一種牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信方案

蔡文泉

0 引言

隨著電氣化鐵道的迅速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班牽引變電所，提高變電所的運(yùn)行及管理水平，對(duì)牽引變電所自動(dòng)化水平的要求越來(lái)越高。牽引變電所是鐵路牽引供電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，是鐵路控制中心的主要監(jiān)控點(diǎn)。目前，在一些新建變電所中，電壓等級(jí)和電網(wǎng)復(fù)雜程度也大大提高，地方電力調(diào)度中心甚至中調(diào)也需要對(duì)變電所進(jìn)行監(jiān)視。傳統(tǒng)變電所一次設(shè)備和二次設(shè)備已無(wú)法滿足降低變電所造價(jià)和提高變電所安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平方面的要求。而現(xiàn)在變電所采用的綜合自動(dòng)化技術(shù)是將所內(nèi)繼電保護(hù)，監(jiān)控系統(tǒng)，信號(hào)采集，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等結(jié)合為一個(gè)整體，使硬件資源共享，用不同的模式軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)備的各種功能。用局域網(wǎng)來(lái)代替電纜，用主動(dòng)模式來(lái)代替常規(guī)設(shè)備的被動(dòng)模式。具有可靠、安全、便于維護(hù)等特點(diǎn)。分散分層分布式是變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向，這就對(duì)通信的可靠性提出了更高的要求，選擇一個(gè)可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

整個(gè)通信系統(tǒng)可分為2部分，一部分為遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)，另一部分為所內(nèi)通信系統(tǒng)。遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)完成向控制中心傳送變電所的實(shí)時(shí)信息，如：電壓、電流、功率的數(shù)值大小、斷路器位置狀態(tài)、事件記錄等；接收控制中心對(duì)斷路器操作控制命令以及查詢和其他操作控制命令；所內(nèi)通信系統(tǒng)完成變電所內(nèi)部各設(shè)備之間的信息傳遞，如間隔層保護(hù)測(cè)控裝置動(dòng)作信號(hào)傳遞給通信管理機(jī)電笛、電鈴報(bào)警系統(tǒng)。其通信范圍是在變電所內(nèi)部。對(duì)于集中組屏的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)際是在主控室內(nèi)部；所內(nèi)通信方式有RS232/485串行數(shù)據(jù)通信、10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)等。

圖1 牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖（一）

圖2 牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖（二）

遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)包括由WTX-65A及路由器實(shí)現(xiàn)的與鐵路電調(diào)的通信，由PSX600U實(shí)現(xiàn)的與電力系統(tǒng)地調(diào)及中調(diào)的通信2部分。鐵路牽引變電所一般由電調(diào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方四遙功能，地調(diào)及中調(diào)只實(shí)現(xiàn)主變壓器高壓側(cè)相關(guān)裝置及電氣量的監(jiān)視功能。

所內(nèi)通信系統(tǒng)采用主流的分層分布式結(jié)構(gòu)，其功能在邏輯上可分為 3個(gè)層次：變電站層（stationlevel）、間隔層或單元層（baylevel）和過(guò)程層（processlevel）[1]。第1層為變電站層，它由間隔層得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主要由后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)及通信管理裝置組成，承擔(dān)著所內(nèi)的監(jiān)視、管理、控制等變電所主控室功能及音響報(bào)警功能，并負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信。第2層為間隔層或單元層，主要包括各微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器等，負(fù)責(zé)對(duì)下層就地裝置和智能電子設(shè)備（IDEs）進(jìn)行通信管理、控制等任務(wù)，同時(shí)也承擔(dān)著通信規(guī)約解釋、轉(zhuǎn)換工作。第3層是就地的模擬量、開(kāi)關(guān)量和脈沖量數(shù)據(jù)采集、保護(hù)和控制操作出口，是數(shù)字量和模擬量I/O功能。3層之間靠站內(nèi)通信系統(tǒng)聯(lián)系。

2 遠(yuǎn)動(dòng)通信系統(tǒng)

2.1 與鐵路電調(diào)的通信

與電調(diào)通信的遠(yuǎn)動(dòng)通道采用雙環(huán)2M的E1通道，通信規(guī)約采用2002版101規(guī)約。系統(tǒng)中配置1個(gè)路由器（含 2對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，一主一備），通過(guò) BNC接口實(shí)現(xiàn)與通信機(jī)械室光端機(jī)設(shè)備的接口。所內(nèi)的遙信、遙測(cè)、遙控信號(hào)通過(guò)WTX-65A通信管理裝置的篩選后通過(guò)路由器向電調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)。電調(diào)是該系統(tǒng)的指揮控制中心，對(duì)于無(wú)人值班的牽引變電所，其通信可靠性更是首先考慮的因素。環(huán)形光纖遠(yuǎn)動(dòng)通道的采用可保證當(dāng)光纖環(huán)有一處斷開(kāi)時(shí)，各變電所還可以由單一方向?qū)崿F(xiàn)與控制中心的通信。而雙環(huán)結(jié)構(gòu)的采用，通信的可靠性得到了很好的保證。與電調(diào)的遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 與供電局地調(diào)的通信

