淺談工業(yè)以太網(wǎng)在軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

任彬 王鋒

（南京國電南自城鄉(xiāng)電網(wǎng)自動化工程有限公司，江蘇 南京 211100)

1 軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

1.1 通信需求

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，要求采用計算機局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，開放式通信協(xié)議，系統(tǒng)擴展、移植方便，符合IEC關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)分為站級和間隔級兩層結(jié)構(gòu)的技術(shù)規(guī)范。在對調(diào)度主站系統(tǒng)通信時，為提高通信可靠性，各變電所的通信處理裝置可以實現(xiàn)雙機熱備、采用主備通道與調(diào)度主站通信，主備通道之間實現(xiàn)自動切換和手動切換；主備通道可以采用相同的通信規(guī)約，也可以采用不同的通信規(guī)約。

對于系統(tǒng)通信管理軟件，要求采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real Time Operation System,RTOS），RTOS在進行資源管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作方面的優(yōu)勢使其成為具有實時性要求的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的首選，在RTOS根據(jù)每個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)切換各個任務(wù)，保證對實時性的要求。

1.2 保護、測控特殊功能需求

站內(nèi)聯(lián)鎖、站間聯(lián)跳功能：輕軌、地鐵牽引變電站內(nèi)存在復(fù)雜的聯(lián)鎖保護關(guān)系，如直流總閘、分閘、備用閘直流高速開關(guān)與電動隔離開關(guān)的聯(lián)鎖；分閘、備用閘開關(guān)的總閘聯(lián)跳分閘等。站間也存在聯(lián)跳功能。對于站間的聯(lián)跳功能通過硬接線傳遞信號接入兩站中相應(yīng)的裝置。此功能與電力系統(tǒng)需求有差異。變電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)該有能夠?qū)崿F(xiàn)此功能的裝置。直流保護功能：直流線路保護裝置在整個系統(tǒng)中占有重要地位。整流機組的直流側(cè)都要求安裝直流保護裝置，實現(xiàn)大電流脫扣保護、熱過負荷保護、雙邊聯(lián)跳、框架泄漏保護、自動重合閘等功能。目前，國內(nèi)還沒有成熟的裝置，一般均采用集成經(jīng)過國內(nèi)外直流牽引系統(tǒng)運行考驗的第三方產(chǎn)品來實現(xiàn)，如ABB的DPU106直流牽引系統(tǒng)饋線保護裝置、SIEMENS的DPU96直流牽引系統(tǒng)饋線保護裝置、俄羅斯生產(chǎn)的BZ-M直流保護裝置等。變電站自動化系統(tǒng)的通信處理裝置可通過直流保護裝置提供的對外的通信接口傳送系統(tǒng)需要的信息。

電力監(jiān)控系統(tǒng)要了解排流裝置的動作情況、排流大小等信息，變電站自動化系統(tǒng)的通信處理裝置可通過排流裝置提供的對外的通信接口傳送系統(tǒng)需要的信息。直流電壓、電流測量：目前國內(nèi)城市軌道交通直流接觸網(wǎng)電壓采用750V/1500V兩種，直流饋出線的電流可達到幾十安、甚至上百安，大電流、高電壓的測量是軌道交通的另一個特色。

2 工業(yè)以太網(wǎng)在軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用具體表現(xiàn)

工業(yè)以太網(wǎng)是在以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，它在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

2.1 監(jiān)控單元(智能終端)的數(shù)據(jù)接口

電力設(shè)備的監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)傳輸一般要求高可靠性，抗干擾強，對速度的要求反而不是很高，所以在監(jiān)控單元之間的數(shù)據(jù)接口可以考慮RS-232-C串行接口，也可以考慮RS-485串行總線接口。RS-232-C串行接口是目前最為常用的一種串行通信接口，線路少，成本低，但通信最大距離為15米。RS-485總線可用雙絞線來實現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備簡單、價格低廉，單段最大通信距離為1219米。其平衡雙絞線的長度和傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下才可能達到最大傳輸距離。

