蔡文泉

0 引言

隨著電氣化鐵道的迅速發(fā)展，為實現(xiàn)無人值班牽引變電所，提高變電所的運行及管理水平，對牽引變電所自動化水平的要求越來越高。牽引變電所是鐵路牽引供電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，是鐵路控制中心的主要監(jiān)控點。目前，在一些新建變電所中，電壓等級和電網(wǎng)復(fù)雜程度也大大提高，地方電力調(diào)度中心甚至中調(diào)也需要對變電所進行監(jiān)視。傳統(tǒng)變電所一次設(shè)備和二次設(shè)備已無法滿足降低變電所造價和提高變電所安全與經(jīng)濟運行水平方面的要求。而現(xiàn)在變電所采用的綜合自動化技術(shù)是將所內(nèi)繼電保護，監(jiān)控系統(tǒng)，信號采集，遠動系統(tǒng)等結(jié)合為一個整體，使硬件資源共享，用不同的模式軟件來實現(xiàn)常規(guī)設(shè)備的各種功能。用局域網(wǎng)來代替電纜，用主動模式來代替常規(guī)設(shè)備的被動模式。具有可靠、安全、便于維護等特點。分散分層分布式是變電所綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向，這就對通信的可靠性提出了更高的要求，選擇一個可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是解決問題的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

整個通信系統(tǒng)可分為2部分，一部分為遠動通信系統(tǒng)，另一部分為所內(nèi)通信系統(tǒng)。遠動通信系統(tǒng)完成向控制中心傳送變電所的實時信息，如：電壓、電流、功率的數(shù)值大小、斷路器位置狀態(tài)、事件記錄等；接收控制中心對斷路器操作控制命令以及查詢和其他操作控制命令；所內(nèi)通信系統(tǒng)完成變電所內(nèi)部各設(shè)備之間的信息傳遞，如間隔層保護測控裝置動作信號傳遞給通信管理機電笛、電鈴報警系統(tǒng)。其通信范圍是在變電所內(nèi)部。對于集中組屏的綜合自動化系統(tǒng)來說，實際是在主控室內(nèi)部；所內(nèi)通信方式有RS232/485串行數(shù)據(jù)通信、10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)等。

圖1 牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖（一）

圖2 牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖（二）

遠動通信系統(tǒng)包括由WTX-65A及路由器實現(xiàn)的與鐵路電調(diào)的通信，由PSX600U實現(xiàn)的與電力系統(tǒng)地調(diào)及中調(diào)的通信2部分。鐵路牽引變電所一般由電調(diào)實現(xiàn)遠方四遙功能，地調(diào)及中調(diào)只實現(xiàn)主變壓器高壓側(cè)相關(guān)裝置及電氣量的監(jiān)視功能。

所內(nèi)通信系統(tǒng)采用主流的分層分布式結(jié)構(gòu)，其功能在邏輯上可分為 3個層次：變電站層（stationlevel）、間隔層或單元層（baylevel）和過程層（processlevel）[1]。第1層為變電站層，它由間隔層得到實時數(shù)據(jù)，主要由后臺監(jiān)控系統(tǒng)及通信管理裝置組成，承擔(dān)著所內(nèi)的監(jiān)視、管理、控制等變電所主控室功能及音響報警功能，并負責(zé)與遠方調(diào)度中心通信。第2層為間隔層或單元層，主要包括各微機保護測控裝置，網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器等，負責(zé)對下層就地裝置和智能電子設(shè)備（IDEs）進行通信管理、控制等任務(wù)，同時也承擔(dān)著通信規(guī)約解釋、轉(zhuǎn)換工作。第3層是就地的模擬量、開關(guān)量和脈沖量數(shù)據(jù)采集、保護和控制操作出口，是數(shù)字量和模擬量I/O功能。3層之間靠站內(nèi)通信系統(tǒng)聯(lián)系。

2 遠動通信系統(tǒng)

2.1 與鐵路電調(diào)的通信

與電調(diào)通信的遠動通道采用雙環(huán)2M的E1通道，通信規(guī)約采用2002版101規(guī)約。系統(tǒng)中配置1個路由器（含 2對協(xié)議轉(zhuǎn)換器，一主一備），通過 BNC接口實現(xiàn)與通信機械室光端機設(shè)備的接口。所內(nèi)的遙信、遙測、遙控信號通過WTX-65A通信管理裝置的篩選后通過路由器向電調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)。電調(diào)是該系統(tǒng)的指揮控制中心，對于無人值班的牽引變電所，其通信可靠性更是首先考慮的因素。環(huán)形光纖遠動通道的采用可保證當(dāng)光纖環(huán)有一處斷開時，各變電所還可以由單一方向?qū)崿F(xiàn)與控制中心的通信。而雙環(huán)結(jié)構(gòu)的采用，通信的可靠性得到了很好的保證。與電調(diào)的遠動通信結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 與供電局地調(diào)的通信

