IEC104通信規(guī)約在鐵路牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

周勁風(fēng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

鐵路牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)是鐵路運(yùn)營調(diào)度的子系統(tǒng)，是針對(duì)電氣化鐵路牽引供電，融合計(jì)算機(jī)與通訊技術(shù)、自動(dòng)化控制以及一次、二次控制保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，是保障電氣化鐵路安全運(yùn)營的重要部分。南同蒲電氣化擴(kuò)能改造工程的牽引供電設(shè)施設(shè)置2個(gè)調(diào)度臺(tái)，接入太原鐵路局牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度中心，遠(yuǎn)動(dòng)主站與被控站之間采用IEC60870—5—104規(guī)約(以下簡(jiǎn)稱IEC104規(guī)約)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。

1 牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)介

1.1 牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太原鐵路局牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由設(shè)在調(diào)度所內(nèi)的遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度中心、遠(yuǎn)動(dòng)通道和設(shè)在各個(gè)被控站的自動(dòng)化系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

調(diào)度中心內(nèi)主要設(shè)備按冗余配置，由主數(shù)據(jù)服務(wù)器、磁盤陣列、通信服務(wù)器、維護(hù)工作站、調(diào)度員工作站(各不同調(diào)度臺(tái))、模擬顯示設(shè)備、UPS及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成。如圖1所示。

遠(yuǎn)動(dòng)通道是由通信專業(yè)提供的專用通道，南同蒲線電氣化擴(kuò)能改造工程牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)通道采用通信專業(yè)提供的專用E1接口雙環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通道，采用BNC物理接口、G.703通信協(xié)議，通信速率為2 Mbps，光端機(jī)進(jìn)所方式。另外視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)采用專用2 Mbps環(huán)形通道。AT供電方式各所設(shè)置故標(biāo)專用通道。

被控站主要由南同蒲沿線6座牽引變電所、7座分區(qū)所、10座AT所、6處接觸網(wǎng)遠(yuǎn)動(dòng)隔離開關(guān)控制站等構(gòu)成。牽引變電所通信管理裝置為雙機(jī)冗余配置，遠(yuǎn)動(dòng)雙通道具備自動(dòng)切換功能，所內(nèi)采用光纖以太網(wǎng)通信，接入交直流盤、故標(biāo)系統(tǒng)等智能設(shè)備。

1.2 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能中需要注意的問題

圖1 牽引供電調(diào)度中心構(gòu)成

牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)具有對(duì)牽引供電設(shè)施的遙控、遙測(cè)、遙信和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控的功能，另外具有模擬培訓(xùn)、實(shí)時(shí)打印操作記錄、故障信息、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等基本功能。南同蒲線接入牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度中心，在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能方面注意以下一些問題。

1.2.1 遙控功能的實(shí)現(xiàn)

除常用遙控操作模式單獨(dú)遙控、程序遙控外，還實(shí)現(xiàn)具有保證安全操作控制的其他模式，加入互鎖模式以及雙席監(jiān)督模式;實(shí)現(xiàn)遙控試驗(yàn)、模擬操作、閉鎖和解鎖操作等。

1.2.2 遙信數(shù)據(jù)的處理

除實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)外，還實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備非正常運(yùn)行狀態(tài)下的信息捕捉，及時(shí)告警;變壓器檔位遙信顯示(轉(zhuǎn)為遙測(cè)量);對(duì)檢修和不可用狀態(tài)的開關(guān)進(jìn)行屏蔽。

1.2.3 遙測(cè)數(shù)據(jù)的處理

除實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、接收并處理實(shí)測(cè)脈沖計(jì)數(shù)值外，還實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波、自動(dòng)判斷遙測(cè)值合理性。

1.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

SCADA數(shù)據(jù)保存的類型除整點(diǎn)數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)外，還包括實(shí)時(shí)日設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備日運(yùn)行時(shí)間保存。

1.2.5 報(bào)警處理

報(bào)警除包括供電系統(tǒng)設(shè)備異常、調(diào)度系統(tǒng)設(shè)備故障、變電所自動(dòng)化設(shè)備故障、通道或變電所自動(dòng)化設(shè)備電源故障、其他智能設(shè)備的告警以及畫面顯示、文本信息和音響報(bào)警等，另外提供報(bào)警確認(rèn)、打印、分類、歸檔、存貯。

1.2.6 系統(tǒng)工具及其他功能

系統(tǒng)工具除包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)庫編輯、畫面編輯、報(bào)表編輯等以外，還包括動(dòng)態(tài)著色和安全閉鎖、操作安全閉鎖。

2 IEC60870－5－104 規(guī)約

2.1 IEC104與IEC101規(guī)約對(duì)比

IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了各種網(wǎng)絡(luò)配置、各種傳輸模式，基本任務(wù)劃分為:IEC101規(guī)約和IEC104規(guī)約完成遠(yuǎn)動(dòng)傳輸?shù)幕救蝿?wù)，IEC102完成電度上送，IEC103完成變電所內(nèi)保護(hù)裝置通訊。

