鐵路智能配電一體化平臺設計

0 引言

隨著鐵路運營速度的不斷提高及現代工業的不斷進步和發展，鐵路電氣設備控制的智能化和自動化要求越來越高，對供電可靠性、電能質量以及服務質量也提出了更高的要求。傳統的鐵路配電管理手段和管理方法已難以滿足目前的發展要求，配電系統的自動化、智能化是大勢所趨。

由于鐵路供配電系統饋出多，支路數量大，在統一實現智能化方面投資成本較高，技術上也有一定難度。目前，多種鐵路配電自動化系統的調度、管理平臺均為分系統各自實現，包括鐵路電力遠動調度系統、溫度監控系統、電能質量監控系統、線路安全監測系統、火災自動報警系統等。每套系統均有各自獨立的設備和通訊層，其通訊硬件和通訊協議大部分都不相同，數據不能相互融合，致使配電系統存在數據壁壘；多個系統獨自生產制造、安裝調試，使用維護成本很高[1～4]。目前，低壓配電室大多為無人值守，當設備或線路出現故障時，各個工作系統都有相應的故障記錄，但比較分散，無法有效掌握所有故障信息，不利于對故障進行判斷[1]。

為解決上述難題，需研究并設計鐵路智能配電一體化平臺系統，整合鐵路配電中各自動化系統，實現多個系統之間的信息融合；對電量參數進行實時監測，跟蹤記錄設備運行狀況，及時掌握運行信息，實現調度的實時化、線路保護和漏電溫度保護的自動化。近年來，自動化技術、通訊技術、計算機技術都取得了長足進步，足以通過一體化系統實現上述所有功能，集中解決鐵路各獨立系統在成本和數據共享方面存在的問題。

1 智能配電一體化平臺概述

智能配電一體化平臺由數據采集層、通訊管理層和就地監控主站層構成。3層獨立結構既保證數據的實時穩定，又具有一定的經濟性[5]。

數據采集層的終端設備是智能配電室的“黑匣子”，記錄并保存運行數據，可用于事故后期分析。低壓配電室大部分處于無人值守狀態，通過該層設備實時監測配電室內設備的各參數量和設備運行狀態，如出現異常，可將信息通過有線或無線方式上傳至監控主站層，使管理人員可根據系統各部分采集和保留的信息判斷并排除故障。

通訊管理層采用工業以太網與現場總線相結合的通訊模式，將設備室作為配電柜智能監控網關。就地監控層與通訊管理層之間的通訊采用網絡方式，即利用由交換機組成的局域網進行數據傳輸；通訊管理層和終端設備（即數據采集層）之間采用CANbus總線，保證數據的實時性。

就地監控主站層中，每一個配電柜為一個最小管理單元，通過通訊層的配電柜智能監控網關實現各系統（鐵路遠動、漏電后臺、能源管理等）數據的整理和轉發，以及配電柜其他相關數據的監測。該層是策略存儲、分析、管理、執行層，是實現配電信息數字化、信息共享標準化、通信平臺網絡化的保障。

2 平臺主要設備

2.1 數據采集層設備

數據采集層設備主要包括供電回路的智能型遠程終端單元（RTU）、智能斷路器等。RTU綜合測控單元完成電參量監測電力遠動功能，設備為面板式安裝，體積小巧、安裝方便，帶有TFT液晶顯示，可以在現場直接觀測到采集信息及部分記錄曲線，其結構如圖1所示。

圖1 智能型RTU裝置結構

智能型RTU裝置的CPU采用意法半導體（ST）公司研發的STM32F103系列芯片，該芯片采用了專門設計的ARM Cortex-M3內核，以滿足嵌入式應用對高性能、低功耗、低成本芯片的要求，其最高工作頻率可達72 MHz。芯片集成了豐富的片上資源，如增強I/O口、高速存儲器、多個USART通信接口等，可獨立完成AD采樣、數據上傳、數據處理等功能。

