胡 平，賀 文，谷 濤，陽 興

（株洲中車時(shí)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(jī)控制平臺(tái)研究

胡 平，賀 文，谷 濤，陽 興

（株洲中車時(shí)代裝備技術(shù)有限公司，湖南株洲412001）

針對(duì)城軌能饋式供電系統(tǒng)參數(shù)變量繁多、控制信息量大、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了一種新型能饋式供電系統(tǒng)上位機(jī)控制平臺(tái)。該上位機(jī)控制平臺(tái)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(jī)人機(jī)界面基于專業(yè)組態(tài)軟件LabVIEW設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能饋式供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)和重要波形的實(shí)時(shí)顯示。通過結(jié)合實(shí)際城軌能饋產(chǎn)品的調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該新型上位機(jī)控制平臺(tái)操作方便、工作穩(wěn)定，同時(shí)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(jī)；控制平臺(tái)；人機(jī)界面

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)為線路上運(yùn)行的列車提供電能，是整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)的動(dòng)力來源，在城市軌道交通的正常運(yùn)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(dòng)和制動(dòng)，當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，會(huì)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(dòng)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(dòng)時(shí)的再生能量，其能量直接回饋至電網(wǎng)供其他設(shè)備使用，不需要配置儲(chǔ)能元件，也不存在電阻發(fā)熱的問題，對(duì)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(dòng)時(shí)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(yùn)行的正常，要求對(duì)能饋式供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各電氣參數(shù)、運(yùn)行開關(guān)狀態(tài)、故障報(bào)警等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、存儲(chǔ)及后臺(tái)傳輸[3-4]，此外，還需要通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的投入運(yùn)行、保護(hù)參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和設(shè)置。由于整個(gè)能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)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(jī)控制平臺(tái)。

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(fù)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(fù)極隔離柜與直流牽引母線相連。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，直流母線電壓會(huì)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(shí)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(gè)設(shè)備，需要進(jìn)行多個(gè)電氣參數(shù)的測(cè)量，監(jiān)測(cè)信號(hào)繁多，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求高，因此，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)控制平臺(tái)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(jī)控制平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

新型能饋式供電系統(tǒng)上位控制平臺(tái)采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)控制系統(tǒng)通過通信的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)控?？刂破脚_(tái)由安裝在負(fù)極隔離柜的上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，采用工業(yè)平板 PC 作為系統(tǒng)上位機(jī)，下位機(jī)則采用西門子公司 PLC 來實(shí)現(xiàn)[9-10]，整個(gè)控制平臺(tái)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 新型上位機(jī)控制平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，各關(guān)鍵模塊功能如下。

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

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

傳動(dòng)控制單元（DCU），安裝在2臺(tái)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(hào)對(duì)變流器進(jìn)行控制，并采集變流器狀態(tài)信號(hào)上傳。

智能儀表，負(fù)責(zé)采集設(shè)備運(yùn)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(tái)系統(tǒng)中，后臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（Modbus）與PC機(jī)進(jìn)行一般信息交換，由于 PC 機(jī)運(yùn)行環(huán)境為通用的Windows系統(tǒng)，考慮到 PC 機(jī)可靠性不高且存在系統(tǒng)死機(jī)的可能[7]，PSCADA 系統(tǒng)也可通過 Modbus 通信協(xié)議與 PLC 進(jìn)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(shí)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(gè)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(shí)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(tái)變流柜與 PC 之間，采用 Modbus 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)變流柜相關(guān)信息在 PC 上的顯示及 PC 向變流柜設(shè)置運(yùn)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(chǎng)總線（Profibus）通信協(xié)議與 PLC 進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 上位機(jī)控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

新型能饋式供電系統(tǒng)上位機(jī)控制平臺(tái)的人機(jī)軟件主要功能包括：運(yùn)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(chǔ)存、波形顯示及調(diào)閱等，系統(tǒng)軟件各功能模塊如下。

