隧道電力監控的數據傳輸

趙海濤，劉晶晶

(中交公路規劃設計院有限公司)

1 傳輸通道問題

隧道電力監控系統通信通道的安全、穩定和可靠是保證整個系統穩定運行的必要條件。通信傳輸通道主要有以下幾種。

(1)利用隧道PLC設備提供的串行通信通道(RS232、RS485)。

由于近幾年來隧道內數據網絡傳輸形式主要為“工業以太環網+PLC”的形式，PLC主要負責現場控制并為控制區域內設備提供不同的數據接口，工業以太環網主要負責經PLC匯集后數據的穩定、可靠傳輸。當通信網絡出現故障無法實現通信時，PLC可以對區域內的設備進行預編程的控制。PLC為區域內設備可提供串行通信通道(RS232、RS485)，電力監控終端設備可以接至就近PLC的串行接口上，從而利用已建成的隧道內數據傳輸網絡將電力監控數據直接上傳。

這樣隧道電力監控系統最有效的節約了投資，利用了已建成的通信資源。同時，電力監控數據還可以與隧道內配電、照明控制數據結合，提供完整的多層次的隧道電力監控。但這種數據傳輸方式也有著其局限性：首先，目前中短隧道內一般不設置PLC，這就造成擁有長短不同的隧道的高速公路電力監控系統可能擁有兩種不同的數據傳輸方式;其次，隧道電力監控數據與其他監控數據匯集后傳輸，再在監控中心分別解出。那么故障點的增多以及隧道電力監控成為隧道監控系統的子系統，無法獨立完成電力監控任務，這些因素均可能導致電力監控數據在傳輸過程中丟失或損壞。而且電力監控設備需要與PLC設備及隧道監控設備統一協議，這種通信方式對技術的開放性及監控系統的選擇都有很大的限制。采用這種方式，電力監控數據傳輸通道帶寬十分有限，適合于電力設備較少的變電所，這樣的變電所監控數據很少，9.6kbps的通信速率即可滿足電力監控要求。對于大型隧道變電所，供電回路、電力設備無論從數量還是種類都比較多，采用這樣的方式很難滿足要求。

(2)利用隧道監控系統設置的工業以太環網通道。

這種方式是不利用PLC的區域控制功能，僅利用工業以太環網提供的傳輸功能，直接將電力監控終端設備接入附近工業以太網交換機上，這樣就避開了PLC，但也無法利用PLC進行現場控制。在監控中心直接從以太網交換機中提取出電力監控數據。在盡量節約投資利用已有通信資源的情況下，這種方法盡量避免了電力監控數據與其他數據的相互干擾，減少了部分節點設備，也相應提高了數據傳輸的安全性。同時，也減小了病毒感染風險。但這種方法同樣無法解決終端隧道電力監控數據的傳輸。

(3)利用通信系統提供的網絡通信通道(TCP/IP/UDP)。

近幾年來交通工程中實施的電力監控系統多數采用的通信方式為第一種，即利用三大系統中的通信系統提供的網絡通信通道(TCP/IP/UDP)。這種方式下，只需要將隧道內所有的設備信息集中到一個帶以太網接口的通信設備上即可完成與電力監控系統中心的通信。

這樣，電力監控共享了通信系統網絡通道資源，能節約部分投資，不必為電力監控數據傳輸通道建設額外投資。一般采用這種通信方式需要注意以下兩點事項。

①通信網絡的網段劃分，通信網絡應為電力監控系統劃分統一的獨立網段，做到在網絡邏輯上電力監控使用的是單獨的網段，以避免其他系統的干擾和侵入。提高通信系統和電力監控通信的可靠性、安全性。一般情況網段劃分工作由通信系統負責，并保證沿線各處處于電力監控通信網段的網絡接口相互通信正常。

②最后1 km的問題。在高速公路機電工程中，隧道變電所、箱變等電力設備安裝處與通信機房、通信預留點往往不在一個地方。通信系統預留給電力監控的通信網絡接口，電力監控不能直接連接網絡電纜使用，需要另外敷設光纜、設置光纖收發器解決這個問題，這將造成通信資源的浪費;且如果路段內隧道較多，隧道變電所、箱變分布較為分散，與通信站的距離又較遠的情況下，其經濟型與可靠性將大大降低。因此，在施工圖設計、聯合設計、工程量統計、管線管道設計時候應該充分考慮這個問題，避免在施工最后階段發現電力監控不能直接連接到預留網絡接口處，造成耽誤工期、漏報工程量的麻煩。

上述兩點在電力監控與通信系統不屬于一家承包人負責時候應當尤為注意，做到提前溝通、及時溝通，為施工調試做好充分準備。

(4)單獨組網的方式。

在部分交通工程項目中，根據實際情況，采用電力監控系統本身單獨組網的方式。這種方式的最大好處是電力監控通信系統本身是一個完全獨立的網絡，發生病毒原因或網絡風暴造成系統癱瘓的可能性幾乎為0。這樣電力監控的運行可靠性、安全性較好。

