鐵路智能配電一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著鐵路運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高及現(xiàn)代工業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，鐵路電氣設(shè)備控制的智能化和自動(dòng)化要求越來(lái)越高，對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量以及服務(wù)質(zhì)量也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的鐵路配電管理手段和管理方法已難以滿足目前的發(fā)展要求，配電系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化是大勢(shì)所趨。

由于鐵路供配電系統(tǒng)饋出多，支路數(shù)量大，在統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)智能化方面投資成本較高，技術(shù)上也有一定難度。目前，多種鐵路配電自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)度、管理平臺(tái)均為分系統(tǒng)各自實(shí)現(xiàn)，包括鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、溫度監(jiān)控系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、線路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等。每套系統(tǒng)均有各自獨(dú)立的設(shè)備和通訊層，其通訊硬件和通訊協(xié)議大部分都不相同，數(shù)據(jù)不能相互融合，致使配電系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)壁壘；多個(gè)系統(tǒng)獨(dú)自生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試，使用維護(hù)成本很高[1～4]。目前，低壓配電室大多為無(wú)人值守，當(dāng)設(shè)備或線路出現(xiàn)故障時(shí)，各個(gè)工作系統(tǒng)都有相應(yīng)的故障記錄，但比較分散，無(wú)法有效掌握所有故障信息，不利于對(duì)故障進(jìn)行判斷[1]。

為解決上述難題，需研究并設(shè)計(jì)鐵路智能配電一體化平臺(tái)系統(tǒng)，整合鐵路配電中各自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)之間的信息融合；對(duì)電量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，跟蹤記錄設(shè)備運(yùn)行狀況，及時(shí)掌握運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)度的實(shí)時(shí)化、線路保護(hù)和漏電溫度保護(hù)的自動(dòng)化。近年來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，足以通過(guò)一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述所有功能，集中解決鐵路各獨(dú)立系統(tǒng)在成本和數(shù)據(jù)共享方面存在的問(wèn)題。

1 智能配電一體化平臺(tái)概述

智能配電一體化平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集層、通訊管理層和就地監(jiān)控主站層構(gòu)成。3層獨(dú)立結(jié)構(gòu)既保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定，又具有一定的經(jīng)濟(jì)性[5]。

數(shù)據(jù)采集層的終端設(shè)備是智能配電室的“黑匣子”，記錄并保存運(yùn)行數(shù)據(jù)，可用于事故后期分析。低壓配電室大部分處于無(wú)人值守狀態(tài)，通過(guò)該層設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電室內(nèi)設(shè)備的各參數(shù)量和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如出現(xiàn)異常，可將信息通過(guò)有線或無(wú)線方式上傳至監(jiān)控主站層，使管理人員可根據(jù)系統(tǒng)各部分采集和保留的信息判斷并排除故障。

通訊管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的通訊模式，將設(shè)備室作為配電柜智能監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。就地監(jiān)控層與通訊管理層之間的通訊采用網(wǎng)絡(luò)方式，即利用由交換機(jī)組成的局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通訊管理層和終端設(shè)備（即數(shù)據(jù)采集層）之間采用CANbus總線，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

就地監(jiān)控主站層中，每一個(gè)配電柜為一個(gè)最小管理單元，通過(guò)通訊層的配電柜智能監(jiān)控網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)（鐵路遠(yuǎn)動(dòng)、漏電后臺(tái)、能源管理等）數(shù)據(jù)的整理和轉(zhuǎn)發(fā)，以及配電柜其他相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。該層是策略存儲(chǔ)、分析、管理、執(zhí)行層，是實(shí)現(xiàn)配電信息數(shù)字化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化的保障。

2 平臺(tái)主要設(shè)備

2.1 數(shù)據(jù)采集層設(shè)備

數(shù)據(jù)采集層設(shè)備主要包括供電回路的智能型遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、智能斷路器等。RTU綜合測(cè)控單元完成電參量監(jiān)測(cè)電力遠(yuǎn)動(dòng)功能，設(shè)備為面板式安裝，體積小巧、安裝方便，帶有TFT液晶顯示，可以在現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)到采集信息及部分記錄曲線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能型RTU裝置結(jié)構(gòu)