（1）運(yùn)行狀態(tài)顯示。軟件開發(fā)主界面為系統(tǒng)主電路運(yùn)行的實(shí)時(shí)顯示界面，顯示當(dāng)前時(shí)間日期、工作方式、系統(tǒng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)及整個(gè)主電路設(shè)備狀態(tài)和部分參數(shù)值。日期顯示時(shí)間為 PC 本地時(shí)間，并可以通過時(shí)間同步功能，完成與后臺(tái) PSCADA 系統(tǒng)的對(duì)時(shí)。

（2）系統(tǒng)參數(shù)顯示。上位機(jī)將各終端設(shè)備測(cè)量的參數(shù)顯示到人機(jī)界面上，實(shí)時(shí)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(jī)軟件可對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，如統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間段的回饋電能總量并進(jìn)行回饋效率計(jì)算等。軟件運(yùn)行時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的保存，保存時(shí)間間隔為每秒1次，保存數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：運(yùn)行時(shí)間、交直流側(cè)電參量、正向總電能、負(fù)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(chǔ)存。上位機(jī)軟件根據(jù)終端設(shè)備（變流柜）故障標(biāo)志位的變化翻譯成對(duì)應(yīng)故障事件，并進(jìn)行故障的實(shí)時(shí)記錄和儲(chǔ)存，實(shí)際記錄包括故障發(fā)生時(shí)間、故障內(nèi)容、故障級(jí)別等，并支持對(duì)歷史故障的調(diào)閱和分析。

（5）波形顯示及調(diào)閱。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過點(diǎn)擊選擇上位機(jī)軟件界面的“實(shí)時(shí)曲線”按鈕，系統(tǒng)界面進(jìn)入到“實(shí)時(shí)曲線”顯示區(qū)域。數(shù)據(jù)波形曲線每秒自動(dòng)更新1次，可顯示最近一個(gè)小時(shí)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，并支持同時(shí)多條曲線的顯示。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

按照該控制平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī) PLC 及上位機(jī) PC 軟件設(shè)計(jì)兩部分。

3.2.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

下位機(jī) PLC 程序主要完成與上位機(jī) PC 通信、變流柜通信、框架保護(hù)信號(hào)采集及控制、隔離開關(guān)輸入輸出（IO）控制、故障判斷、與后臺(tái) PSCADA 通信等功能。設(shè)計(jì)中，在完成初始化后，程序進(jìn)入主程序，同時(shí)調(diào)用各個(gè)子程序，在無退出命令的情況下，PLC 會(huì)不斷地執(zhí)行此循環(huán)，PLC 程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 PLC 程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2.2 PC程序設(shè)計(jì)

上位機(jī) PC 軟件設(shè)計(jì)，基于 NI 公司專業(yè)組態(tài)軟件LabVIEW2009進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，上位機(jī)軟件同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，在 PC 啟動(dòng)后自動(dòng)加載上位機(jī)主程序，通過循環(huán)調(diào)用各個(gè)子程序模塊實(shí)現(xiàn)，上位機(jī) PC 軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 上位機(jī) PC 軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

上位機(jī) PC 軟件的實(shí)時(shí)曲線顯示程序如圖5所示，程序設(shè)計(jì)為每秒采集1個(gè)點(diǎn)，一共可以采集最近1小時(shí)的數(shù)據(jù)，并在“數(shù)據(jù)波形”選項(xiàng)卡界面中顯示出曲線波形。

上位機(jī) PC 軟件的實(shí)時(shí)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(dòng)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(jī) PC 軟件與變流柜的實(shí)時(shí)通信程序之間基于 Modbus 通信協(xié)議，通過程序可實(shí)現(xiàn)設(shè)置對(duì)應(yīng)串口的名稱、波特率、奇偶校驗(yàn)等通信參數(shù)。

