客運專線電力遠動系統通道研究報告

鄭克偉

1 研究背景

從宏觀上看,一條鐵路線電力系統需要監測監控的點為10 kV配電所、電力貫通線(或自閉貫通線)上的戶外分斷開關、為通信信號設備供電的低壓斷路器,以上三者一般情況下均為沿鐵路線均勻的、離散的分布。要實現電力調度中心對以上三者的監測監控就需要構建專用的電力遠動系統,而大量的遠動數據、信息的傳輸必須有可靠的、足夠傳輸能力的通信通道來支持,本報告就這一中心問題做初步分析。

2 遠動系統通道分析

2.1 通道寬度

配電所與外部通信所需要的通道寬度由單位時間內傳輸的信息量大小決定,而單位時間內需傳輸的信息不同情況下是不同的,正常情況下配電所的遙測遙信信息循環發送至調度中心主機,此時發送的報文都是基本報文,總信息量很少,而事故狀態下,報文很多,信息量很大,占用的通道寬,此時,很有可能發生通道擁堵的現象,直接影響遠動系統的正常運行,因此遠動系統設計的第一步就是確定各被控點出口通道寬度,通道也不是越寬越好,寬通道的通信運營費用更高。單位時間內需傳輸的信息量雖然受配電所工況影響很大,但這個值與配電所需傳輸的基本信息量成正比關系,所以對基本信息量的分析可以確定配電所出口通信通道的寬度,當然,實際工作中由配電所自動化設備生產廠商經過分析計算后提出通道寬度更合理也更準確。

2.1.1 10 kV配電所的通道寬度分析

需傳輸信息的分析:1)遙測。電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電能、用遙測處理的有載調壓器分接頭位置。2)遙信。斷路器位置信號、隔離開關位置信號、事故總信號、保護動作信號、小電流接地系統接地信號、直流系統異常信號、斷路器控制回路斷線總信號、斷路器操作機構故障總信號、遙控操作電源消失信號。3)遙控。斷路器。4)遙調。有載調壓器分接頭位置調節。5)可視監控系統。配電所設備間內的圖像信息。

數字通信傳輸的是比特位流,故遙測量需經抽樣、量化、編碼的模/數轉換過程轉化為數字量,一般一個遙測量如電壓值需要兩個字節表達,而遙信量用“1”“0”兩個碼元就可表示開合狀態或“正?！薄胺钦！睜顟B,所以1個字節可表達4臺斷路器(或隔離開關或某條控制線路等等)的位置狀態,1個字節可表達1臺斷路器的遙控命令,最多兩個字節可表達有載調壓器分接頭的操作。編碼功能一般由微保模塊完成,編碼完成后需要按通信規約編成報文,報文除了需要被傳送的被測值外還要包括諸如類型標識、傳送原因、物理地址等等一系列數據單元標識符。綜上所述,一個普通的2進6出10 kV配電所需要傳輸的基本信息量不超過1 000個字節,按照平均5 s的更新周期計算,傳輸速率為1 000×10/5=2 000 bit/s,即最低2 K的帶寬即可滿足要求,從另一方面來講,正常情況下配電所數據、畫面更新太快也沒有多大的意義。

無人值班配電所要實現遠程閉路電視監控,涉及到數字通信的新興領域圖像通信,靜止圖像或活動圖像的數據量非常大,尤其是使人感覺畫面連續無動畫感的一路彩色電視圖像信號,其比特率可達到216 Mbit/s,但經過預測編碼、變換編碼等等頻帶壓縮技術,最終2 M的帶寬可滿足要求。如 H.261給出“P×64 Kbit/s視頻編碼/解碼器”標準,P是一個可變參數,取值范圍 1～30,即速率從64 Kbit/s到 1.92 Mbit/s,當P≥6時,適用于電視會議。配電所可視監控的通道帶寬可選擇28×64 K(P=28)=1 792 K=1.8 M。

所以正常情況下要求配電所的出口通信通道帶寬可以為2 K+1.8 M,即 2 M。

配電所發生故障時,需要傳輸故障波形、保護動作順序、開關位置、保護采樣值、系統潮流、連接片位置等等,短時間內需要傳送大量的上下行信息,此時需要2 M～10 M的傳輸速率才能滿足要求,但如果加設2 M的專用通道,使用率低,得不償失,故采取如下解決方案,即配電所的2 M通道,正常情況下用來傳輸配電所基本信息及遠程閉路電視監控的信號,故障時,自動關閉圖像信息的傳輸,通道全部用來傳輸配電所基本信息及故障錄波信息。

