都市快轨交通・第18卷第6期2005年12月机电工程
可编程控制技术
房金萍
(北京地铁供电公司 北京 100088)
摘 要 概括介绍可编程控制技术的定义、功能、特点，特别论述750V直流牵引供电系统运行方式、保护设置、原系统存在缺陷及影响安全供电的因素；以北京地铁的成功应用为例，介绍可编程控制技术在直流牵引供电系统中的局部应用到全面推广；指出结合地铁供电系统特，研究、开发、应用地铁牵引供电系统开关量微机综合保护装置是完全可行的。 关键词 可编程控制技术 地铁 直流牵引 供电系统 运行方式 保护设置
1 可编程控制器概述
可编程序逻辑控制器(P rog ram m a b le Log ic C on tro ll e r,PLC)产生于1969年，是计算机技术与继电器控制技术相结合的产物，具备逻辑控制、定时、计数等功能。
1985年，国际电工组织IEC作了如下规定：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模块式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器的特点是：控制系统构成简单，通用性强；设计、施工、调试周期短；抗干扰能力强，性能稳定，可靠性高；功能完善、强大，简单方便。
由于PLC是专为工业控制设计的，采用了多层
收稿日期:20050406 修回日期:20050801
作者简介：房金萍，女，工学学士，高级工程师，从事地铁供电系统设计、技术管理工作，曾获北京市科技进步二、三等奖，北京
市“五小科技竞赛”一等、三等奖，北京市科技创新标兵,
bm trcp ow e r@ya hoo.c om.c n 次、抗干扰的措施，在机械结构上对耐热防潮、防尘、抗振等都有精心考虑，所以能适应工业现场的恶劣环境，其平均无故障时间通常在20000h以上，是一般电气设备做不到的。
PLC一般直接连线，不需要用户再进行电路板的设计；在语言方面，所有厂家的PLC都支持梯形图，编程简单直观；使用模块化设计或扩展模块，简化了控制系统的形成；系统设计容易，开发周期短，程序易调试和修改；利用可编程序控制器网络和通信技术，易于实现复杂的或分散的控制任务。
编程器易于操作及维护、扩展容易，不仅能对PLC 控制程序进行写入、读出、检测、修改等操作，还能对其工作进行监控，使得操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，以便迅速检查，判断故障原因。PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，非常有利于运行和维护人员监视系统的工作状态。
在扩展时，原系统只需很小变更；用户程序存贮器容量至少能扩展到4K B。
2 北京地铁供电系统
北京地铁供电系统分为高压电源系统，直流牵引供电系统，动力、照明、信号电源三个系统。其中,10kV交流电源和380V/220V动力、照明等供电系统由于国内设置的通用性，市场上已有微机保护成型产品，目前地铁已在部分旧线变电站使用微机保护替代了传统的电磁式保护，稳定、可靠、维护量小，用户反映良好。已建成的地铁13号线、八通线，其高低压交流供电系统已经全部采用微机保护。
由于直流供电系统设置的特殊性，市场上还缺乏微机保护成型产品，以下着重加以介绍。
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可编程控制技术在地铁牵引供电系统的应用
211 地铁牵引供电系统概述
在地铁供电系统中，直流牵引供电系统直接给列车提供动力，其好坏直接影响整个地铁供电系统质量的高低。如果牵引供电系统出现问题，小则影响某个变电站、几个供电区间的输送电，大则引起整个牵引供电系统崩溃，给地铁列车的安全、运营造成影响。
地铁牵引供电系统是直接为地铁列车提供动力的系统，可以保证地铁列车高速、安全、可靠、经济节电地运行。目前北京地铁牵引供电的运行采用双机组双边供电方式，即每个牵引变电站2台牵引机组带2台总闸，并列向直流母线供电运行，直流母线下设4台分闸，即馈线开关(有库线的车站5台分闸)分别向上、下行(内、外环)南、北洞(东、西洞)三轨供电，两个相邻的
牵引变电站同时向站间同一馈电区间供电，如图1所示。
图1 地铁变电站牵引供电系统主接线
212 地铁牵引供电系统保护设置
继电保护系统是为供电一次系统提供控制、保护的系统，其作用是保证供电系统安全、可靠运行。北京地铁牵引供电系统主要采用电量保护和开关量保护两类保护装置。
1)电量保护
电量保护装置可用于电量控制的保护。是利用电流、电压等电量的故障信号(模拟量)启动并动作跳闸的保护装置。一般在所有供电系统中都设有该种保护，因此电量保护的设置反映了保护系统的共性。在牵引供电系统中的电量保护主要是过流、速断、增量、
d i/d t 等种类的保护，目前全部采用引进的电量综合保
护装置实现上述保护。
2)开关量保护
开关量保护是指用于实现开关量控制的保护，包
括对逻辑关系及时序等关系的控制。供电系统设置的不同，该保护配置也存在差异，反映出保护系统的特殊性。在北京地铁牵引供电系统中，设置开关量保护主要是用于实现其功能。
(1)连锁：高速开关与相应刀闸之间应该具有安
全连锁关系。因为高速开关具有灭弧机构，可以熄灭负荷电流和故障电流，最终接通和切断主回路电流。连锁保护能避免带负荷操作刀闸所引起的对人身、设备的损伤。
