王 雪 王典洪

（中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074）

1 概述

隨著鐵路行車向高速、大密度的迅速發(fā)展，與行車安全密切相關(guān)的鐵路電力系統(tǒng)的供電可靠性要求越來越高。傳統(tǒng)的監(jiān)視控制方法，如人工調(diào)度、電話調(diào)度等方式，已經(jīng)不能滿足行車安全的要求。采用先進的電力自動化技術(shù)，實施遠(yuǎn)程自動監(jiān)控和調(diào)度管理，是鐵路系統(tǒng)電力管理部門和運行單位的共識，也是鐵路電力系統(tǒng)必然的發(fā)展趨勢。

鐵路電力自動化系統(tǒng)（SCADA）就是利用先進的計算機軟硬件技術(shù)、自動檢測和控制技術(shù)、計算機通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對鐵路電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，如變配電所、信號電源、線路開關(guān)和電氣集中供電電源等，進行集中監(jiān)視和控制。實現(xiàn)自動化調(diào)度和管理，以提高運行管理及維護水平，保證鐵路電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行，并能及時進行故障處理，縮小故障停電范圍，迅速恢復(fù)供電，減少停電損失，提高供電可靠性，為列車安全、可靠地運行提供保障。

2 鐵路電力自動化系統(tǒng)的組網(wǎng)方式

2.1 現(xiàn)場總線方式

現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場的全數(shù)字化、實時、雙向和多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）改變了傳統(tǒng)DCS模擬數(shù)字通信混合、依靠一對一布線實現(xiàn)信號傳輔、系統(tǒng)相對封閉等缺陷，成為工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，形成了從測控設(shè)備到監(jiān)控計算機的全數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，順應(yīng)了控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求。FCS作為底層網(wǎng)絡(luò)工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻電纜、紅外線和電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足安全要求?，F(xiàn)場總線通信具有布線簡單、全數(shù)字化、可靠性高、實時性好、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級控制、通信協(xié)議公開、適合嵌入式應(yīng)用等優(yōu)點。但是到目前，國內(nèi)外的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有60多種，而且互不兼容，大大延緩了現(xiàn)場總線的發(fā)展速度，常見現(xiàn)場總線有RS-485總線、CAN總線、LonWorks總線等。

現(xiàn)場總線主要用于變配電所內(nèi)部保護單元之間，以及局部范圍內(nèi)RTU、STU和FTU之間的通信，如圖1所示。

2.2 音頻專線方式

鐵路專用音頻傳輸網(wǎng)絡(luò)是指基于音頻傳輸接入系統(tǒng)的鐵路專用網(wǎng)絡(luò)，主要包括鐵路程控電話交換網(wǎng)（Z接口）以及音頻共線專用通道（模擬二／四線接口）。鐵路沿線有多個車站，每個車站都有信號電源、車站開關(guān)。利用鐵路成線狀分布的特點，可以采用更加經(jīng)濟的環(huán)形組網(wǎng)方式來實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的傳輸。在環(huán)形組網(wǎng)方式中需要一個可以中繼的通信設(shè)備，他的作用就是把數(shù)據(jù)傳遞下去，直至最后一個單元。終端設(shè)備在接收到報文時，根據(jù)報文的地址信息來決定數(shù)據(jù)的取舍，對于與自身地址相同的，則接受并進行相應(yīng)的處理，否則不處理該報文，如圖2所示。

環(huán)形組網(wǎng)方式主要特點：節(jié)省信道資源，信號延時較大，實時性差，線路故障后數(shù)據(jù)可通過另一方向傳輸，可靠性高，只能采用輪訓(xùn)式規(guī)約。由于目前鐵路通信系統(tǒng)發(fā)展較快，通道容量已經(jīng)不是制約因素，所以此種組網(wǎng)方式已經(jīng)基本淘汰。

2.3 數(shù)字通道方式

數(shù)字通道方式是通過通信傳輸接入系統(tǒng)所提供的數(shù)字接口實現(xiàn)電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)，通信接口一般采用RS-232/V.24/V.35等。組網(wǎng)方式類似于音頻專線方式的星型組網(wǎng)方式，只是增加了一個多路串口機。由于這種方式存在一些缺陷，比如接口采用串口，通信距離很近。在采用直接連接的情況下，通信設(shè)備和電力設(shè)備之間距離不能超過15 m，大于這個距離時需要增加一對MODEM來延長傳輸距離。接口速率有限，多數(shù)只能傳輸64 kbit/s數(shù)據(jù)。正是由于這些特點，目前新建的鐵路電力自動化系統(tǒng)已經(jīng)不采用此種方式，部分已經(jīng)采用這樣方式的系統(tǒng)，也在近幾年升級改造為其他方式。

