一種牽引變電所綜合自動化系統通信方案

蔡文泉

0 引言

隨著電氣化鐵道的迅速發展，為實現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中的重要環節，是鐵路控制中心的主要監控點。目前，在一些新建變電所中，電壓等級和電網復雜程度也大大提高，地方電力調度中心甚至中調也需要對變電所進行監視。傳統變電所一次設備和二次設備已無法滿足降低變電所造價和提高變電所安全與經濟運行水平方面的要求。而現在變電所采用的綜合自動化技術是將所內繼電保護，監控系統，信號采集，遠動系統等結合為一個整體，使硬件資源共享，用不同的模式軟件來實現常規設備的各種功能。用局域網來代替電纜，用主動模式來代替常規設備的被動模式。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的發展方向，這就對通信的可靠性提出了更高的要求，選擇一個可靠、高效的網絡結構是解決問題的關鍵。

1 系統通信結構

牽引變電所綜合自動化系統通信結構如圖1、圖2所示。

整個通信系統可分為2部分，一部分為遠動通信系統，另一部分為所內通信系統。遠動通信系統完成向控制中心傳送變電所的實時信息，如：電壓、電流、功率的數值大小、斷路器位置狀態、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；所內通信系統完成變電所內部各設備之間的信息傳遞，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。其通信范圍是在變電所內部。對于集中組屏的綜合自動化系統來說，實際是在主控室內部；所內通信方式有RS232/485串行數據通信、10/100M自適應以太網等。

圖1 牽引變電所綜合自動化系統通信結構圖（一）

圖2 牽引變電所綜合自動化系統通信結構圖（二）

遠動通信系統包括由WTX-65A及路由器實現的與鐵路電調的通信，由PSX600U實現的與電力系統地調及中調的通信2部分。鐵路牽引變電所一般由電調實現遠方四遙功能，地調及中調只實現主變壓器高壓側相關裝置及電氣量的監視功能。

所內通信系統采用主流的分層分布式結構，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據，主要由后臺監控系統及通信管理裝置組成，承擔著所內的監視、管理、控制等變電所主控室功能及音響報警功能，并負責與遠方調度中心通信。第2層為間隔層或單元層，主要包括各微機保護測控裝置，網絡通信服務器等，負責對下層就地裝置和智能電子設備（IDEs）進行通信管理、控制等任務，同時也承擔著通信規約解釋、轉換工作。第3層是就地的模擬量、開關量和脈沖量數據采集、保護和控制操作出口，是數字量和模擬量I/O功能。3層之間靠站內通信系統聯系。

2 遠動通信系統

2.1 與鐵路電調的通信

與電調通信的遠動通道采用雙環2M的E1通道，通信規約采用2002版101規約。系統中配置1個路由器（含 2對協議轉換器，一主一備），通過 BNC接口實現與通信機械室光端機設備的接口。所內的遙信、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轉發。電調是該系統的指揮控制中心，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。環形光纖遠動通道的采用可保證當光纖環有一處斷開時，各變電所還可以由單一方向實現與控制中心的通信。而雙環結構的采用，通信的可靠性得到了很好的保證。與電調的遠動通信結構圖如圖3所示。

2.2 與供電局地調的通信

該牽引變電所進線電壓等級為 220 kV，根據電力系統要求，牽引變電所需納入地方電力調度所。與地調的通信采用四線音頻線點對點通信方式，通過電力 MODEM 實現調制與解調。通信規約采用97版101規約。在該所中，PSX-600U通信管理裝置配置有2塊電力MODEM插件，由管理機完成數據的轉發后通過 MODEM 將調制信號送往地方調度。地調主要監視變電所主變壓器高壓側及進線部分的相關開關位置信息，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通信。

2.3 與省級中調的通信

中調所關心的牽引變電所電氣量與地調基本相同，與中調的通信采用2種通道類型，一種為與地調通信方式相同的電力 MODEM 的調制解調方式，另一種為數據專用網方式。數據專用網采用的接口類型為以太網RJ45型接口（電口），可直接與所內交換機相連，遠動規約采用 IEC60870-5-104規約。所內遠動數據的轉發同樣由PSX-600U通信管理裝置實現。同時采用2種通信方式，使得通信通道實現冗余配置，提高其可靠性及實時響應性。

3 所內通信系統

所內通信系統是一個局域網絡，是一種在小區域內使各種數據通信設備相互連在一起的通信網絡[2]。局域網絡為分散式的系統提供通信介質、傳輸控制和通信功能的手段，該系統為星形拓撲結構的以太網。其典型特性是：高數據傳輸速率，10/100 Mb/s；短距離，屏蔽五類線介質，100 m；低誤碼率。