電力監控單獨組網，需要電力監控系統的承包人單獨敷設光纜，或利用通信系統光纜內的纖芯，電力監控系統單獨光纖以太網交換機等網絡設備，造價較高，電力監控系統投資較多。這種配置方式，電力監控與其他機電系統相關的交叉界面較少，無論是設計還是施工調試階段都只有光纖情況的溝通問題，也不會相互干擾。電力監控設計、聯合設計、施工、調試等工期、進度都在自身的控制之中。采用這樣的方式，電力監控設計施工時要考慮最后1 km的問題，通信工程預留光纖開斷位置往往距離電力監控需求點有一段距離，電力監控設計、施工時要考慮這一段分支光纜的光纜及光纜工程問題。

2 電力監控系統與隧道變電站站內的通信

2.1 采用PLC方式

PLC即可編程控制器，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。目前隧道監控系統一般均在隧道變電站設置了PLC設備，隧道電力監控系統可就近利用該設備。

現在常見的PLC產品在電力監控系統中作為中間層的情況還并不多見。主要有如下兩個主要原因限制了它的應用。

首先，由于PLC產品的目的是處理數字量、模擬量及控制功能，而在交通工程中，最重要的功能是與各種采用各種協議的智能設備通信。誠然，現在有些PLC產品已經具備了與帶有Modbus協議的設備通信的能力，但是現在的交通工程中有大量非標協議的產品，在碰到這類產品時，PLC產品就捉襟見肘。同時PLC所提供的串口數據帶寬較小，也不能滿足擁有較多電力設備及較多供電回路的大型隧道變電站的需求。

其次，PLC與計算機監控系統的通信協議需要采用部分PLC廠家自定義的協議，這種通信方式對技術的開放性及監控系統的選擇都有很大的限制。

2.2 串口服務器

串口服務器，是異步串行口(RS-232、RS-422/485)和以太網RJ45接口間的一個轉換器，是一個帶有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP協議棧的獨立智能設備，能夠完成RS-232/422/485格式和以太網傳輸的IP包之間的數據轉換，從而給傳統的串行設備增加聯網功能。

串口服務器完成的是一個面向連接的RS-232、RS-485鏈路和以太網之間的通信數據的存儲控制，系統對各種數據進行處理，處理來自串口設備的串口數據流，并進行格式轉換，使之成為可以在以太網中傳播的數據幀;對來自以太網的數據幀進行判斷，并轉換成串行數據送達響應的串口設備。

它和通信管理機之間最大的軟件差別在于終端服務器本身不對數據作任何處理，所有的數據處理均需要后臺系統完成。

在硬件的接口方面，通常使用的串口服務器只有單類型的接口，如16個RS-232、16個 RS-422/485，但是在實際應用中，往往是多個RS-232及多個RS-422/485接口，甚至于CAN接口的智能終端。另外，光纖接口的缺乏要求現場配備光纖以太網交換機或光纖以太網轉換器，既增加了費用又多了通信上的環節，對整個系統的穩定運行增加了不確定因素。

隨著設備的不斷更新，目前電力監控設備已經擁有了多種數據接口，設備直接利用以太網接口傳輸數據也減少了串口服務器的利用情況。

2.3 通信管理機

通信管理機是目前交通工程中作為中間層使用最多最頻繁的通信設備。它需要能夠隨時建立網絡通信通道、進行數據傳送，能夠在子站的終端設備和裝置之間提供同步和異步連接，并且在任何時候都可以將消息進行傳送或存儲轉發，這種基于數據庫傳遞的系統可節省大量資源，適用于與各種智能終端設備連接。

作為電力監控系統的網絡通信服務器，通信管理機不僅需要能夠提供多個串行接口RS-232/485/422/CAN與網絡接口之間的相互轉換，還需要至少提供IEC60870-5-101/103、DNP3.0、CDT、MODBUS 等多種 485/232 通訊協議，同時支持TCP/IP、MODBUS/TCP等以太網協議之間的轉換。并滿足電力監控系統網絡安全規范的路由器(Router)和防火墻(Firewall)功能，可通過網絡傳輸和對系統進行遠程維護，并提供兩路光纖以太網接口，直接支持光纖以太網自愈環網。

采用通信管理機的優點是將站內不同接口、不同協議的各種設備做預處理，轉換為后臺計算機系統可快速處理的同類型數據，提高后臺系統的處理效率。帶有操作系統支持編程的通信管理機可內置一些預置策略，在整個網絡通信出現故障時，可以按照預置的策略作相應的控制。

2.4 站內設置計算機的方式

這種方式是在站內設置一臺工控機作為中間層來負責與站內設備、監控計算機的上下通信。作為一個需要一天24 h不間斷運行的監控系統，對工控機的要求就比較苛刻。

由于隧道變電站部分現場環境一般較為惡劣，例如一些箱式變電站在夏天的溫度可超過70℃。還有工控機長時間運行，受到操作系統、硬件損壞(硬盤和風扇最為明顯)的影響出現死機等情況，導致該站的所有數據無法傳送到監控計算機，影響監控系統的穩定運行。