2.1.2 戶外分斷開關

對戶外分斷開關的監測監控涉及電壓、電流、斷路器位置、隔離開關位置、斷路器控制等等,參照以上的分析,戶外分斷開關的出口通信通道可選擇64 K。

2.1.3 為通信信號設備供電的低壓斷路器

對低壓斷路器監測監控涉及電壓、電流、斷路器位置、斷路器控制等等,參照以上的分析,低壓斷路器的出口通信通道亦可選擇64 K。

2.2 遠動系統網絡結構的分析

1)網絡結構的分類。根據通信信道類型,通信子網可分為兩類:點—點線路的通信子網和廣播信道的通信子網。在點—點線路的通信子網中,每條物理線路連接一對結點。若兩結點之間沒有直接連接的線路,那么這兩點之間的通信要通過其他結點轉接。采用這種點—點連線的通信子網的基本拓撲結構有四類:星狀、環狀、樹狀和網狀。

在星狀拓撲結構中,每個結點由一單獨通信線路與中心結點相連。中心結點控制全網的通信,任何兩個結點之間的通信都要經過中心結點來實現。這種拓撲結構的優點是結構簡單,建網容易,管理方便。缺點是中心結點是全網可靠性的“瓶頸”,如果中心結點產生故障,則會影響全網的通信。

在環狀拓撲結構中,由通信線路連接起來的各結點構成一閉合環路。環中有一個結點作為主結點,負責全網的工作過程,數據沿一個方向在環中傳輸,采取逐點輪循的存、取方式。這種拓撲結構的優點是結構簡單,實現容易,數據傳輸延遲確定。缺點是每兩個結點之間的通信線路都是網絡可靠性的“瓶頸”。環中任何一個結點出現故障,均可造成全網癱瘓。為了保證環路能正常工作,需要較復雜的環路維護工作。同時環中有新結點加入或有結點撤出時,環路的恢復工作都較復雜。

樹狀拓撲結構可看作是星狀的拓展。其結點按層次進行連接,數據交換主要在上、下層結點之間進行,相鄰或同層結點之間一般很少進行數據交換。這種結構的優點是通信線路連接簡單,其管理軟件也不復雜,維護亦方便。缺點是資源共享能力差,可靠性也不夠高。

網狀拓撲結構結點之間的連接具有任意性,沒有一定的規律可遵循。它的主要優點是系統的可靠性高,資源共享方便。缺點是結構復雜,軟件控制麻煩,必須采用路由選擇算法和流量控制方法。在遠程網系統中多采用這種拓撲結構。

2)遠動系統通信網絡適用結構的分析。從鐵路電力設施運行管理的角度及鐵路電力系統網絡結構特征上分析,電力調度中心是電力系統調度管理的樞紐,配電所是主要結點,分斷開關、低壓斷路器是次要結點。調度中心與配電所間、相鄰配電所間、相鄰分斷開關間、調度中心與低壓斷路器間、配電所與分斷開關間、配電所與低壓斷路器間,存在監測監控關系,均有信息傳輸的要求。根據前面有關信息傳輸容量的分析,以及配電所在整個鐵路電力系統中的重要性,決定了各配電所與調度中心間應是一對一的星形網絡關系。從地理位置上看調度中心、配電所、分斷開關、低壓斷路器、配電所、分斷開關、低壓斷路器……呈連續的點狀分布,又知除調度中心與配電所間外其他各點之間信息傳輸量小,所以從地理位置的角度看,調度中心、分斷開關、低壓斷路器宜組成點對點環狀結構網絡,但環狀結構中數據沿一個方向在環中傳輸,采取逐點輪循的存取方式,不適合諸如分斷開關、低壓斷路器這種被控點發生故障的隨機性(發生故障時數據應優先傳送),以及環路維護較復雜,環中有新結點加入或有結點撤出時,環路的恢復工作復雜的缺點,環狀結構不適用。綜合以上分析,遠動系統通信網絡從整體上應構成一個網狀結構。

2.3 研究結論

1)調度中心應設置通信前置機,出口帶寬至少為20 M(考慮10個配電所)采用34 368 Kbit/s電接口。配電所設置2 048 Kbit/s電接口,出口帶寬2 048 K。分斷開關、低壓斷路器設置2 048 Kbit/s電接口,或根據生產廠商的要求設置,出口帶寬64 K即可。調度中心、配電所推薦光纖入戶,分斷開關、低壓斷路器傳輸介質推薦雙絞線或同軸電纜。2)調度中心、配電所、分斷開關、低壓斷路器間的通信網絡應組成網狀結構,其中調度中心與配電所層為點對點星形,配電所(含)及以下部分為網狀結構。