2.4 以太網(wǎng)方式

以太網(wǎng)是當(dāng)今信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，正在逐步滲透到數(shù)據(jù)通信的每一個角落，也包括工業(yè)自動化領(lǐng)域。工業(yè)以太網(wǎng)就是技術(shù)上與以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3）兼容，但設(shè)計和包裝用于工業(yè)控制應(yīng)用的要求和苛刻條件的以太網(wǎng)。鐵路電力自動化系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛采用工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，即采用工業(yè)交換機，通過通信系統(tǒng)的各種通道組成工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)各設(shè)備之間的通信。

以太網(wǎng)方式主要特點如下。

（1）帶寬大，傳輸速度快。

由于采用了以太網(wǎng)構(gòu)架，在傳送帶寬上可以保證和普通以太網(wǎng)一致，完全能夠滿足需要。

（2）可以組成環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)的可靠性。

采用工業(yè)以太網(wǎng)方式組網(wǎng)的電力自動化系統(tǒng)，在冗余方式上實現(xiàn)起來簡單，故障情況下恢復(fù)速度快。

（3）良好的擴展性能。

在以太網(wǎng)組成的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)不僅用于控制數(shù)據(jù)的傳輸，同時也可以作為視頻和語音的傳輸平臺。攝像機的視頻、語音、控制信號都可以通過編碼器轉(zhuǎn)換成符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的信息接入網(wǎng)絡(luò)中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻、語音“三網(wǎng)合一”功能。

（4）基于TCP應(yīng)用層的協(xié)議。

ModBus/TCP是基于TCP/IP的ModBus協(xié)議，它在傳輸層選用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸控制協(xié)議TCP，能在收到經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳來的錯誤數(shù)據(jù)的情況下，通過應(yīng)答與重傳機制來保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。ModBus是一個開放的協(xié)議，眾多的供應(yīng)商都支持。網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，用戶只需了解控制設(shè)備的IP地址即可實現(xiàn)設(shè)備之間通信，而與低層網(wǎng)絡(luò)地址和硬件無關(guān)，對于用戶來說，整個網(wǎng)絡(luò)可以看成一個透明結(jié)構(gòu)。

由于采用了以太網(wǎng)方式組網(wǎng)，這種模式下的鐵路電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對比較靈活，可以采用星型、環(huán)形甚至網(wǎng)狀方式組網(wǎng)。結(jié)合鐵路的特點，目前路內(nèi)電力自動化系統(tǒng)的組網(wǎng)方式多采用環(huán)形方式，典型組網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中“通信專業(yè)提供的專用通道”可以是多種類型，包括直接提供光纖和通信專用虛擬通道。如果采用光纖可在路由器上配置傳輸光口，根據(jù)光口的性能不同可提供幾公里到幾十公里不等的傳輸距離；如果采用通信專用虛擬通道，可通過傳輸系統(tǒng)提供的2 M通道或以太網(wǎng)通道實現(xiàn)連接，傳輸距離不受限制，只要附近有通信設(shè)備就可以實現(xiàn)接入，在鐵路系統(tǒng)中，一般需要通信專業(yè)提供通道的電力節(jié)點附近都會設(shè)置通信機房,預(yù)留通信設(shè)備的安裝位置。

3 結(jié)束語

SCADA系統(tǒng)在電氣化鐵道遠(yuǎn)動系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)上已經(jīng)取得突破性進展，應(yīng)用上也有迅猛的發(fā)展。由于電氣化鐵道與電力系統(tǒng)有著不同的特點，在SCADA系統(tǒng)的發(fā)展上與電力系統(tǒng)的道路并不完全一樣。

鐵路電力自動化系統(tǒng)有著重要的意義，鐵路電力線路沿鐵路線狹長分布，供電距離長，環(huán)境惡劣，事故多發(fā)，維修困難。所以提高現(xiàn)有鐵路電力系統(tǒng)自動化水平非常必要。

鐵路電力自動化系統(tǒng)對通信組網(wǎng)方式提出的第一要求就是安全可靠，正是基于這個要求，目前的鐵路電力自動化系統(tǒng)大量采用專用通道組網(wǎng)，未來的發(fā)展方向也一定是向著可靠性更高的方向努力，同時組網(wǎng)的靈活性也會越來越高。

綜上所述，鐵路電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)方式將會向高可靠性、多經(jīng)路迂回路由、更大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模方向發(fā)展。

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