該牽引變電所進線電壓等級為 220 kV，根據(jù)電力系統(tǒng)要求，牽引變電所需納入地方電力調(diào)度所。與地調(diào)的通信采用四線音頻線點對點通信方式，通過電力 MODEM 實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。通信規(guī)約采用97版101規(guī)約。在該所中，PSX-600U通信管理裝置配置有2塊電力MODEM插件，由管理機完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)后通過 MODEM 將調(diào)制信號送往地方調(diào)度。地調(diào)主要監(jiān)視變電所主變壓器高壓側(cè)及進線部分的相關(guān)開關(guān)位置信息，測量信息，保護事件信息及保護動作信息。點對點串行通信方式應(yīng)用廣泛，可靠性高，成本也比較低廉，適用于通信量比較小的地調(diào)通信。

2.3 與省級中調(diào)的通信

中調(diào)所關(guān)心的牽引變電所電氣量與地調(diào)基本相同，與中調(diào)的通信采用2種通道類型，一種為與地調(diào)通信方式相同的電力 MODEM 的調(diào)制解調(diào)方式，另一種為數(shù)據(jù)專用網(wǎng)方式。數(shù)據(jù)專用網(wǎng)采用的接口類型為以太網(wǎng)RJ45型接口（電口），可直接與所內(nèi)交換機相連，遠動規(guī)約采用 IEC60870-5-104規(guī)約。所內(nèi)遠動數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)同樣由PSX-600U通信管理裝置實現(xiàn)。同時采用2種通信方式，使得通信通道實現(xiàn)冗余配置，提高其可靠性及實時響應(yīng)性。

3 所內(nèi)通信系統(tǒng)

所內(nèi)通信系統(tǒng)是一個局域網(wǎng)絡(luò)，是一種在小區(qū)域內(nèi)使各種數(shù)據(jù)通信設(shè)備相互連在一起的通信網(wǎng)絡(luò)[2]。局域網(wǎng)絡(luò)為分散式的系統(tǒng)提供通信介質(zhì)、傳輸控制和通信功能的手段，該系統(tǒng)為星形拓撲結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)。其典型特性是：高數(shù)據(jù)傳輸速率，10/100 Mb/s；短距離，屏蔽五類線介質(zhì)，100 m；低誤碼率。

圖3 與電調(diào)的遠動通信結(jié)構(gòu)圖

局域網(wǎng)的核心是互連和通信，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)、傳輸控制和通信方式是局域網(wǎng)的4大要素。

所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)可看成由3部分組成：牽引所保護裝置組成的以太網(wǎng)；線路保護裝置組成的以太網(wǎng)；智能裝置組成的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.1 牽引所保護裝置組成的以太網(wǎng)

采用光纖以太網(wǎng)組網(wǎng)，配置1臺光纖交換機，交換機的各端口相對獨立，交換機可根據(jù)實際需要配置相應(yīng)的電口插件。監(jiān)控計算機配置以太網(wǎng)網(wǎng)卡，能夠通過以太網(wǎng)口接入系統(tǒng)，與系統(tǒng)通信速率不低于10 Mb/s。通信規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)IEC 60870 - 5 -103規(guī)約。

所內(nèi)通信局域網(wǎng)采用光纖以太網(wǎng)模式，有以下優(yōu)點：

（1）高通信帶寬。以太網(wǎng)的通信速率從10 M、100 M到如今的1000 M，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的減小。采用以太網(wǎng)交換技術(shù)和全雙工通信技術(shù)，可以使以太網(wǎng)交換機的各端口之間數(shù)據(jù)幀的輸入和輸出不再受CSMA/CD機制的約束，一對通信線纜上可分別同時接收和發(fā)送報文幀，從而避免了沖突，突顯系統(tǒng)的實時性。

（2）多種通信介質(zhì)。以太網(wǎng)可使用同軸電纜、雙絞線、光纖等通信介質(zhì)，在一個網(wǎng)絡(luò)中可混合使用不同介質(zhì)，根據(jù)需要靈活選用。

（3）高可靠性。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星形，基于集線器的星形拓撲結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化布線技術(shù)使以太網(wǎng)的可靠性達到很高的標(biāo)準(zhǔn)，任何節(jié)點的故障因被集線器隔離而不會擴散，便于故障的查找和隔離。集線器是高可靠設(shè)備，其MTBF大于20年，不會降低網(wǎng)絡(luò)的可靠性。以太網(wǎng)即使使用雙絞線也有很高的電磁兼容性，在Ⅳ級快速瞬變干擾試驗中誤碼率仍保持在小于10-9的低水平，使用光纖介質(zhì)可徹底解決抗干擾問題。