IEC101和IEC104都是被控站與遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度通信，前者采用串口方式，后者則采用網(wǎng)絡(luò)，即IEC104為IEC101的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，兩者的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU基本相同，應(yīng)用層數(shù)據(jù)相同，IEC104是在IEC101串口通信的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)以太網(wǎng)的支持，使遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行交互?？傮w上講，IEC104主要是適應(yīng)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而從IEC101演變過來的，IEC104中包含了更多的網(wǎng)絡(luò)通信特征。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃砸约巴ㄐ艓挼奶岣撸虼薎EC104規(guī)約在傳輸上具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)流量充足、支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)。

南同蒲電氣化擴(kuò)能改造工程遠(yuǎn)動(dòng)主站與被控站之間連接到以太網(wǎng)通信，采用IEC104規(guī)約作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。

2.2 IEC104規(guī)約體系結(jié)構(gòu)

本部分定義了開放的TCP/IP接口的使用，圖2所示為1個(gè)主站的冗余配置與1個(gè)非冗余的系統(tǒng)配置。

2.3 IEC104規(guī)約結(jié)構(gòu)

圖3所示為終端系統(tǒng)的規(guī)約結(jié)構(gòu)。在IEC104規(guī)約中規(guī)定在傳輸層采用TCP協(xié)議。

2.4 IEC104規(guī)約應(yīng)用控制信息(APCI)的定義

IEC104規(guī)約中1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀被稱為應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU，由應(yīng)用規(guī)約控制信息APCI和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU 2部分組成。如圖4所示。

圖2 IEC104一般體系結(jié)構(gòu)

圖3 IEC104終端系統(tǒng)的規(guī)約結(jié)構(gòu)

圖4 IEC104已定義的遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)的APDU

2.5 IEC104規(guī)約的實(shí)施過程

主要包括:TCP連接的建立過程、循環(huán)遙測(cè)數(shù)據(jù)上傳過程、總召喚過程、時(shí)鐘同步過程、子站事件主送上送過程、命令傳輸過程、召喚電度過程以及遠(yuǎn)方復(fù)位進(jìn)程等。

3 牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用IEC104通信規(guī)約

3.1 工程應(yīng)用

太原鐵路局牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度中心采用北京南凱自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司的NK6000系列電氣化鐵道遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，在通信專業(yè)提供的物理通道的基礎(chǔ)上，遠(yuǎn)動(dòng)主站與被控站之間采用IEC104規(guī)約作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。

南同蒲線電氣化擴(kuò)能改造工程榆次至侯馬北段以介休牽引變電所為界，設(shè)置2個(gè)雙環(huán)網(wǎng)通道，冗余配置，各牽引供電設(shè)施按照被控站地理位置分別接于不同的通信環(huán)網(wǎng)。為保證通信通道的使用率以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，避免通道擁塞，每個(gè)環(huán)網(wǎng)的被控站節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般控制在16個(gè)以內(nèi)。

遠(yuǎn)動(dòng)通道雙環(huán)網(wǎng)之一及通道組成、IP地址設(shè)置如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)動(dòng)雙環(huán)網(wǎng)通道(IEC104規(guī)約應(yīng)用)

3.2 牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用IEC104規(guī)約的部分?jǐn)U展

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需求中，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)遙信、遙測(cè)、遙控等功能的基礎(chǔ)上，需要擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)一些重要的功能，如故障報(bào)告上傳、錄波文件召喚、保護(hù)定值讀取與遠(yuǎn)程修改等等。以前電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)使用CDT規(guī)約時(shí)擴(kuò)展了一些與保護(hù)有關(guān)的幀類型或者制定了與規(guī)約極其類似但內(nèi)容更豐富的規(guī)約(例如9702規(guī)約)。本工程中利用IEC104規(guī)約靈活、豐富的應(yīng)用功能，結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行需求，利用了未用的類型標(biāo)識(shí)擴(kuò)展了部分重要功能。

3.2.1 保護(hù)動(dòng)作信息

被控站發(fā)生保護(hù)動(dòng)作時(shí)，以如下幀發(fā)送保護(hù)動(dòng)作信息(突發(fā)傳送)(圖6)。

3.2.2 保護(hù)自檢信息和狀態(tài)告警

被控站自檢出故障或有其他狀態(tài)告警時(shí)，發(fā)送如下信息(突發(fā)傳送)(圖7)。

3.2.3 故障錄波

格式同 IEC101 標(biāo)準(zhǔn)中 7.4.11.2.4 擾動(dòng)數(shù)據(jù)文件的結(jié)構(gòu)的定義，發(fā)生錄波后主動(dòng)上傳。