圖3 與電調的遠動通信結構圖

局域網的核心是互連和通信，網絡的拓撲結構、傳輸介質、傳輸控制和通信方式是局域網的4大要素。

所內通信網絡可看成由3部分組成：牽引所保護裝置組成的以太網；線路保護裝置組成的以太網；智能裝置組成的通信網絡。

3.1 牽引所保護裝置組成的以太網

采用光纖以太網組網，配置1臺光纖交換機，交換機的各端口相對獨立，交換機可根據實際需要配置相應的電口插件。監控計算機配置以太網網卡，能夠通過以太網口接入系統，與系統通信速率不低于10 Mb/s。通信規約采用標準IEC 60870 - 5 -103規約。

所內通信局域網采用光纖以太網模式，有以下優點：

（1）高通信帶寬。以太網的通信速率從10 M、100 M到如今的1000 M，在數據吞吐量相同的情況下，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕和網絡傳輸延時的減小。采用以太網交換技術和全雙工通信技術，可以使以太網交換機的各端口之間數據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送報文幀，從而避免了沖突，突顯系統的實時性。

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

（3）高可靠性。網絡拓撲結構為星形，基于集線器的星形拓撲結構和結構化布線技術使以太網的可靠性達到很高的標準，任何節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。集線器是高可靠設備，其MTBF大于20年，不會降低網絡的可靠性。以太網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，使用光纖介質可徹底解決抗干擾問題。

（4）豐富的資源支持。IEEE802.3以太網標準在1985年即被ISO接收為國際標準，使得采用以太網的通信系統可成為真正的開放型系統。

3.2 線路保護裝置組成的以太網

200 kV線路保護裝置由另一臺交換機進行組網，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級聯。由于牽引供電系統保護裝置與220 kV線路保護裝置通常劃分為2個專業，硬件平臺略有差異，采用2個子系統級聯的方式，使得專業劃分更加清晰，故障的查找更加方便，也便于運營維管部門的管理。由于所內采用開放式標準103規約，因此所內以太網可實現數據的完全共享，WTX-65A通信管理裝置可訪問220 kV線路保護裝置的數據，PSX-600U也可訪問主變壓器、饋線、電容等保護裝置的數據，包括經規約轉換后的直流屏等智能裝置的數據。

其他廠家的線路保護裝置由PSX643實現接口及規約的轉換，其接口采用串行口，通信規約采用103規約。PSX643主要用于電力系統的外廠設備的通信規約轉換，其規約類型已相當豐富，并且該通信方式在電力系統已廣泛應用。

3.3 智能裝置組成的通信網絡

串行通信的最大優點是串行通信數據的各不同位，可以分時使用同一傳輸線，因而節約傳輸線，減少投資，并且簡化接線。特別是當位數很多和遠距離傳送時，其優點更為突出。在變電所綜合自動化系統內部，各廠家自動裝置間或繼電保護裝置與監控系統間，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規約轉換插件，該插件具有4個串行口，可由其實現與直流屏、動補裝置及故判裝置等智能裝置的接口及規約轉換。WTS-65A規約轉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備連接進牽引變電所自動化系統的站內骨干網。

4 結束語

實現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傳統變電所的保護和控制裝置，關鍵在于實現信息交換。通過控制和保護互連、相互協調，允許數據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，實現信息共享，提供常規的變電所二次設備所不能提供的功能，減少變電所設備的重復配置，簡化設備之間的互連，從整體上提高自動化系統的安全性和經濟性，以此提高整個供電系統的自動化水平。因此，在綜合自動化系統中，網絡技術、通信協議標準、分布式技術、數據共享等問題，必然成為綜合自動化系統的關鍵問題。本文所述的牽引變電所綜合自動化通信系統采用先進的、標準的和成熟的通信網絡技術。采用級聯以太網絡，通信管理機雙機熱備用，光纖雙環E1通道結構，采用國際標準通信規約協議，充分考慮網絡的開放性、可擴充性及工程化的相關問題。該通信系統具有速度快，可靠性高，可擴展性強等特點，已經在鐵路重大干線上得到成功的應用。

[1]陶曉農.分散式變電站監控系統中的通信技術方案[J].電力系統自動化，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據通信 全國高等學校電力系統及其自動化專業第十三屆學術年會論文集[D].廣州：1997.