同時，裝置采樣頻率通過定時器設置為3.2 kHz，即每周波采樣64個點，以供電回路或出線柜抽屜為單位，對每單位的三相電壓和電流進行不間斷采樣，將鐵路傳統遠動、電參數測量（三相電壓/線電壓，有功功率）、部分電能質量功能（電壓/電流不平衡度、頻率）、電能計量、漏電測量、電纜接頭溫度測量、變壓器溫度測量、低壓微機保護和線路保護、斷路器參數整定等多功能集于一體，節約大量材料成本，降低施工的復雜程度，降低后期產品和維護成本。具體檢測流程如圖2所示。裝置選擇低壓配電系統廣泛采用的三相四線式接線方式，如圖3所示。通訊使用CAN或RS-485接口，采用自定義或Modbus RTU協議；接線端子分別為Can+（485A），Can-（485B）；傳輸介質為屏蔽雙絞線。

圖2 智能RTU的檢測流程

圖3 智能RTU的接線方式

2.2 通訊管理層設備

通訊管理層設備主要包括配電柜智能監控網關、工業交換機等。通訊管理層為整個平臺的“咽喉”，是就地監控層設備與數據采集層設備進行數據交換的樞紐，主要實現底層設備數據集中、規約轉換、接口轉換、數據初步處理及響應監控層設備發出的指令等功能，并進行相關操作。

通訊管理層設備采用RTU-ASDU系列智能通訊網關，該系列通訊管理機采用通訊專用STM32F407ZE芯片，基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7 CPU微控制器、128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，實現高達168 MHz的操作頻率，并帶有最多4個工業標準RS485、1個10 M/100 M自適應網絡接口以及2路CAN通訊接口[6]，可以實現有線與有線之間或有線與無線之間的互聯互通和數據傳輸。

同時，RTU-ASDU系列通訊管理機內置豐富的通訊規約庫，支持IEC104、TCPMODBUS、MODBUS等規約，滿足本平臺對多種通訊方式的規約需求，實現了數據采集設備和系統主計算機間的信息傳遞、合成、編輯、管理和設備監控功能，適用于要求高、規模大的鐵路智能配電系統平臺。

在該平臺中，通訊層將數據采集層采集的鐵路傳統遠動參數、電參數、電能參數以及漏電和溫度檢測參數等數據進行整理、編輯及合并，并依據主站層的指令，遵從不同的通訊規約條件上傳至主站層PC端，同時對數據采集層設備進行監控，保證系統運行的穩定性，實現配電系統的通信處理和設備管理功能。通訊層與數據采集層的物理連接如圖4所示。

圖4 通訊層和數據采集層的連接

在RTU-ASDU智能通訊網關的多種通訊方式中，該平臺選擇以RS-485通信為主，CAN通訊為輔的方式。RS-485轉換芯片采用MAX485芯片，其原理電路如圖5所示。

RS-485接口由平衡和差分接收器組合構成，接收器本身優良的抗噪聲能力使RS485接口擁有良好的性能，其最高數據傳輸速率可達10 Mbps，可實現三相電壓采樣數據的即時上傳。同時RS-485擁有擴展多個接口的能力，從總接口最多可分接出128個分接口，可以利用少量的RS-485接口簡單快捷地組成設備網路，同時RS-485最大傳輸距離可達1 200 m，擴大了網絡覆蓋范圍，實用性大大提高[7，8]。綜上，RS-485優良的抗噪聲干擾、多站點、較長的通訊距離等優點使其成為該平臺首選的通訊接口。

除此之外，RTU-ASDU通訊管理機還支持遠距離低功耗的Zigbee無線通訊方式，適用于現場無法對檢測設備進行接線且距離較近的配電室內使用。

圖5 MAX485芯片電路圖

2.3 就地監控主站層設備

就地監控主站層以智能配電柜為基礎平臺，是3層中最重要的一層，主要設備包括高清大屏顯示器、配電室智能監控主機（ASDU-LM）等，可以就地進行監控，是整個智能配電一體化平臺的“大腦”。其主要功能是對通訊管理機上傳的數據進行整理、分析、統計、可視化界面展示及轉發，同時集成了開關控制功能，向通訊管理機及數據采集層發送相關數據采集和上傳指令，實現對整個平臺的監測和控制。主站層與通訊層的連接如圖6所示。

