城市轨道交通电力综合监控系统的结构与网络通信

时间：2007-11-14

1引言

    目前我国城市轨道交通建设正在快速的发展，到2010年我国计划新建城市轨道交通项目总长度将近1300公里，总投资约5000亿元。城市轨道交通系统是一种高密度、大运量的交通系统，必须保证其高度的安全性和可靠性，而电力综合监控自动化系统则为整个轨道交通的安全运行提供了基础保障。电力综合监控系统简称SCADA 系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节及各类信号报警等各项功能，使调度中心实时掌握各个变电所设备的运行情况，直接对设备进行操作。
    电力综合监控系统早期广泛应用在铁道电气化远动系统上，如今随着城市轨道交通的迅猛发展，它走入了一个新的发展时期，并逐渐形成了具有城市轨道交通特色的电力综合监控系统，和以往的系统相比其具备以下特点：
    （1）具有更强大的接口通讯处理能力；
    （2）具有更快速准确的实时数据运算和传送功能；
    （3）具有单控、程控、时间控制等更灵活多样控制功能
    （4）具有更强大集中的数据监视平台，提供更丰富的调度管理功能。
    随着计算机等通信技术的飞速发展和广泛应用，地铁电力综合监控系统网络及其通信协议正向着开放、高速、综合的网络化方向发展，采用统一的国际标准，提高所内设备的互操作性，是今后电力综合监控系统的方向，也是设计新的大型综合监控系统的出发点。
    本文结合国内外城市轨道交通对电力综合监控系统的功能需求和工程实际详细分析和阐述了城市轨道交通电力综合监控系统的结构和网络通信体系，分析了IEC61850标准在城市轨道交通电力综合监控系统上的良好应用前景。
2 电力综合监控系统结构
    电力综合监控系统是利用计算机控制、网络、数据库、现代通信等技术将变电站所有二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自动装置及远动装置等），经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调来提高变电站运行效率和管理水平的一种综合性的自动化系统。
    电力综合监控系统主要有集中式和分布式两种结构，集中式系统结构按信息类型划分功能。其信息是集中采集、处理和运算的。此类结构对监控主机的性能要求较高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性等方面较差，抗干扰能力不强。而分布式系统结构则按功能设计，如按保护和监控等功能划分单元，分布实施。其结构采用主从 CPU协同工作方式，各功能模块之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。分布式结构有助于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其它模块正常运行。
    以广州地铁为例，其供电系统主要由110 kV/33kV主变电所及分布于沿线各站的牵引降压混合变电所、降压变电所组成，各车站变电所进线电源均采用33kV，地铁内部由33kV电压组成一个独立开环供电网络，该网络以双回路馈电电缆向各牵引降压混合变电所和降压变电所供电。针对该供电系统特点，广州地铁电力综合监控系统采用了集中管理，分散布置的模式，分层、分布式的系统结构，系统由管理层，网络通信层、间隔层设备组成。变电所管理层通过通讯网络与所内各供电系统智能设备进行接口数据交互，完成数据采集与控制功能。其电力综合监控系统对全线上述各类变电所的供电设备进行监视控制、数据采集以及对接触网电动开关设备的运行状态监视控制，负责全线牵引及电力供电系统的运行管理、正常检修及事故抢修的调度指挥，以确保整个供电系统及设备安全、可靠地运行。其典型系统结构图如图1所示，地铁的间隔层设备接入系统的网络主要有三种方式：
    （1）间隔层设备直接接入到变电站的管理层网络中，如交直流屏、再生制动装置等间隔层设备。
    （2）间隔层设备先联网后再接入到管理层网络中，如33kV保护测控单元、1500V保护测控单元、低压智能测控单元等间隔层设备。
    （3）通过转换单元接入管理层网络，如轨电位、上网隔离开关、排流柜等间隔层设备。