智能型RTU裝置的CPU采用意法半導(dǎo)體（ST）公司研發(fā)的STM32F103系列芯片，該芯片采用了專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，以滿足嵌入式應(yīng)用對(duì)高性能、低功耗、低成本芯片的要求，其最高工作頻率可達(dá)72 MHz。芯片集成了豐富的片上資源，如增強(qiáng)I/O口、高速存儲(chǔ)器、多個(gè)USART通信接口等，可獨(dú)立完成AD采樣、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)處理等功能。

同時(shí)，裝置采樣頻率通過(guò)定時(shí)器設(shè)置為3.2 kHz，即每周波采樣64個(gè)點(diǎn)，以供電回路或出線柜抽屜為單位，對(duì)每單位的三相電壓和電流進(jìn)行不間斷采樣，將鐵路傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)、電參數(shù)測(cè)量（三相電壓/線電壓，有功功率）、部分電能質(zhì)量功能（電壓/電流不平衡度、頻率）、電能計(jì)量、漏電測(cè)量、電纜接頭溫度測(cè)量、變壓器溫度測(cè)量、低壓微機(jī)保護(hù)和線路保護(hù)、斷路器參數(shù)整定等多功能集于一體，節(jié)約大量材料成本，降低施工的復(fù)雜程度，降低后期產(chǎn)品和維護(hù)成本。具體檢測(cè)流程如圖2所示。裝置選擇低壓配電系統(tǒng)廣泛采用的三相四線式接線方式，如圖3所示。通訊使用CAN或RS-485接口，采用自定義或Modbus RTU協(xié)議；接線端子分別為Can+（485A），Can-（485B）；傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線。

圖2 智能RTU的檢測(cè)流程

圖3 智能RTU的接線方式

2.2 通訊管理層設(shè)備

通訊管理層設(shè)備主要包括配電柜智能監(jiān)控網(wǎng)關(guān)、工業(yè)交換機(jī)等。通訊管理層為整個(gè)平臺(tái)的“咽喉”，是就地監(jiān)控層設(shè)備與數(shù)據(jù)采集層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的樞紐，主要實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備數(shù)據(jù)集中、規(guī)約轉(zhuǎn)換、接口轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)初步處理及響應(yīng)監(jiān)控層設(shè)備發(fā)出的指令等功能，并進(jìn)行相關(guān)操作。

通訊管理層設(shè)備采用RTU-ASDU系列智能通訊網(wǎng)關(guān)，該系列通訊管理機(jī)采用通訊專用STM32F407ZE芯片，基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7 CPU微控制器、128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高達(dá)168 MHz的操作頻率，并帶有最多4個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RS485、1個(gè)10 M/100 M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口以及2路CAN通訊接口[6]，可以實(shí)現(xiàn)有線與有線之間或有線與無(wú)線之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)傳輸。

同時(shí)，RTU-ASDU系列通訊管理機(jī)內(nèi)置豐富的通訊規(guī)約庫(kù)，支持IEC104、TCPMODBUS、MODBUS等規(guī)約，滿足本平臺(tái)對(duì)多種通訊方式的規(guī)約需求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)間的信息傳遞、合成、編輯、管理和設(shè)備監(jiān)控功能，適用于要求高、規(guī)模大的鐵路智能配電系統(tǒng)平臺(tái)。

在該平臺(tái)中，通訊層將數(shù)據(jù)采集層采集的鐵路傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)參數(shù)、電參數(shù)、電能參數(shù)以及漏電和溫度檢測(cè)參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、編輯及合并，并依據(jù)主站層的指令，遵從不同的通訊規(guī)約條件上傳至主站層PC端，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集層設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的通信處理和設(shè)備管理功能。通訊層與數(shù)據(jù)采集層的物理連接如圖4所示。

圖4 通訊層和數(shù)據(jù)采集層的連接

在RTU-ASDU智能通訊網(wǎng)關(guān)的多種通訊方式中，該平臺(tái)選擇以RS-485通信為主，CAN通訊為輔的方式。RS-485轉(zhuǎn)換芯片采用MAX485芯片，其原理電路如圖5所示。

RS-485接口由平衡和差分接收器組合構(gòu)成，接收器本身優(yōu)良的抗噪聲能力使RS485接口擁有良好的性能，其最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mbps，可實(shí)現(xiàn)三相電壓采樣數(shù)據(jù)的即時(shí)上傳。同時(shí)RS-485擁有擴(kuò)展多個(gè)接口的能力，從總接口最多可分接出128個(gè)分接口，可以利用少量的RS-485接口簡(jiǎn)單快捷地組成設(shè)備網(wǎng)路，同時(shí)RS-485最大傳輸距離可達(dá)1 200 m，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實(shí)用性大大提高[7，8]。綜上，RS-485優(yōu)良的抗噪聲干擾、多站點(diǎn)、較長(zhǎng)的通訊距離等優(yōu)點(diǎn)使其成為該平臺(tái)首選的通訊接口。

