淺談工業以太網在軌道交通電力監控系統中的應用

任彬 王鋒

（南京國電南自城鄉電網自動化工程有限公司，江蘇 南京 211100)

1 軌道交通電力監控系統功能需求

1.1 通信需求

在網絡結構上，要求采用計算機局域網絡結構，開放式通信協議，系統擴展、移植方便，符合IEC關于變電站自動化系統分為站級和間隔級兩層結構的技術規范。在對調度主站系統通信時，為提高通信可靠性，各變電所的通信處理裝置可以實現雙機熱備、采用主備通道與調度主站通信，主備通道之間實現自動切換和手動切換；主備通道可以采用相同的通信規約，也可以采用不同的通信規約。

對于系統通信管理軟件，要求采用實時多任務操作系統（Real Time Operation System,RTOS），RTOS在進行資源管理、消息管理、任務調度、異常處理等工作方面的優勢使其成為具有實時性要求的嵌入式系統開發的首選，在RTOS根據每個任務的優先級，動態切換各個任務，保證對實時性的要求。

1.2 保護、測控特殊功能需求

站內聯鎖、站間聯跳功能：輕軌、地鐵牽引變電站內存在復雜的聯鎖保護關系，如直流總閘、分閘、備用閘直流高速開關與電動隔離開關的聯鎖；分閘、備用閘開關的總閘聯跳分閘等。站間也存在聯跳功能。對于站間的聯跳功能通過硬接線傳遞信號接入兩站中相應的裝置。此功能與電力系統需求有差異。變電站自動化系統中應該有能夠實現此功能的裝置。直流保護功能：直流線路保護裝置在整個系統中占有重要地位。整流機組的直流側都要求安裝直流保護裝置，實現大電流脫扣保護、熱過負荷保護、雙邊聯跳、框架泄漏保護、自動重合閘等功能。目前，國內還沒有成熟的裝置，一般均采用集成經過國內外直流牽引系統運行考驗的第三方產品來實現，如ABB的DPU106直流牽引系統饋線保護裝置、SIEMENS的DPU96直流牽引系統饋線保護裝置、俄羅斯生產的BZ-M直流保護裝置等。變電站自動化系統的通信處理裝置可通過直流保護裝置提供的對外的通信接口傳送系統需要的信息。

電力監控系統要了解排流裝置的動作情況、排流大小等信息，變電站自動化系統的通信處理裝置可通過排流裝置提供的對外的通信接口傳送系統需要的信息。直流電壓、電流測量：目前國內城市軌道交通直流接觸網電壓采用750V/1500V兩種，直流饋出線的電流可達到幾十安、甚至上百安，大電流、高電壓的測量是軌道交通的另一個特色。

2 工業以太網在軌道交通電力監控系統中的應用具體表現

工業以太網是在以太網技術的基礎上開發出來的一種工業網絡，它在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業現場的需要。

2.1 監控單元(智能終端)的數據接口

電力設備的監控單元的數據傳輸一般要求高可靠性，抗干擾強，對速度的要求反而不是很高，所以在監控單元之間的數據接口可以考慮RS-232-C串行接口，也可以考慮RS-485串行總線接口。RS-232-C串行接口是目前最為常用的一種串行通信接口，線路少，成本低，但通信最大距離為15米。RS-485總線可用雙絞線來實現多站聯網，設備簡單、價格低廉，單段最大通信距離為1219米。其平衡雙絞線的長度和傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下才可能達到最大傳輸距離。

2.2 站控監控單元(智能終端)的傳輸協議

采用工業控制里最為常用的簡單可靠的Modbus協議。該協議為公開的免費協議，大部分的智能終端都能兼容Modbus協議。雖然在軌道交通中有了高速傳輸的以太網通信形式，但是各站控層和控制中心的前置機必須采用適合的遠動通信規約才能完成響應的通信。遠動規約是站端RTU和調度系統進行信息交互的接口，隨著軟硬件技術的發展，遠動規約也在不斷地變化和發展。國際和國內使用的遠動規約多種多樣，即使對于同一種規約，其傳輸格式也會因不同國家﹑不同生產廠家而不同；為了統一這種混亂局面，實現遠動規約的標準化，國際電工委員會TC-57技術委員會制定了一系列遠動規約的基本標準，并在此基礎上制定了IEC60870-5-104（以下簡稱104規約）等規約。

2.3 規約交換技術

104協議作為一種國際標準協議，具有實時性好、可靠性高、數據流量大、便于信息量擴充、支持網絡傳輸等優點，其內容和功能涵蓋了保護方面的定義。因此，調度主站與自動化變電站基于104協議在實現網絡通信上，可有效利用光纖通道的傳輸能力，有利于遠動協議的標準化推廣，對實現地區自動化系統的組網和電力系統自動化數據的共享以及設備方便、迅速的維修提供了技術支持。針對以太網存在的缺陷和工業領域對工業網絡的特殊要求，目前已采用多種方法來改善以太網的性能和品質，以滿足工業領域的要求。為了改善以太網負載較重時的網絡擁塞問題，可以使用以太網交換機（switch）。它采用將共享的局域網進行有效的沖突域劃分技術。各個沖突域之間用交換機連接，以減少CSMA/CD機制帶來的沖突問題和錯誤傳輸。這樣可以盡量避免沖突的發生，提高系統的確定性。

2.4 EE1588對時機制

IEEE1588定義了一個在測量和控制網絡中，與網絡交流、本地計算和分配對象有關的精確同步時鐘的協議（PTP）。此協議并不是排外的，但是特別適合基于以太網的技術，精度可達微秒范圍。它使用時間印章來同步本地時間的機制。即使在網絡通信時同步控制信號產生一定的波動時，它所達到的精度仍可滿足要求。通過采用這種技術，以太網TCP/IP協議不需要大的改動就可以運行于高精度的網絡控制系統之中。在區域總線中它所達到的精度遠遠超過了現有各種系統。

IEEE1588所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得在分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。由于高精度的同步工作，使以太網技術所固有的數據傳輸時間波動降低到可以接受的，不影響控制精度的范圍。IEEE1588的一大優點是其標準非常具有代表性，并且是開放式的。由于它的開放性，現在已經有許多控制系統的供應商將該標準應用到他們的產品當中了。而且不同設備的生產商都遵循同樣的標準，這樣他們的產品之間也可以保證很好的同步性。

3 結論

工業以太網技術已經開始向實時工業以太網和無線工業以太網的方向發展。特別是奧地利貝加萊（B&R）已經開發出具有真正意義上的實時以太網，而不久的將來，面向未來工業網絡的新一代工業以太網組件也將出現。由于以太網有"一網到底"的美譽，即它可以一直延伸到企業現場設備控制層，隨著工業以太網技術的發展將會取代現在的基于現場總線的工業網絡，成為工業網絡中的主流。用工業控制的思路來實現電力監控，主要是考慮將工業控制領域里先進的現場總線或工業以太網的網絡技術應用到電力監控系統里的通信網絡，同時在監控單元的數據傳輸協議、監控軟件的選擇上也用工業控制的做法加以考慮。

[1]田勝利,城市軌道交通電力監控系統結構的標準化問題思考 [J].城市軌道交通研究,2008,4,13～16.

[2]張貴軍,城市軌道交通電力監控自動化系統的功能[J].繼電器,2001,11,第29卷第11期,64～67.