2.2 站控監(jiān)控單元(智能終端)的傳輸協(xié)議

采用工業(yè)控制里最為常用的簡單可靠的Modbus協(xié)議。該協(xié)議為公開的免費協(xié)議，大部分的智能終端都能兼容Modbus協(xié)議。雖然在軌道交通中有了高速傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)通信形式，但是各站控層和控制中心的前置機必須采用適合的遠動通信規(guī)約才能完成響應(yīng)的通信。遠動規(guī)約是站端RTU和調(diào)度系統(tǒng)進行信息交互的接口，隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，遠動規(guī)約也在不斷地變化和發(fā)展。國際和國內(nèi)使用的遠動規(guī)約多種多樣，即使對于同一種規(guī)約，其傳輸格式也會因不同國家﹑不同生產(chǎn)廠家而不同；為了統(tǒng)一這種混亂局面，實現(xiàn)遠動規(guī)約的標準化，國際電工委員會TC-57技術(shù)委員會制定了一系列遠動規(guī)約的基本標準，并在此基礎(chǔ)上制定了IEC60870-5-104（以下簡稱104規(guī)約）等規(guī)約。

2.3 規(guī)約交換技術(shù)

104協(xié)議作為一種國際標準協(xié)議，具有實時性好、可靠性高、數(shù)據(jù)流量大、便于信息量擴充、支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)點，其內(nèi)容和功能涵蓋了保護方面的定義。因此，調(diào)度主站與自動化變電站基于104協(xié)議在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信上，可有效利用光纖通道的傳輸能力，有利于遠動協(xié)議的標準化推廣，對實現(xiàn)地區(qū)自動化系統(tǒng)的組網(wǎng)和電力系統(tǒng)自動化數(shù)據(jù)的共享以及設(shè)備方便、迅速的維修提供了技術(shù)支持。針對以太網(wǎng)存在的缺陷和工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，目前已采用多種方法來改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求。為了改善以太網(wǎng)負載較重時的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，可以使用以太網(wǎng)交換機（switch）。它采用將共享的局域網(wǎng)進行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發(fā)生，提高系統(tǒng)的確定性。

2.4 EE1588對時機制

IEEE1588定義了一個在測量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計算和分配對象有關(guān)的精確同步時鐘的協(xié)議（PTP）。此協(xié)議并不是排外的，但是特別適合基于以太網(wǎng)的技術(shù)，精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網(wǎng)絡(luò)通信時同步控制信號產(chǎn)生一定的波動時，它所達到的精度仍可滿足要求。通過采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動就可以運行于高精度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之中。在區(qū)域總線中它所達到的精度遠遠超過了現(xiàn)有各種系統(tǒng)。

IEEE1588所定義的精確網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網(wǎng)技術(shù)所固有的數(shù)據(jù)傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優(yōu)點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標準應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標準，這樣他們的產(chǎn)品之間也可以保證很好的同步性。

3 結(jié)論

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開始向?qū)崟r工業(yè)以太網(wǎng)和無線工業(yè)以太網(wǎng)的方向發(fā)展。特別是奧地利貝加萊（B&R）已經(jīng)開發(fā)出具有真正意義上的實時以太網(wǎng)，而不久的將來，面向未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的新一代工業(yè)以太網(wǎng)組件也將出現(xiàn)。由于以太網(wǎng)有"一網(wǎng)到底"的美譽，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制層，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將會取代現(xiàn)在的基于現(xiàn)場總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的主流。用工業(yè)控制的思路來實現(xiàn)電力監(jiān)控，主要是考慮將工業(yè)控制領(lǐng)域里先進的現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到電力監(jiān)控系統(tǒng)里的通信網(wǎng)絡(luò)，同時在監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、監(jiān)控軟件的選擇上也用工業(yè)控制的做法加以考慮。

[1]田勝利,城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標準化問題思考 [J].城市軌道交通研究,2008,4,13～16.

[2]張貴軍,城市軌道交通電力監(jiān)控自動化系統(tǒng)的功能[J].繼電器,2001,11,第29卷第11期,64～67.