除此之外，RTU-ASDU通訊管理機(jī)還支持遠(yuǎn)距離低功耗的Zigbee無(wú)線通訊方式，適用于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行接線且距離較近的配電室內(nèi)使用。

圖5 MAX485芯片電路圖

2.3 就地監(jiān)控主站層設(shè)備

就地監(jiān)控主站層以智能配電柜為基礎(chǔ)平臺(tái)，是3層中最重要的一層，主要設(shè)備包括高清大屏顯示器、配電室智能監(jiān)控主機(jī)（ASDU-LM）等，可以就地進(jìn)行監(jiān)控，是整個(gè)智能配電一體化平臺(tái)的“大腦”。其主要功能是對(duì)通訊管理機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、統(tǒng)計(jì)、可視化界面展示及轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)集成了開(kāi)關(guān)控制功能，向通訊管理機(jī)及數(shù)據(jù)采集層發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)采集和上傳指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)和控制。主站層與通訊層的連接如圖6所示。

圖6 主站層與通訊層的連接

就地監(jiān)控主站層也是配電平臺(tái)與用戶直接進(jìn)行信息交互的媒介，通過(guò)可視化軟件向用戶傳遞所需信息。

針對(duì)該平臺(tái)開(kāi)發(fā)的軟件是平臺(tái)主站層的核心，它直接面對(duì)用戶，是信息展示的媒介。該軟件基于Java平臺(tái)開(kāi)發(fā)，具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、畫(huà)面美觀等特點(diǎn)，并采用模塊化設(shè)計(jì)理念，各項(xiàng)目管理模塊（如鐵路遠(yuǎn)動(dòng)、能源管理、電氣火災(zāi)監(jiān)控、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和分析、報(bào)警和事件管理、歷史數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理、用戶權(quán)限管理、第三方通訊等）均可獨(dú)立運(yùn)行，各模塊之間互不影響，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

監(jiān)控主站集成配電室內(nèi)的用電設(shè)備監(jiān)控、用電安全狀態(tài)監(jiān)視、能源管理統(tǒng)計(jì)、電能質(zhì)量分析、環(huán)境監(jiān)控等功能，采用智能監(jiān)控模塊和智能通訊管理機(jī)，匯總配電室內(nèi)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)所有數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移），為電力遠(yuǎn)動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)、消防安全系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、BAS系統(tǒng)等其他管理系統(tǒng)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而對(duì)配電狀態(tài)進(jìn)行更準(zhǔn)確地分析。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移亦通過(guò)通訊設(shè)備來(lái)完成，故在監(jiān)控主站層也需配備對(duì)外的通訊設(shè)備。

3 優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

電力自動(dòng)化行業(yè)的快速發(fā)展使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生了重大變化，全球電力自動(dòng)化容量約為1 000億美元。而隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，產(chǎn)品愈加成熟與智能化，國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)配電一體化、自動(dòng)化的需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

目前鐵路配電所自動(dòng)化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、遙信、遙視等功能，但對(duì)各系統(tǒng)之間的信息交互和信息管理，并不能做到統(tǒng)一，各接口難以互通，整合具有一定難度[9，10]。本文所述的智能配電一體化平臺(tái)將信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與配電柜融合，整合了鐵路遠(yuǎn)動(dòng)、漏電監(jiān)測(cè)、溫度管理、電量管理等獨(dú)立系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息采集、數(shù)據(jù)分析、信息上傳、監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)度，能夠很好地解決上述問(wèn)題。

在產(chǎn)業(yè)化方面，鐵路智能配電一體化平臺(tái)將配電一體化、自動(dòng)化技術(shù)由實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，對(duì)形成新的產(chǎn)業(yè)鏈具有促進(jìn)作用，對(duì)形成新的產(chǎn)業(yè)格局也具有重大意義，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和企業(yè)發(fā)展需求，將會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前鐵路配電系統(tǒng)對(duì)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展需求和發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能配電一體化平臺(tái)，整合配電系統(tǒng)中多個(gè)獨(dú)立的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多類電參數(shù)的信息采集、數(shù)據(jù)分析、在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)化、智能化，具有一定的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

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