（4）豐富的資源支持。IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在1985年即被ISO接收為國際標(biāo)準(zhǔn)，使得采用以太網(wǎng)的通信系統(tǒng)可成為真正的開放型系統(tǒng)。

3.2 線路保護裝置組成的以太網(wǎng)

200 kV線路保護裝置由另一臺交換機進行組網(wǎng)，以解決單臺交換機接口容量不足的問題，該交換機與光纖交換機實現(xiàn)級聯(lián)。由于牽引供電系統(tǒng)保護裝置與220 kV線路保護裝置通常劃分為2個專業(yè)，硬件平臺略有差異，采用2個子系統(tǒng)級聯(lián)的方式，使得專業(yè)劃分更加清晰，故障的查找更加方便，也便于運營維管部門的管理。由于所內(nèi)采用開放式標(biāo)準(zhǔn)103規(guī)約，因此所內(nèi)以太網(wǎng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完全共享，WTX-65A通信管理裝置可訪問220 kV線路保護裝置的數(shù)據(jù)，PSX-600U也可訪問主變壓器、饋線、電容等保護裝置的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后的直流屏等智能裝置的數(shù)據(jù)。

其他廠家的線路保護裝置由PSX643實現(xiàn)接口及規(guī)約的轉(zhuǎn)換，其接口采用串行口，通信規(guī)約采用103規(guī)約。PSX643主要用于電力系統(tǒng)的外廠設(shè)備的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換，其規(guī)約類型已相當(dāng)豐富，并且該通信方式在電力系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用。

3.3 智能裝置組成的通信網(wǎng)絡(luò)

串行通信的最大優(yōu)點是串行通信數(shù)據(jù)的各不同位，可以分時使用同一傳輸線，因而節(jié)約傳輸線，減少投資，并且簡化接線。特別是當(dāng)位數(shù)很多和遠距離傳送時，其優(yōu)點更為突出。在變電所綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部，各廠家自動裝置間或繼電保護裝置與監(jiān)控系統(tǒng)間，為了減少連接電纜，簡化接線，降低成本，常采用串行通信。

WTX-65A通信管理裝置串口板 2可配置WTS-65A規(guī)約轉(zhuǎn)換插件，該插件具有4個串行口，可由其實現(xiàn)與直流屏、動補裝置及故判裝置等智能裝置的接口及規(guī)約轉(zhuǎn)換。WTS-65A規(guī)約轉(zhuǎn)換插件的硬件為高性能32位單片機及大容量存儲器，配置以太網(wǎng)接口、異步串行通信口（RS-232C或RS485），可方便地將具有其他接口模式的智能型設(shè)備連接進牽引變電所自動化系統(tǒng)的站內(nèi)骨干網(wǎng)。

4 結(jié)束語

實現(xiàn)變電所綜合自動化的主要目的不僅僅是用以微機為核心的保護和控制裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電所的保護和控制裝置，關(guān)鍵在于實現(xiàn)信息交換。通過控制和保護互連、相互協(xié)調(diào)，允許數(shù)據(jù)在各功能塊之間相互交換，可以提高他們的性能。通過信息交換，互相通信，實現(xiàn)信息共享，提供常規(guī)的變電所二次設(shè)備所不能提供的功能，減少變電所設(shè)備的重復(fù)配置，簡化設(shè)備之間的互連，從整體上提高自動化系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性，以此提高整個供電系統(tǒng)的自動化水平。因此，在綜合自動化系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、分布式技術(shù)、數(shù)據(jù)共享等問題，必然成為綜合自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。本文所述的牽引變電所綜合自動化通信系統(tǒng)采用先進的、標(biāo)準(zhǔn)的和成熟的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用級聯(lián)以太網(wǎng)絡(luò)，通信管理機雙機熱備用，光纖雙環(huán)E1通道結(jié)構(gòu)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約協(xié)議，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的開放性、可擴充性及工程化的相關(guān)問題。該通信系統(tǒng)具有速度快，可靠性高，可擴展性強等特點，已經(jīng)在鐵路重大干線上得到成功的應(yīng)用。

[1]陶曉農(nóng).分散式變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的通信技術(shù)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，1998，22（4）：51-54.

[2]劉玉忠，吳俊勇，劉沛.變電站綜合自動化中的數(shù)據(jù)通信 全國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第十三屆學(xué)術(shù)年會論文集[D].廣州：1997.