圖6 ASDU－140帶相對(duì)時(shí)標(biāo)的故障報(bào)告報(bào)文

圖7 ASDU－141帶時(shí)標(biāo)的報(bào)文

3.2.4 保護(hù)定值

保護(hù)定值讀取過程參照IEC103中通用服務(wù)的描述。

原幀中的功能類型改為信息對(duì)象地址，為2個(gè)8位位組長(zhǎng)度。APDU的數(shù)據(jù)幀起始內(nèi)容如圖8所示。

圖8 保護(hù)定值讀取數(shù)據(jù)起始內(nèi)容

保護(hù)定值讀取過程主站發(fā)送幀的類型標(biāo)識(shí)為145，子站響應(yīng)幀的類型標(biāo)識(shí)為146。1個(gè)區(qū)的保護(hù)定值定義為1個(gè)組，每次只讀取1個(gè)組的定值，多個(gè)組分次讀取。通過“通用分類數(shù)據(jù)描述”的后續(xù)狀態(tài)位標(biāo)識(shí)是否有后續(xù)定值需要傳送。組號(hào)從1開始編號(hào)。

保護(hù)定值區(qū)的切換主站發(fā)送幀的類型標(biāo)識(shí)為147，子站響應(yīng)幀的類型標(biāo)識(shí)為148。每個(gè)綜合自動(dòng)化廠家提供1個(gè)條目用于保護(hù)定值區(qū)的切換，主站對(duì)該條目的寫過程為確認(rèn)執(zhí)行方式。

4 使用IEC104規(guī)約需要注意的問題

IEC104規(guī)約已經(jīng)在國內(nèi)電力系統(tǒng)以及一些電氣化鐵道牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)得到應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)明顯，但目前沒有現(xiàn)行的鐵道標(biāo)準(zhǔn)使其規(guī)范化、系統(tǒng)化。應(yīng)用IEC104規(guī)約中為穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行應(yīng)注意以下一些問題。

4.1 需要注意的幾個(gè)問題

(1)主站與被控站建立2個(gè)獨(dú)立的TCP連接，被控站在每個(gè)TCP連接上按規(guī)約進(jìn)行獨(dú)立的通訊，應(yīng)以被控站為服務(wù)端，主站為客戶端。

(2)要求調(diào)度主站能自動(dòng)判斷、切換、處理來自網(wǎng)絡(luò)和常規(guī)方式的數(shù)據(jù)信息，確保數(shù)據(jù)惟一性。

(3)在網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息過程中，通過MAC地址和IP地址劃分控制安全級(jí)別，以保證調(diào)度主站與被控站之間的安全傳輸(雖然目前鐵路為專用通信通道)。

(4)以太數(shù)據(jù)網(wǎng)難以進(jìn)行時(shí)間同步，被控站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)必須安裝高精確度GPS衛(wèi)星鐘。當(dāng)被控站的GPS出現(xiàn)故障時(shí)，采用主站下發(fā)的時(shí)鐘來進(jìn)行時(shí)間同步。

4.2 使用中出現(xiàn)的幾個(gè)問題及解決方案

(1)正常的通信過程中可能會(huì)出現(xiàn)通信中斷的情況，IEC104規(guī)約能夠自行實(shí)現(xiàn)通道的切換，牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)通道應(yīng)采用主備冗余模式。

(2)由于IEC104規(guī)約主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，有可能存在大量的遙測(cè)數(shù)據(jù)上傳而致使通道擁塞，使被控站的一些重要的遙信無法上傳，從而影響安全。針對(duì)這種問題，需要被控站自動(dòng)化設(shè)備合理設(shè)置遙測(cè)變化上傳的變化閥值。

(3)召喚全數(shù)據(jù)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，當(dāng)采用自動(dòng)召喚模式時(shí)，可能會(huì)與數(shù)據(jù)下發(fā)產(chǎn)生沖突。手動(dòng)召喚由人為控制，不會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生影響。

(4)牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中需要擴(kuò)展功能，如何利用IEC104規(guī)約拓展實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用范圍，可與本文結(jié)合進(jìn)一步探討。

5 結(jié)語

本文結(jié)合南同蒲線電氣化擴(kuò)能改造工程牽引供電設(shè)施接入太原鐵路局牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度中心工程，簡(jiǎn)單介紹了牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和需要實(shí)現(xiàn)的功能，并介紹了IEC104通信規(guī)約的基本內(nèi)容，根據(jù)工程實(shí)踐分析了應(yīng)用IEC104規(guī)約過程中需要注意的問題。目前在我國鐵路建設(shè)快速發(fā)展的情況下，基于IEC104規(guī)約實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度自動(dòng)化，進(jìn)一步規(guī)范實(shí)施IEC104規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，使其廣泛應(yīng)用，符合牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展要求，對(duì)促進(jìn)電氣化鐵道牽引供電自動(dòng)化的發(fā)展、保證安全運(yùn)行具有積極重要的意義。

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