0 引言

隨著鐵路運營速度的不斷提高及現(xiàn)代工業(yè)的不斷進步和發(fā)展，鐵路電氣設備控制的智能化和自動化要求越來越高，對供電可靠性、電能質(zhì)量以及服務質(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)的自動化、智能化是大勢所趨。

由于鐵路供配電系統(tǒng)饋出多，支路數(shù)量大，在統(tǒng)一實現(xiàn)智能化方面投資成本較高，技術上也有一定難度。目前，多種鐵路配電自動化系統(tǒng)的調(diào)度、管理平臺均為分系統(tǒng)各自實現(xiàn)，包括鐵路電力遠動調(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)測系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)等。每套系統(tǒng)均有各自獨立的設備和通訊層，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；多個系統(tǒng)獨自生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試，使用維護成本很高[1～4]。目前，低壓配電室大多為無人值守，當設備或線路出現(xiàn)故障時，各個工作系統(tǒng)都有相應的故障記錄，但比較分散，無法有效掌握所有故障信息，不利于對故障進行判斷[1]。

為解決上述難題，需研究并設計鐵路智能配電一體化平臺系統(tǒng)，整合鐵路配電中各自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)多個系統(tǒng)之間的信息融合；對電量參數(shù)進行實時監(jiān)測，跟蹤記錄設備運行狀況，及時掌握運行信息，實現(xiàn)調(diào)度的實時化、線路保護和漏電溫度保護的自動化。近年來，自動化技術、通訊技術、計算機技術都取得了長足進步，足以通過一體化系統(tǒng)實現(xiàn)上述所有功能，集中解決鐵路各獨立系統(tǒng)在成本和數(shù)據(jù)共享方面存在的問題。

1 智能配電一體化平臺概述

智能配電一體化平臺由數(shù)據(jù)采集層、通訊管理層和就地監(jiān)控主站層構成。3層獨立結構既保證數(shù)據(jù)的實時穩(wěn)定，又具有一定的經(jīng)濟性[5]。

數(shù)據(jù)采集層的終端設備是智能配電室的“黑匣子”，記錄并保存運行數(shù)據(jù)，可用于事故后期分析。低壓配電室大部分處于無人值守狀態(tài)，通過該層設備實時監(jiān)測配電室內(nèi)設備的各參數(shù)量和設備運行狀態(tài)，如出現(xiàn)異常，可將信息通過有線或無線方式上傳至監(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)場總線相結合的通訊模式，將設備室作為配電柜智能監(jiān)控網(wǎng)關。就地監(jiān)控層與通訊管理層之間的通訊采用網(wǎng)絡方式，即利用由交換機組成的局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸；通訊管理層和終端設備（即數(shù)據(jù)采集層）之間采用CANbus總線，保證數(shù)據(jù)的實時性。

就地監(jiān)控主站層中，每一個配電柜為一個最小管理單元，通過通訊層的配電柜智能監(jiān)控網(wǎng)關實現(xiàn)各系統(tǒng)（鐵路遠動、漏電后臺、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數(shù)據(jù)的監(jiān)測。該層是策略存儲、分析、管理、執(zhí)行層，是實現(xiàn)配電信息數(shù)字化、信息共享標準化、通信平臺網(wǎng)絡化的保障。

2 平臺主要設備

2.1 數(shù)據(jù)采集層設備

數(shù)據(jù)采集層設備主要包括供電回路的智能型遠程終端單元（RTU）、智能斷路器等。RTU綜合測控單元完成電參量監(jiān)測電力遠動功能，設備為面板式安裝，體積小巧、安裝方便，帶有TFT液晶顯示，可以在現(xiàn)場直接觀測到采集信息及部分記錄曲線，其結構如圖1所示。

圖1 智能型RTU裝置結構

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

同時，裝置采樣頻率通過定時器設置為3.2 kHz，即每周波采樣64個點，以供電回路或出線柜抽屜為單位，對每單位的三相電壓和電流進行不間斷采樣，將鐵路傳統(tǒng)遠動、電參數(shù)測量（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）、電能計量、漏電測量、電纜接頭溫度測量、變壓器溫度測量、低壓微機保護和線路保護、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，降低施工的復雜程度，降低后期產(chǎn)品和維護成本。具體檢測流程如圖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的檢測流程

圖3 智能RTU的接線方式

2.2 通訊管理層設備

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

通訊管理層設備采用RTU-ASDU系列智能通訊網(wǎng)關，該系列通訊管理機采用通訊專用STM32F407ZE芯片，基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7 CPU微控制器、128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，實現(xiàn)高達168 MHz的操作頻率，并帶有最多4個工業(yè)標準RS485、1個10 M/100 M自適應網(wǎng)絡接口以及2路CAN通訊接口[6]，可以實現(xiàn)有線與有線之間或有線與無線之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)傳輸。

