任彬 王鋒

（南京國(guó)電南自城鄉(xiāng)電網(wǎng)自動(dòng)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(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，開(kāi)放式通信協(xié)議，系統(tǒng)擴(kuò)展、移植方便，符合IEC關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為站級(jí)和間隔級(jí)兩層結(jié)構(gòu)的技術(shù)規(guī)范。在對(duì)調(diào)度主站系統(tǒng)通信時(shí)，為提高通信可靠性，各變電所的通信處理裝置可以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備、采用主備通道與調(diào)度主站通信，主備通道之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換和手動(dòng)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(duì)于系統(tǒng)通信管理軟件，要求采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real Time Operation System,RTOS），RTOS在進(jìn)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(shì)使其成為具有實(shí)時(shí)性要求的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首選，在RTOS根據(jù)每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

1.2 保護(hù)、測(cè)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(hù)關(guān)系，如直流總閘、分閘、備用閘直流高速開(kāi)關(guān)與電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)的聯(lián)鎖；分閘、備用閘開(kāi)關(guān)的總閘聯(lián)跳分閘等。站間也存在聯(lián)跳功能。對(duì)于站間的聯(lián)跳功能通過(guò)硬接線傳遞信號(hào)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(dòng)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(hù)功能：直流線路保護(hù)裝置在整個(gè)系統(tǒng)中占有重要地位。整流機(jī)組的直流側(cè)都要求安裝直流保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)大電流脫扣保護(hù)、熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)、雙邊聯(lián)跳、框架泄漏保護(hù)、自動(dòng)重合閘等功能。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的裝置，一般均采用集成經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外直流牽引系統(tǒng)運(yùn)行考驗(yàn)的第三方產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)，如ABB的DPU106直流牽引系統(tǒng)饋線保護(hù)裝置、SIEMENS的DPU96直流牽引系統(tǒng)饋線保護(hù)裝置、俄羅斯生產(chǎn)的BZ-M直流保護(hù)裝置等。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信處理裝置可通過(guò)直流保護(hù)裝置提供的對(duì)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(dòng)作情況、排流大小等信息，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信處理裝置可通過(guò)排流裝置提供的對(duì)外的通信接口傳送系統(tǒng)需要的信息。直流電壓、電流測(cè)量：目前國(guó)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(dá)到幾十安、甚至上百安，大電流、高電壓的測(cè)量是軌道交通的另一個(gè)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(biāo)準(zhǔn)）兼容，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等方面能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)，對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，單段最大通信距離為1219米。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度和傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下才可能達(dá)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(jiǎn)單可靠的Modbus協(xié)議。該協(xié)議為公開(kāi)的免費(fèi)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(jī)必須采用適合的遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約才能完成響應(yīng)的通信。遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約是站端RTU和調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的接口，隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約也在不斷地變化和發(fā)展。國(guó)際和國(guó)內(nèi)使用的遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約多種多樣，即使對(duì)于同一種規(guī)約，其傳輸格式也會(huì)因不同國(guó)家﹑不同生產(chǎn)廠家而不同；為了統(tǒng)一這種混亂局面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際電工委員會(huì)TC-57技術(shù)委員會(huì)制定了一系列遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約的基本標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上制定了IEC60870-5-104（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、數(shù)據(jù)流量大、便于信息量擴(kuò)充、支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，其內(nèi)容和功能涵蓋了保護(hù)方面的定義。因此，調(diào)度主站與自動(dòng)化變電站基于104協(xié)議在實(shí)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(yuǎn)動(dòng)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化推廣，對(duì)實(shí)現(xiàn)地區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)的組網(wǎng)和電力系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)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(lái)改善以太網(wǎng)的性能和品質(zhì)，以滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域的要求。為了改善以太網(wǎng)負(fù)載較重時(shí)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題，可以使用以太網(wǎng)交換機(jī)（switch）。它采用將共享的局域網(wǎng)進(jìn)行有效的沖突域劃分技術(shù)。各個(gè)沖突域之間用交換機(jī)連接，以減少CSMA/CD機(jī)制帶來(lái)的沖突問(wèn)題和錯(cuò)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(duì)時(shí)機(jī)制

IEEE1588定義了一個(gè)在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中，與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分配對(duì)象有關(guān)的精確同步時(shí)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(dá)微秒范圍。它使用時(shí)間印章來(lái)同步本地時(shí)間的機(jī)制。即使在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)同步控制信號(hào)產(chǎn)生一定的波動(dòng)時(shí)，它所達(dá)到的精度仍可滿(mǎn)足要求。通過(guò)采用這種技術(shù)，以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議不需要大的改動(dòng)就可以運(yùn)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(dá)到的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的高度同步，使得在分配控制工作時(shí)無(wú)需再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的同步通信，從而達(dá)到了通信時(shí)間模式與應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間模式分開(kāi)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(shí)間波動(dòng)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(diǎn)是其標(biāo)準(zhǔn)非常具有代表性，并且是開(kāi)放式的。由于它的開(kāi)放性，現(xiàn)在已經(jīng)有許多控制系統(tǒng)的供應(yīng)商將該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到他們的產(chǎn)品當(dāng)中了。而且不同設(shè)備的生產(chǎn)商都遵循同樣的標(biāo)準(zhǔn)，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(kāi)始向?qū)崟r(shí)工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)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(kāi)發(fā)出具有真正意義上的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，而不久的將來(lái)，面向未來(lái)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(yù)，即它可以一直延伸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)取代現(xiàn)在的基于現(xiàn)場(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控，主要是考慮將工業(yè)控制領(lǐng)域里先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)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(dòng)化系統(tǒng)的功能[J].繼電器,2001,11,第29卷第11期,64～67.