(2)联跳：采用双边供电方式的两个相邻变电站,
同时向同一馈电区间供电。当双边供电的线路发生故障时，流过近端变电站直流分闸开关的故障电流较大，将率先跳闸；而流过远端变电站分闸开关中的故障电流较小，断路器有可能不跳闸。设置联跳保护装置，是利用离故障点近端变电站分闸开关的故障跳闸信号，使远端电站的相应分闸开关跳闸，从而彻底切断流向短路点的短路电流。
(3)自动重合闸：在供电系统中，许多故障具有瞬
时、自消除的特点，如电弧短路或非金属性短路等。当切断故障线路后，短路点的绝缘强度重新恢复，此时若重新送电，就能恢复线路的正常工作。在大多数情况下，由保护动作切断的供电线路，经再次送电后可以恢复正常供电。如果线路中的短路故障尚未消除，则保护装置会再次将供电线路切断，因而在电力系统中广泛采用自动重合闸装置保护。
总之，联跳保护装置利用离故障点近端变电站分闸开关的故障跳闸信号，使远端电站的相应分闸开关
跳闸，从而彻底切断流向短路点的短路电流，联跳是实现双边供电的前提；连锁保护是高速开关与相应刀闸之间实现正确操作顺序的保证；自动重合闸保护是在供电系统中瞬时性故障消除后，自动、迅速恢复线路的正常工作的重要手段。
地铁原牵引供电系统二次保护，以往都是采用大量电磁式继电器，按特定的逻辑关系和时序关系连接起来，实现联跳、连锁、重合闸(开关量保护)功能，其接线复杂、故障点多、耗能高、占用空间大，而且后期运营的维修、计表工作非常繁重；不同保护模式的变电站之间无法衔接，造成部分供电区间运行多年却始终未实现双边供电，极大地影响了供电可靠性。从目前的技术发展水平来看，用大量的继电器组成逻辑电路是落后的。
3 可编程控制技术在北京地铁的应用
随着科学技术的发展，计算机技术在电力系统中
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的应用已日趋成熟，使得采用智能型开关量保护装置替代传统的保护装置成为可能。
北京地铁供电专业科技人员针对北京地铁原直流牵引供电(750V)系统的缺陷和PLC的功能、特点，采用可编程控制技术开发研制了“地铁联跳、连锁、重合闸微机综合保护装置的项目”。该项目针对多年来采用传统保护未能解决的难题，首次将可编程控制技术应用到地铁牵引供电系统，将原来由复杂的硬连线实现的逻辑及时序关系编译成系统指令，从而实现硬件软化的目的；同时，对地铁牵引供电系统的开关量保护的逻辑关系和时序关系进行了系统的优化，不仅解决了地铁原牵引供电系统存在问题，而且使其功能更加完善。这项研究主要经历了初步设计和具体设计阶段。
1)初步设计
根据前期准备的情况和掌握的资料，认真、深入分析现存牵引供电系统的一次接线、二次原理图，制定了在满足变电站各种保护功能的基础上扬长避短的设计原则，确定其设计步骤为：设计制作变电站750V仿真系统—在仿真系统上进行变电站750V系统各种保护关系设计、编程、调试—现场调试—现场设计、运行考核。
2)具体设计
(1)变电站仿真系统主接线图设计：模拟变电站750V系统各种不同的运行、接线方式，设计仿真系统。
(2)仿真系统二次控制原理接线图设计：根据750V 仿真系统主接线，设计微机保护二次控制原理接线图。
(3)程序设计：制订最佳逻辑关系，将其编制成程序框图。例如，分闸(馈线)开关控制程序框图见图2。再根据程序框图采用梯形图或功能模块语言，编制PLC应用程序。
(4)制作样机：制作750V系统微机综合保护仿真装置样机，以便在样机上模拟试验各种逻辑功能。
(5)仿真试验：在样机上就所需的各种功能进行调试、试验，直到满意。
(6)现场试验：用仿真系统直接控制现场设备，并保证全部动作正常。
(7)质量检测：到电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心，进行冲击电压、静电放电干扰等16项规定的型式试验，结果全部合格。
(8)查新检索：本项目送铁道部科学信息研究所进行查新检索。结果为：在国内范围内，使用可编程控制器，同时实现联跳、连锁、重合闸保护的技术装置,
未
图2 分闸(馈线)开关控制程序框图
见文献报道。
(9)现场运行考核
由于保护模式不同不能进行衔接，运行多年来始终未实现联跳因而只能在单边供电的木樨地站、复兴门下层站、西单变电站应用。通过设计、编程，用一台PLC 装置替代原系统联跳重合闸回路十几台电磁式装置，取得成功，实现了双边供电，提高了供电系统的可靠性。
为实现地铁一线与复四线全面贯通，西单站设备技术改进时，在用于列车牵引的整流柜内采用PLC，实现以前由于设备原因始终未能实现的控制、保护与连锁，达到满意效果，随后在复四线所有的变电站整流柜得到了很好的推广应用。
2001年恰逢北京地铁大望变电站移设现代城，所有设备重新设计订货。在750V系统使用可编程控制器，实现所有开关量微机综合保护，与电量微机综合保护装置相结合，取代传统的电磁式保护，正式取消750V系统的保护屏，将保护元件均置于开关柜继电器室内，节省了柜、屏间联络通讯电缆及占地空间。在中央信号系统也首次采用了微机保护装置，保证其与变电站所有设备的通信，第一次实现了
北京地铁整站微机化。该装置于2001年9月安装在大望变电站，经过与系统联合调试，投入正常使用至今，更加证明了该系统的可靠性，使得整站采用微机综合保护系统的尝试取得了成功。在2002年全部通车的地铁13号线、2003年全部通车的地铁八通线，已经全部推广使用了