從多年的現場實際情況來看，這種運行方式下，站內的工控機通常都是整個系統中最薄弱的環節之一。

3 電力監控系統與其他系統互聯通信問題

隨著技術的發展，設備的更新，用戶需求的不斷提高，電力監控系統與其他系統之間的互聯日益重要。隧道內各系統數據共享，相互聯動的要求更加突出，這也給電力監控系統的通信提出了相關要求，要求電力監控系統具有良好的開放性，可以方便地與其他自動化系統進行通信，如隧道監控系統、路段監控系統等，實現自動化系統間相互通訊和信息共享。通常系統互聯有以下幾種常見的方式。

3.1 網絡方式數據轉發

這種互聯通信的方式是目前最常見也是最便捷的，電力監控系統可以采用各種通信協議，最常用的是Modbus/TCP協議。

Modbus是一種全開放，免費提供，非常容易理解和實施的協議，從20世紀70年代誕生以來，一直在不同的工作領域中得到廣泛應用，是一種事實上工業標準。其主機/從機通信機理能很好地滿足確定性的要求，這恰好與互聯網的客戶機/服務器的通信機理相對應。它與以太網TCP/IP結合，在TCP中嵌入Modbus信息幀，成為Modbus TCP/IP，具有很高的性能價格比，是一種真正開放的理想解決方案，試驗表明了它的有效性，眾多的應用案例已證明了它在實際應用中的價值。

通過Modbus/TCP協議，電力監控系統作為服務器端，其他系統作為客戶端訪問的方式可以獲得電力監控系統中的任意數據。隧道監控系統需要對電力監控系統中的開關發遙控命令的時候，電力監控可以作為一個執行機構轉發其下達的遙控命令，大量的實踐證明這種方式是有效、可靠、易實現的。

3.2 串口方式數據轉發，可采用各種通信協議

這種互聯通信的方式是采用串行接口作為通信的介質，它與網絡方式的唯一區別就是物理上的接口。隨著技術的發展，由于通信速率以及接口通用性等因素，這種通信方式必然會被網絡通信所取代。

3.3 數據庫共享方式

數據庫共享方式也是一種系統之間互聯通信的方式，但是在目前的實際應用中還并不多見，究其原因，只要有以下幾個方面的問題。

(1)共享服務器模式限制了某些數據庫的特性，例如：不能單獨啟動和關閉實例，不能進行介質恢復，等等。

(2)存在獨占事務的可能，因為如果一個會話的事務運行時間過長，它獨占共享資源，其他用戶只能等待。而且存在人為死鎖的可能，因為它是串行的，只要一個連接阻塞，則該服務器進程上的所有用戶都被阻塞，并且極可能死鎖。

(3)一般來說，客戶端只需連接一次終身使用(會話生命周期內)，使用共享服務器模式的意義不大。因為大部分時間，一個會話就連接到一個服務器進程，無法共享服務器進程。

3.4 OPC 接口方式

OPC是Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control的縮寫，它是微軟公司的對象鏈接和嵌入技術在過程控制方面的應用。OPC以OLE/COM/DCOM技術為基礎，采用客戶/服務器模式，為工業自動化軟件面向對象的開發提供了統一的標準，這個標準定義了應用微軟操作系統在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數據的方法。

采用這項標準后，硬件開發商將取代軟件開發商為自己的硬件產品開發統一的OPC接口程序，而在實際的項目中，系統之間的互聯更多時候是普通計算機的硬件基礎上的軟件系統的數據交互。所有OPC接口這種方式還只是一些嘗試。

3.5 WEB 瀏覽方式

隨著信息技術發展，基于Web的遠程監控技術逐漸流行，在系統的結構上可以采用基于瀏覽器服務的模式，其優點是：客戶端只在瀏覽器中就可以瀏覽電力監控系統的所有數據和各類信息，信息獲取更為簡單;所有的開發、維護都在服務器，方便維護;采用超文本協議，可以進行靜態、動態、交互等形式的文字和圖像傳遞。

當然這種方式也有一定得局限性，它無法執行其它系統對電力監控系統中的開關發遙控命令，所以這種方式應用范圍只能是提供信息服務，而無法實現真正的相互聯動。

4 結束語

對隧道電力監控數據通信進行了淺顯的分析，實際工程中，電力監控系統數據通信往往是多種方式相結合，位于不同位置的多種設備相互配合共同完成數據的通信。同時由于工程實際中存在著管理機構設置情況、環境因素、習慣做法、投資情況、技術更新、相關其他系統技術方案等多方面因素，因此隧道電力監控工程實際通信時可根據具體情況和要求，選擇相應的通信方式和聯網方案，以期達到管理運營需求。