該牽引變電所進(jìn)線電壓等級(jí)為 220 kV，根據(jù)電力系統(tǒng)要求，牽引變電所需納入地方電力調(diào)度所。與地調(diào)的通信采用四線音頻線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，通過(guò)電力 MODEM 實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。通信規(guī)約采用97版101規(guī)約。在該所中，PSX-600U通信管理裝置配置有2塊電力MODEM插件，由管理機(jī)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)后通過(guò) MODEM 將調(diào)制信號(hào)送往地方調(diào)度。地調(diào)主要監(jiān)視變電所主變壓器高壓側(cè)及進(jìn)線部分的相關(guān)開(kāi)關(guān)位置信息，測(cè)量信息，保護(hù)事件信息及保護(hù)動(dòng)作信息。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信方式應(yīng)用廣泛，可靠性高，成本也比較低廉，適用于通信量比較小的地調(diào)通信。

2.3 與省級(jí)中調(diào)的通信

中調(diào)所關(guān)心的牽引變電所電氣量與地調(diào)基本相同，與中調(diào)的通信采用2種通道類型，一種為與地調(diào)通信方式相同的電力 MODEM 的調(diào)制解調(diào)方式，另一種為數(shù)據(jù)專用網(wǎng)方式。數(shù)據(jù)專用網(wǎng)采用的接口類型為以太網(wǎng)RJ45型接口（電口），可直接與所內(nèi)交換機(jī)相連，遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約采用 IEC60870-5-104規(guī)約。所內(nèi)遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)同樣由PSX-600U通信管理裝置實(shí)現(xiàn)。同時(shí)采用2種通信方式，使得通信通道實(shí)現(xiàn)冗余配置，提高其可靠性及實(shí)時(shí)響應(yīng)性。

3 所內(nèi)通信系統(tǒng)

所內(nèi)通信系統(tǒng)是一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，是一種在小區(qū)域內(nèi)使各種數(shù)據(jù)通信設(shè)備相互連在一起的通信網(wǎng)絡(luò)[2]。局域網(wǎng)絡(luò)為分散式的系統(tǒng)提供通信介質(zhì)、傳輸控制和通信功能的手段，該系統(tǒng)為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)。其典型特性是：高數(shù)據(jù)傳輸速率，10/100 Mb/s；短距離，屏蔽五類線介質(zhì)，100 m；低誤碼率。

圖3 與電調(diào)的遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)圖

局域網(wǎng)的核心是互連和通信，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)、傳輸控制和通信方式是局域網(wǎng)的4大要素。

所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)可看成由3部分組成：牽引所保護(hù)裝置組成的以太網(wǎng)；線路保護(hù)裝置組成的以太網(wǎng)；智能裝置組成的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.1 牽引所保護(hù)裝置組成的以太網(wǎng)

采用光纖以太網(wǎng)組網(wǎng)，配置1臺(tái)光纖交換機(jī)，交換機(jī)的各端口相對(duì)獨(dú)立，交換機(jī)可根據(jù)實(shí)際需要配置相應(yīng)的電口插件。監(jiān)控計(jì)算機(jī)配置以太網(wǎng)網(wǎng)卡，能夠通過(guò)以太網(wǎng)口接入系統(tǒng)，與系統(tǒng)通信速率不低于10 Mb/s。通信規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)IEC 60870 - 5 -103規(guī)約。

所內(nèi)通信局域網(wǎng)采用光纖以太網(wǎng)模式，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高通信帶寬。以太網(wǎng)的通信速率從10 M、100 M到如今的1000 M，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小。采用以太網(wǎng)交換技術(shù)和全雙工通信技術(shù)，可以使以太網(wǎng)交換機(jī)的各端口之間數(shù)據(jù)幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD機(jī)制的約束，一對(duì)通信線纜上可分別同時(shí)接收和發(fā)送報(bào)文幀，從而避免了沖突，突顯系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

（2）多種通信介質(zhì)。以太網(wǎng)可使用同軸電纜、雙絞線、光纖等通信介質(zhì)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可混合使用不同介質(zhì)，根據(jù)需要靈活選用。