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可编程控制技术在地铁牵引供电系统的应用
该项技术，取得了良好的效果。该项技术将在地铁正在进行的新线建设、旧线改造中得到更大范围的应用。
由此可见，在当今科技高速发展的良性环境下，在地铁供电系统充分应用可编程控制技术是完全可行的，其主要创新点为:
(1)据北京地铁客观情况，首次将在世界尚属先进的可编程控制技术应用到地铁电力系统的继电保护领域，使原来由各种形式的继电器组成的复杂系统更新为以程序指令的方式实现，使得传统的保护制式得以突破。
(2)首次对地铁牵引供电系统开关量保护的逻辑关系和时序关系进行了系统的优化分析，使许多先进的设计思想得以实现。
可编程控制技术应用于地铁供电领域，不仅在很大程度上减少了二次接线、设备，减少了变电站运行维护量；取消了地铁牵引供电系统保护屏，减少了新建站占地空间及造价；而且提高二次回路的智能控制能力、自动化水平和供电质量，降低故障率，使牵引供电系统能更加可靠地运行；变电站逐步由目前的值班制改为巡检制，为减少运行费用做准备，为变电站保护系统逐步实现整体微机化创造了条件。
该装置的成功研制，为地铁已运行线路改造探索了一条新路，为新线建设提供一种智能化、小型化、低功耗和少维护的全新保护装置。
4 结语
可编程序控制器作为一种工业标准设备，虽然生产厂家众多，产品种类层出不穷，但它们都具有相同的工作原理，使用方法也大同小异。
(1)PLC是计算机技术与继电控制技术相结合的产物，专门为工业环境而设计。它可靠性高、使用方便，应用领域不断扩大和延伸，应用方式也更加丰富。PLC 种类繁多，从结构上可分为整体式和模块式，从规模上可分为小型、中型和大型等种类，可根据需要选择。
(2)最早PLC是为取代继电控制系统而产生的，因而两者存在一定的联系。PLC与继电控制系统具有相同的逻辑关系，但PLC是用计算机技术实现的，其逻辑关系是用程序实现的，并不是实际电路。
(3)PLC采用的是计算机的基本构成部分，组成部件也广泛使用了计算机的构成元件，但它的结构和工作原理与计算机又有着很大差别，如采用电气隔离技术、输入和输出采用对映像寄存器、周期性刷新的方式、循环扫描和集中刷新的工作方式是它最突出的特点。
(4)PLC已广泛应用于国内外多种工业企业，在地铁的良好应用又为其开辟了新应用空间，说明几乎所有控制系统都可用PLC系统来实现，代表着一个技术发展的新趋势。
继电保护系统负有保证电力系统安全可靠工作、有效切除故障的重大使命，采用可编程控制器实现电力系统的控制、保护，可使供电质量及可靠性都得到提高。
参考文献
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都市快轨交通,2005,17(6).
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责任编辑：郭洁
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Ab strac t:This paper outlines the definiti on,functi on and features of p r ogrammable contr ol techniq
ue and elaborates the operati on mode and p r otecti on setting of750V DC tracti on power supp ly syste m by co mparing with the defects of the original syste m and fact ors influencing the safety of power supp ly.Moreover,taking the successful case of app licati on in Beijing metr o as an examp le, the p r ogra mmable contr ol technique has been app lied t o the overall DC tracti on power supp ly syste m.It is fully feasible t o devel op and app ly comp rehensive digital m icr oco mputer equi pment t o tracti on power supp ly system s witch of metr o considering the features of power supp ly syste m of metr o.
Ke y wo rd s:p r ogra mmable contr ol technique;metr o;direct current tracti on;power supp ly;operati on mode;p r otecti on setting
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