鐵路電力自動化系統組網方式探討

王 雪 王典洪

（中國地質大學工程學院，武漢 430074）

1 概述

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

鐵路電力自動化系統（SCADA）就是利用先進的計算機軟硬件技術、自動檢測和控制技術、計算機通信和網絡技術，對鐵路電力系統的各個環節，如變配電所、信號電源、線路開關和電氣集中供電電源等，進行集中監視和控制。實現自動化調度和管理，以提高運行管理及維護水平，保證鐵路電力系統的安全、經濟運行，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的組網方式

2.1 現場總線方式

現場總線是應用在生產現場的全數字化、實時、雙向和多節點的數字通信系統。現場總線控制系統（FCS）改變了傳統DCS模擬數字通信混合、依靠一對一布線實現信號傳輔、系統相對封閉等缺陷，成為工業控制技術的發展趨勢之一，形成了從測控設備到監控計算機的全數字通信網絡，順應了控制網絡的發展要求。FCS作為底層網絡工作在現場設備前端，是專為在現場環境工作而設計的，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，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足安全要求。現場總線通信具有布線簡單、全數字化、可靠性高、實時性好、數據傳輸優先級控制、通信協議公開、適合嵌入式應用等優點。但是到目前，國內外的現場總線標準有60多種，而且互不兼容，大大延緩了現場總線的發展速度，常見現場總線有RS-485總線、CAN總線、LonWorks總線等。

現場總線主要用于變配電所內部保護單元之間，以及局部范圍內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絡是指基于音頻傳輸接入系統的鐵路專用網絡，主要包括鐵路程控電話交換網（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。利用鐵路成線狀分布的特點，可以采用更加經濟的環形組網方式來實現控制數據的傳輸。在環形組網方式中需要一個可以中繼的通信設備，他的作用就是把數據傳遞下去，直至最后一個單元。終端設備在接收到報文時，根據報文的地址信息來決定數據的取舍，對于與自身地址相同的，則接受并進行相應的處理，否則不處理該報文，如圖2所示。

環形組網方式主要特點：節省信道資源，信號延時較大，實時性差，線路故障后數據可通過另一方向傳輸，可靠性高，只能采用輪訓式規約。由于目前鐵路通信系統發展較快，通道容量已經不是制約因素，所以此種組網方式已經基本淘汰。

2.3 數字通道方式

數字通道方式是通過通信傳輸接入系統所提供的數字接口實現電力自動化系統組網，通信接口一般采用RS-232/V.24/V.35等。組網方式類似于音頻專線方式的星型組網方式，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，通信設備和電力設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，多數只能傳輸64 kbit/s數據。正是由于這些特點，目前新建的鐵路電力自動化系統已經不采用此種方式，部分已經采用這樣方式的系統，也在近幾年升級改造為其他方式。

2.4 以太網方式

以太網是當今信息網絡領域應用最為廣泛的局域網，正在逐步滲透到數據通信的每一個角落，也包括工業自動化領域。工業以太網就是技術上與以太網標準（IEEE 802.3）兼容，但設計和包裝用于工業控制應用的要求和苛刻條件的以太網。鐵路電力自動化系統現在已經廣泛采用工業以太網通信技術，即采用工業交換機，通過通信系統的各種通道組成工業以太網，實現各設備之間的通信。

以太網方式主要特點如下。

（1）帶寬大，傳輸速度快。

由于采用了以太網構架，在傳送帶寬上可以保證和普通以太網一致，完全能夠滿足需要。

（2）可以組成環形冗余網絡，保證系統的可靠性。

采用工業以太網方式組網的電力自動化系統，在冗余方式上實現起來簡單，故障情況下恢復速度快。

（3）良好的擴展性能。

在以太網組成的系統中，網絡不僅用于控制數據的傳輸，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換成符合以太網標準的信息接入網絡中，從而實現數據、視頻、語音“三網合一”功能。

（4）基于TCP應用層的協議。

ModBus/TCP是基于TCP/IP的ModBus協議，它在傳輸層選用標準的傳輸控制協議TCP，能在收到經網絡傳來的錯誤數據的情況下，通過應答與重傳機制來保證數據的可靠傳輸。ModBus是一個開放的協議，眾多的供應商都支持。網絡層采用IP協議，用戶只需了解控制設備的IP地址即可實現設備之間通信，而與低層網絡地址和硬件無關，對于用戶來說，整個網絡可以看成一個透明結構。

由于采用了以太網方式組網，這種模式下的鐵路電力自動化系統組網結構相對比較靈活，可以采用星型、環形甚至網狀方式組網。結合鐵路的特點，目前路內電力自動化系統的組網方式多采用環形方式，典型組網方式結構如圖3所示。

其中“通信專業提供的專用通道”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，可通過傳輸系統提供的2 M通道或以太網通道實現連接，傳輸距離不受限制，只要附近有通信設備就可以實現接入，在鐵路系統中，一般需要通信專業提供通道的電力節點附近都會設置通信機房,預留通信設備的安裝位置。

3 結束語

SCADA系統在電氣化鐵道遠動系統的應用技術上已經取得突破性進展，應用上也有迅猛的發展。由于電氣化鐵道與電力系統有著不同的特點，在SCADA系統的發展上與電力系統的道路并不完全一樣。

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

鐵路電力自動化系統對通信組網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大量采用專用通道組網，未來的發展方向也一定是向著可靠性更高的方向努力，同時組網的靈活性也會越來越高。

綜上所述，鐵路電力自動化系統組網方式將會向高可靠性、多經路迂回路由、更大的網絡規模方向發展。

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