图1 典型城市轨道交通电力综合监控系统结构图

    该系统采用三级控制方式，即控制中心远方控制、所内控制信号盘上集中控制、设备本体控制。三种控制方式互相闭锁，以达到安全控制的目的。中央监控中心主要有控制、数据采集处理、显示、报警、维修及事故抢修调度等功能。调度人员在此进行日常控制、监视和调度管理等工作。设在变电所的就地监控系统由控制信号盘（包括通迅控制器、测控单元、馈线隔离开关控制回路、交换机等）、下位单元、维护机及所内通信网络等部分组成。
3 城市轨道交通电力综合监控系统的网络通信

    随着计算机技术、现场总线、快速工业以太网等技术的飞速发展和广泛应用，地铁电力综合监控系统网络及其通信协议也正发生着深刻的变化，传统的集中、低速、专用封闭式的自动化系统正向着开放、高速、综合的网络化方向发展，通过局域网的互联，实现系统信息资源的共享利用。
    从目前地铁工程建设实施的经验以及国内外设备和技术条件来看，地铁电力综合监控系统安全稳定运行的关键在于如何有效解决各种设备间的接口通信。由于各大传统的间隔层电力设备和监控系统厂商几乎都有适用于自家设备的通信协议，各种协议之间无法直接通信使得电力综合监控系统厂商集成的时候增加了很大的技术难度和很高的技术成本，因此要从根本上解决接口问题，就只有要求各个厂家采用开放式的接口和通信协议，构建一个开放的系统。目前，地铁电力综合监控系统也正向着通信接口标准化、提高设备间的互操作性方面发展。研制开发符合国际和国家标准通信规约的各种通信软件对于提高地铁变电站综合自动化系统的技术水平和管理水平显得非常重要，也是地铁电力综合监控系统发展的主要发展方向之一。
    IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统国际标准，它是由国际电工委员会第57技术委员会(IECTC57)的 3个工作组10,11,12(WG10/11/12)负责制定的。它能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用,节约大量时间,增加了自动化系统使用期间的灵活性。它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用（Plug and Play）的特性，极大的方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。
    IEC61850通信标准通过对变电站自动化系统中的对象进行统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口（ACSI），并支持TCP/IP协议，是一个开放的，代表了未来变电站自动化技术发展方向的通信协议，IEC61850标准强调了变电站自动化系统中信息的数字化，既包括在管理层和间隔层实现基于高速以太网的实时通信，也包括在过程层（包括数字化的电气量采集装置、合并单元等）实现基于网络的通信。这种基于以太网的通信架构的采用，统一了通信系统的物理介质，减少了因为不同的物理介质而导致的互连问题，同时在过程层中采用以太网进行二次电气量（包括模拟量、开关量）的数字化传输，将大大减少变电站的接线，方便工程设计和维护。IEC61850协议将变电站通信体系分为3层：变电站层（管理层）、间隔层及过程层。在管理层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）、传输GSE/GOOSE信息的无连接网络协议CNNP，传输网络是冗余以太网或光纤环网。在间隔层和过程层之间的网络采用点对点的单向传输以太网或者交换式实时以太网。
    在广州地铁五号线电力监控系统中，在和底层间隔层设备的通信协议上首次采用了国际先进的IEC61850协议，广州地铁在全国同行业率先采用IEC61850标准极大地推动了轨道交通电力综合监控系统向国际标准前进的步伐，同时也敦促和坚定了设备厂家开发IEC61850规约，向国际统一标准发展的决心。可以说为轨道交通乃至全国电力综合监控系统接口的标准化开发带一个好头。
4结束语

    本文分析了城市轨道交通电力综合监控系统功能、通信网络结构，介绍了IEC61850国际通用标准协议，它为改进信息技术和自动化技术的设备数据集成提供可能，极大的方便了系统集成，保证了系统运营的稳定安全。随着网络技术、通信技术以及计算机软硬件技术的发展，地铁电力综合监控系统将是一个融合了当今的网络技术、符合的国际变电站自动化通信体系标准、结构以及功能上完全分布的开放式系统。

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