同時，RTU-ASDU系列通訊管理機內(nèi)置豐富的通訊規(guī)約庫，支持IEC104、TCPMODBUS、MODBUS等規(guī)約，滿足本平臺對多種通訊方式的規(guī)約需求，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集設備和系統(tǒng)主計算機間的信息傳遞、合成、編輯、管理和設備監(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。

在該平臺中，通訊層將數(shù)據(jù)采集層采集的鐵路傳統(tǒng)遠動參數(shù)、電參數(shù)、電能參數(shù)以及漏電和溫度檢測參數(shù)等數(shù)據(jù)進行整理、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，同時對數(shù)據(jù)采集層設備進行監(jiān)控，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的通信處理和設備管理功能。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)關的多種通訊方式中，該平臺選擇以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10 Mbps，可實現(xiàn)三相電壓采樣數(shù)據(jù)的即時上傳。同時RS-485擁有擴展多個接口的能力，從總接口最多可分接出128個分接口，可以利用少量的RS-485接口簡單快捷地組成設備網(wǎng)路，同時RS-485最大傳輸距離可達1 200 m，擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍，實用性大大提高[7，8]。綜上，RS-485優(yōu)良的抗噪聲干擾、多站點、較長的通訊距離等優(yōu)點使其成為該平臺首選的通訊接口。

除此之外，RTU-ASDU通訊管理機還支持遠距離低功耗的Zigbee無線通訊方式，適用于現(xiàn)場無法對檢測設備進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)控主站層設備

就地監(jiān)控主站層以智能配電柜為基礎平臺，是3層中最重要的一層，主要設備包括高清大屏顯示器、配電室智能監(jiān)控主機（ASDU-LM）等，可以就地進行監(jiān)控，是整個智能配電一體化平臺的“大腦”。其主要功能是對通訊管理機上傳的數(shù)據(jù)進行整理、分析、統(tǒng)計、可視化界面展示及轉(zhuǎn)發(fā)，同時集成了開關控制功能，向通訊管理機及數(shù)據(jù)采集層發(fā)送相關數(shù)據(jù)采集和上傳指令，實現(xiàn)對整個平臺的監(jiān)測和控制。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與用戶直接進行信息交互的媒介，通過可視化軟件向用戶傳遞所需信息。

針對該平臺開發(fā)的軟件是平臺主站層的核心，它直接面對用戶，是信息展示的媒介。該軟件基于Java平臺開發(fā)，具有界面友好、操作簡單、畫面美觀等特點，并采用模塊化設計理念，各項目管理模塊（如鐵路遠動、能源管理、電氣火災監(jiān)控、電能質(zhì)量監(jiān)測和分析、報警和事件管理、歷史數(shù)據(jù)管理、報表管理、用戶權限管理、第三方通訊等）均可獨立運行，各模塊之間互不影響，軟件運行穩(wěn)定可靠。

監(jiān)控主站集成配電室內(nèi)的用電設備監(jiān)控、用電安全狀態(tài)監(jiān)視、能源管理統(tǒng)計、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，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），為電力遠動調(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)提供相應數(shù)據(jù)，從而對配電狀態(tài)進行更準確地分析。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移亦通過通訊設備來完成，故在監(jiān)控主站層也需配備對外的通訊設備。

3 優(yōu)勢及應用前景

電力自動化行業(yè)的快速發(fā)展使市場競爭格局發(fā)生了重大變化，全球電力自動化容量約為1 000億美元。而隨著自動化技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，產(chǎn)品愈加成熟與智能化，國際國內(nèi)市場對配電一體化、自動化的需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，市場應用前景廣闊。

目前鐵路配電所自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)遙控、遙測、遙調(diào)、遙信、遙視等功能，但對各系統(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將信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化與配電柜融合，整合了鐵路遠動、漏電監(jiān)測、溫度管理、電量管理等獨立系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息采集、數(shù)據(jù)分析、信息上傳、監(jiān)控和實時調(diào)度，能夠很好地解決上述問題。

在產(chǎn)業(yè)化方面，鐵路智能配電一體化平臺將配電一體化、自動化技術由實驗研究轉(zhuǎn)化為實際應用，對形成新的產(chǎn)業(yè)鏈具有促進作用，對形成新的產(chǎn)業(yè)格局也具有重大意義，符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和企業(yè)發(fā)展需求，將會產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結語

針對目前鐵路配電系統(tǒng)對智能化、自動化的發(fā)展需求和發(fā)展趨勢，本文設計開發(fā)的智能配電一體化平臺，整合配電系統(tǒng)中多個獨立的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多類電參數(shù)的信息采集、數(shù)據(jù)分析、在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸自動化、智能化，具有一定的優(yōu)勢，應用前景廣闊。

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