圖6 主站層與通訊層的連接

就地監控主站層也是配電平臺與用戶直接進行信息交互的媒介，通過可視化軟件向用戶傳遞所需信息。

針對該平臺開發的軟件是平臺主站層的核心，它直接面對用戶，是信息展示的媒介。該軟件基于Java平臺開發，具有界面友好、操作簡單、畫面美觀等特點，并采用模塊化設計理念，各項目管理模塊（如鐵路遠動、能源管理、電氣火災監控、電能質量監測和分析、報警和事件管理、歷史數據管理、報表管理、用戶權限管理、第三方通訊等）均可獨立運行，各模塊之間互不影響，軟件運行穩定可靠。

監控主站集成配電室內的用電設備監控、用電安全狀態監視、能源管理統計、電能質量分析、環境監控等功能，采用智能監控模塊和智能通訊管理機，匯總配電室內數據，轉發所有數據（數據轉移），為電力遠動調度系統、消防安全系統、能源管理系統、BAS系統等其他管理系統提供相應數據，從而對配電狀態進行更準確地分析。數據轉移亦通過通訊設備來完成，故在監控主站層也需配備對外的通訊設備。

3 優勢及應用前景

電力自動化行業的快速發展使市場競爭格局發生了重大變化，全球電力自動化容量約為1 000億美元。而隨著自動化技術的不斷創新和發展，產品愈加成熟與智能化，國際國內市場對配電一體化、自動化的需求將呈現爆發式增長，市場應用前景廣闊。

目前鐵路配電所自動化系統可以實現遙控、遙測、遙調、遙信、遙視等功能，但對各系統之間的信息交互和信息管理，并不能做到統一，各接口難以互通，整合具有一定難度[9，10]。本文所述的智能配電一體化平臺將信息化、數字化、網絡化與配電柜融合，整合了鐵路遠動、漏電監測、溫度管理、電量管理等獨立系統，實現了信息采集、數據分析、信息上傳、監控和實時調度，能夠很好地解決上述問題。

在產業化方面，鐵路智能配電一體化平臺將配電一體化、自動化技術由實驗研究轉化為實際應用，對形成新的產業鏈具有促進作用，對形成新的產業格局也具有重大意義，符合國家產業發展方向和企業發展需求，將會產生明顯的經濟效益和社會效益。

4 結語

針對目前鐵路配電系統對智能化、自動化的發展需求和發展趨勢，本文設計開發的智能配電一體化平臺，整合配電系統中多個獨立的管理系統，實現了對多類電參數的信息采集、數據分析、在線監測、數據傳輸自動化、智能化，具有一定的優勢，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]王化鵬，楊威，許智，等.智能變電站一體化信息平臺源端維護模型轉化技術[J].電力建設，2012，33（1）：27-31.

[2]李志清.鐵路配電管理信息系統設計與實現[J].通訊世界，2014（21）：88-89.

[3]傅書逷.中國智能電網發展建議[J].電力系統自動化，2009，33（20）：23-26.

[4]王篤學.智能變電站信息一體化在鐵路供電系統的應用[J].高速鐵路技術，2015，6（4）：15-17.

[5]何衛斌.配電自動化改造方案研究[D].華北電力大學，2012.

[6]朱小軍，張志斌，劉慧鵬.基于S3C2410芯片的嵌入式linux系統開發環境的設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2012（1）：112-113.

[7]羅晴蘭，殷正國.MAX1480集成鉗位傳輸架構高性能工控RS-485網絡[J].西安文理學院學報（自然科學版），2010，13（2）：85-88.

[8]成永紅，陳玉，陳小林，等.測控技術在電力設備在線檢測中的應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[9]王篤學.智能變電站信息一體化在鐵路供電系統的應用[J].高速鐵路技術，2015，6（4）：15-17.

[10]田吉剛.鐵路配電管理信息系統設計與實現[D].西南交通大學，2007.