站使用总线，避免了数据传输冲突。

　　图1Profibus—DP总线逻辑结构图

　　3 PSCADA系统结构

　　地铁供电系统采用2级集中供电方式，设6个供电分区，环网电压为AC33kV。电力监控变电所自动化系统在车站主控设备室通过车站级的以太网交换机接入主控系统。电力监控变电所自动化系统采用集中管理、分散布置的模式。分层、分布式系统结构：系统由站级管理层、网络通信层、间隔设备层组成。系统以供电设备为对象。通过网络将所内的110kV／33kV／0.4kV交流保护测控单元、1.5kV直流保护测控单元、交直流电源系统监控单元等间隔层设备连接起来。电力监控变电所PSCADA系统结构如图2所示。

　　图2电力监控变电所PSCADA系统结构图

　　站级管理层设备由通信处理机(总控单元)、液晶显示器组成．在牵引变电主所还包括当地监控计算机。通信处理机采用可靠性高、处理能力强、实时响应速度快的工业级监控计算机。通信处理机的远程网、所内网传输都采用光纤以太网接口。

　　网络通信层提供了RS一422、RS一485和CAN、PROFIBUS-DP等现场总线接口．及以太网、光纤以太网接口．可满足自动化系统对变电所供电设备进行监控的要求．同时提供了通信接口的可扩展能力，以满足系统扩容和增加通信手段的需要。

　　间隔层设备包括：1.5kV直流开关柜(包括馈线柜、进线柜和负极柜3种类型)，33kVGIS(GasInsu1anceSwitchcabinet)REF542+综合测控保护单元。0.4kV开关柜智能信息采集单元。110kV线路保护，110kVGIS测控单元。110kV分段保护、主变保护，智能监控单元和时钟系统。每个变电所因其功能的不同可只包含部分间隔层设备．如1.5kV直流开关柜只存在于牵引所。在实际系统中1.5kV直流开关柜与站级管理层中的总控单元l直接构成DP总线网．下面详细分析该总线网的设计及实现方案。

　　4 电力系统信号检测

　　根据实际电网中的谐波情况和仿真分析的需要，本文构建出以下两种信号模型。实际电网中由于既存在线性负荷也存在非线性的负荷，所以实际情况下电网中的谐波既包含稳定的基波的各次谐波分量也包含一些非稳定的瞬态变化的谐波，各种电网噪声干扰等。为了仿真分析的方便起见，本文选取有代表性的仅含一种谐波情况的谐波信号进行分析。

　　4.1信号模型一

　　图3正弦信号搭建的谐波电源的仿真模型

　　图4正弦信号搭建的谐波电源的信号波形图

　　4.2信号模型二

　　含有白噪声的正弦信号，即基波加白噪声。在电网中电压和电流的基波频率均为50Hz，本文考虑基波中含有正态分布的随机噪声的情况。设信号的数学表达式如下：

　　此信号中第一项是频率为50Hz的基波，第二项是正态分布的随机噪声分量，其幅度为基波幅度的0.2倍，在MATLAB中使用

　　函数来表示

　　阶的正态分布的随机矩阵。在实际的电网电压或者电流中可能还含有其它成分的单一频率的谐波，此处为了简化分析，仅考虑基波加噪声的情况，如果有其它谐波成分的话，将其叠加综合考虑即可。相应的仿真图如图5所示，信号波形图如图6所示。

　　图5含有白噪声的正弦信号仿真模型

　　图6含有白噪声的正弦信号的信号波形图

　　5 结论

　　本文分析了PROFIBUS—DP总线的通信协议和介质层的任务处理流程，在对单主站PROFIBUS-DP总线系统中的主／从数据交换过程进行分析的基础上，给出了了谐波电流检测算法方法。光纤环网采用总线结构。通过通信链路的冗余．使得增加新的间隔层设备而不影响其他设备的正常工作。通过DP现场总线在PSCADA系统中的应用。极大增强了间隔层设备的信息集成能力．同时降低了系统的工程成本．提高了整个系统的可靠性和可维护性及扩展能力。

　　原文链接：https://www.eeworld.com.cn/qrs/article_2016093030680.html