圖5 實(shí)時(shí)曲線顯示程序

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

上位機(jī) PC 軟件主界面可以實(shí)時(shí)顯示能饋式牽引供電系統(tǒng)的電氣運(yùn)行情況，通過采集設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，顯示電流的運(yùn)行趨勢(shì)，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(shí)在主電路圖上顯示實(shí)時(shí)的電壓、電流等參數(shù)，用于觀察和指示，電氣運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示如圖6所示。

圖6 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

4.2 系統(tǒng)參數(shù)顯示

通過人機(jī)軟件，選擇系統(tǒng)參數(shù)值選項(xiàng)卡，可以顯示每個(gè)變流柜模塊、直流側(cè)相關(guān)電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)值，并計(jì)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(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊選擇系統(tǒng)界面進(jìn)入到“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形”顯示區(qū)域，數(shù)據(jù)波形曲線每秒自動(dòng)更新1次，可顯示最近1小時(shí)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)為系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)間，縱坐標(biāo)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，單位為 V 或 A，可同時(shí)選擇顯示多條曲線，并可選擇歷史數(shù)據(jù)曲線顯示。點(diǎn)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(shí)時(shí)曲線，波形顯示如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)波形顯示

4.4 運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊選擇系統(tǒng)界面進(jìn)入到“系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置”顯示區(qū)域，可以實(shí)時(shí)地修改系統(tǒng)的保護(hù)參數(shù)，包括直流過壓保護(hù)值、直流過流保護(hù)值、交流過壓保護(hù)值、交流欠壓保護(hù)值、交流過流保護(hù)值、設(shè)備啟動(dòng)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(shè)置成功，否則設(shè)置失敗，系統(tǒng)提示重新輸入密碼。運(yùn)行參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

圖9 運(yùn)行參數(shù)設(shè)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(jī)控制平臺(tái)，搭建上位機(jī)控制平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒒?LabVIEW 軟件開發(fā)了上位機(jī)平臺(tái)的軟件程序。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型的上位機(jī)控制平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn) PC 與 PLC、變流柜 DCU 和智能儀表等終端設(shè)備間的可靠通信，整個(gè)上位機(jī)控制平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)快，控制冗余性好，設(shè)計(jì)的軟件人機(jī)界面友好，易于操作，可移植性強(qiáng)。該新型的上位機(jī)控制平臺(tái)為城軌能饋式供電系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的人機(jī)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(dòng)化程度。

[1] 紀(jì)宏偉. 城軌供電系統(tǒng)DC750V制式能量回饋裝置工程應(yīng)用[J]. 大功率變流技術(shù)，2013（4）：53-57.

[2] 曹祥，程浩忠，周銳，等. 列車制動(dòng)能量回饋及仿真研究[J]. 水電能源科學(xué)，2010，28（5）：156-159.

[3] 田蓓，許曉夢(mèng)，王磊，等. 基于AM3359的管軌牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（19）：9-12.

[4] 全恒立，吳佐民，張鋼，等. 基于嵌入式平臺(tái)的城軌新型供電裝置監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 電測(cè)與儀表，2010，47（6）：52-56.

[5] 張鐵軍，陳雪，陳廣贊，等. 城軌供電系統(tǒng)新型再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)[J]. 大功率變流技術(shù)，2011（5）：37-40.

[6] 徐淑英，劉滿足. 基于PWM整流技術(shù)的能量回饋裝置的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（16）：13-15，20.

[7] 徐碩，姜學(xué)東，許曉夢(mèng)，等. 基于LABVIEW的能饋式牽引供電裝置監(jiān)控軟件開發(fā)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（14）：30-34.

[8] 胡婧嫻，林仕立，宋文吉，等. 城市軌道交通儲(chǔ)能系統(tǒng)及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2014，3（2）：106-116.

[9] 廖常初. S7-1200PLC編程及應(yīng)用[M].2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[10] 王永華，A.Verwer(英). 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用教程[M].2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

責(zé)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