（3）高可靠性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形，基于集線器的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化布線技術(shù)使以太網(wǎng)的可靠性達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，任何節(jié)點(diǎn)的故障因被集線器隔離而不會(huì)擴(kuò)散，便于故障的查找和隔離。集線器是高可靠設(shè)備，其MTBF大于20年，不會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的可靠性。以太網(wǎng)即使使用雙絞線也有很高的電磁兼容性，在Ⅳ級(jí)快速瞬變干擾試驗(yàn)中誤碼率仍保持在小于10-9的低水平，使用光纖介質(zhì)可徹底解決抗干擾問(wèn)題。

（4）豐富的資源支持。IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在1985年即被ISO接收為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使得采用以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)可成為真正的開(kāi)放型系統(tǒng)。

3.2 線路保護(hù)裝置組成的以太網(wǎng)

200 kV線路保護(hù)裝置由另一臺(tái)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，以解決單臺(tái)交換機(jī)接口容量不足的問(wèn)題，該交換機(jī)與光纖交換機(jī)實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)。由于牽引供電系統(tǒng)保護(hù)裝置與220 kV線路保護(hù)裝置通常劃分為2個(gè)專業(yè)，硬件平臺(tái)略有差異，采用2個(gè)子系統(tǒng)級(jí)聯(lián)的方式，使得專業(yè)劃分更加清晰，故障的查找更加方便，也便于運(yùn)營(yíng)維管部門(mén)的管理。由于所內(nèi)采用開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)103規(guī)約，因此所內(nèi)以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完全共享，WTX-65A通信管理裝置可訪問(wèn)220 kV線路保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)，PSX-600U也可訪問(wèn)主變壓器、饋線、電容等保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后的直流屏等智能裝置的數(shù)據(jù)。

其他廠家的線路保護(hù)裝置由PSX643實(shí)現(xiàn)接口及規(guī)約的轉(zhuǎn)換，其接口采用串行口，通信規(guī)約采用103規(guī)約。PSX643主要用于電力系統(tǒng)的外廠設(shè)備的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，其規(guī)約類型已相當(dāng)豐富，并且該通信方式在電力系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用。

3.3 智能裝置組成的通信網(wǎng)絡(luò)

串行通信的最大優(yōu)點(diǎn)是串行通信數(shù)據(jù)的各不同位，可以分時(shí)使用同一傳輸線，因而節(jié)約傳輸線，減少投資，并且簡(jiǎn)化接線。特別是當(dāng)位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離傳送時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。在變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部，各廠家自動(dòng)裝置間或繼電保護(hù)裝置與監(jiān)控系統(tǒng)間，為了減少連接電纜，簡(jiǎn)化接線，降低成本，常采用串行通信。

WTX-65A通信管理裝置串口板 2可配置WTS-65A規(guī)約轉(zhuǎn)換插件，該插件具有4個(gè)串行口，可由其實(shí)現(xiàn)與直流屏、動(dòng)補(bǔ)裝置及故判裝置等智能裝置的接口及規(guī)約轉(zhuǎn)換。WTS-65A規(guī)約轉(zhuǎn)換插件的硬件為高性能32位單片機(jī)及大容量存儲(chǔ)器，配置以太網(wǎng)接口、異步串行通信口（RS-232C或RS485），可方便地將具有其他接口模式的智能型設(shè)備連接進(jìn)牽引變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的站內(nèi)骨干網(wǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)變電所綜合自動(dòng)化的主要目的不僅僅是用以微機(jī)為核心的保護(hù)和控制裝置來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電所的保護(hù)和控制裝置，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)信息交換。通過(guò)控制和保護(hù)互連、相互協(xié)調(diào)，允許數(shù)據(jù)在各功能塊之間相互交換，可以提高他們的性能。通過(guò)信息交換，互相通信，實(shí)現(xiàn)信息共享，提供常規(guī)的變電所二次設(shè)備所不能提供的功能，減少變電所設(shè)備的重復(fù)配置，簡(jiǎn)化設(shè)備之間的互連，從整體上提高自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，以此提高整個(gè)供電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。因此，在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、分布式技術(shù)、數(shù)據(jù)共享等問(wèn)題，必然成為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文所述的牽引變電所綜合自動(dòng)化通信系統(tǒng)采用先進(jìn)的、標(biāo)準(zhǔn)的和成熟的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用級(jí)聯(lián)以太網(wǎng)絡(luò)，通信管理機(jī)雙機(jī)熱備用，光纖雙環(huán)E1通道結(jié)構(gòu)，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約協(xié)議，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性、可擴(kuò)充性及工程化的相關(guān)問(wèn)題。該通信系統(tǒng)具有速度快，可靠性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)在鐵路重大干線上得到成功的應(yīng)用。

[1]陶曉農(nóng).分散式變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的通信技術(shù)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1998，22（4）：51-54.

[2]劉玉忠，吳俊勇，劉沛.變電站綜合自動(dòng)化中的數(shù)據(jù)通信 全國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第十三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[D].廣州：1997.