一种牵引变电所综合自动化系统通信方案

蔡文泉

0 引言

随着电气化铁道的迅速发展，为实现无人值班牵引变电所，提高变电所的运行及管理水平，对牵引变电所自动化水平的要求越来越高。牵引变电所是铁路牵引供电系统中的重要环节，是铁路控制中心的主要监控点。目前，在一些新建变电所中，电压等级和电网复杂程度也大大提高，地方电力调度中心甚至中调也需要对变电所进行监视。传统变电所一次设备和二次设备已无法满足降低变电所造价和提高变电所安全与经济运行水平方面的要求。而现在变电所采用的综合自动化技术是将所内继电保护，监控系统，信号采集，远动系统等结合为一个整体，使硬件资源共享，用不同的模式软件来实现常规设备的各种功能。用局域网来代替电缆，用主动模式来代替常规设备的被动模式。具有可靠、安全、便于维护等特点。分散分层分布式是变电所综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠性提出了更高的要求，选择一个可靠、高效的网络结构是解决问题的关键。

1 系统通信结构

牵引变电所综合自动化系统通信结构如图1、图2所示。

整个通信系统可分为2部分，一部分为远动通信系统，另一部分为所内通信系统。远动通信系统完成向控制中心传送变电所的实时信息，如：电压、电流、功率的数值大小、断路器位置状态、事件记录等；接收控制中心对断路器操作控制命令以及查询和其他操作控制命令；所内通信系统完成变电所内部各设备之间的信息传递，如间隔层保护测控装置动作信号传递给通信管理机电笛、电铃报警系统。其通信范围是在变电所内部。对于集中组屏的综合自动化系统来说，实际是在主控室内部；所内通信方式有RS232/485串行数据通信、10/100M自适应以太网等。

图1 牵引变电所综合自动化系统通信结构图（一）

图2 牵引变电所综合自动化系统通信结构图（二）

远动通信系统包括由WTX-65A及路由器实现的与铁路电调的通信，由PSX600U实现的与电力系统地调及中调的通信2部分。铁路牵引变电所一般由电调实现远方四遥功能，地调及中调只实现主变压器高压侧相关装置及电气量的监视功能。

所内通信系统采用主流的分层分布式结构，其功能在逻辑上可分为 3个层次：变电站层（stationlevel）、间隔层或单元层（baylevel）和过程层（processlevel）[1]。第1层为变电站层，它由间隔层得到实时数据，主要由后台监控系统及通信管理装置组成，承担着所内的监视、管理、控制等变电所主控室功能及音响报警功能，并负责与远方调度中心通信。第2层为间隔层或单元层，主要包括各微机保护测控装置，网络通信服务器等，负责对下层就地装置和智能电子设备（IDEs）进行通信管理、控制等任务，同时也承担着通信规约解释、转换工作。第3层是就地的模拟量、开关量和脉冲量数据采集、保护和控制操作出口，是数字量和模拟量I/O功能。3层之间靠站内通信系统联系。

2 远动通信系统

2.1 与铁路电调的通信

与电调通信的远动通道采用双环2M的E1通道，通信规约采用2002版101规约。系统中配置1个路由器（含 2对协议转换器，一主一备），通过 BNC接口实现与通信机械室光端机设备的接口。所内的遥信、遥测、遥控信号通过WTX-65A通信管理装置的筛选后通过路由器向电调转发。电调是该系统的指挥控制中心，对于无人值班的牵引变电所，其通信可靠性更是首先考虑的因素。环形光纤远动通道的采用可保证当光纤环有一处断开时，各变电所还可以由单一方向实现与控制中心的通信。而双环结构的采用，通信的可靠性得到了很好的保证。与电调的远动通信结构图如图3所示。

2.2 与供电局地调的通信

该牵引变电所进线电压等级为 220 kV，根据电力系统要求，牵引变电所需纳入地方电力调度所。与地调的通信采用四线音频线点对点通信方式，通过电力 MODEM 实现调制与解调。通信规约采用97版101规约。在该所中，PSX-600U通信管理装置配置有2块电力MODEM插件，由管理机完成数据的转发后通过 MODEM 将调制信号送往地方调度。地调主要监视变电所主变压器高压侧及进线部分的相关开关位置信息，测量信息，保护事件信息及保护动作信息。点对点串行通信方式应用广泛，可靠性高，成本也比较低廉，适用于通信量比较小的地调通信。

2.3 与省级中调的通信

中调所关心的牵引变电所电气量与地调基本相同，与中调的通信采用2种通道类型，一种为与地调通信方式相同的电力 MODEM 的调制解调方式，另一种为数据专用网方式。数据专用网采用的接口类型为以太网RJ45型接口（电口），可直接与所内交换机相连，远动规约采用 IEC60870-5-104规约。所内远动数据的转发同样由PSX-600U通信管理装置实现。同时采用2种通信方式，使得通信通道实现冗余配置，提高其可靠性及实时响应性。

3 所内通信系统

所内通信系统是一个局域网络，是一种在小区域内使各种数据通信设备相互连在一起的通信网络[2]。局域网络为分散式的系统提供通信介质、传输控制和通信功能的手段，该系统为星形拓扑结构的以太网。其典型特性是：高数据传输速率，10/100 Mb/s；短距离，屏蔽五类线介质，100 m；低误码率。

图3 与电调的远动通信结构图

局域网的核心是互连和通信，网络的拓扑结构、传输介质、传输控制和通信方式是局域网的4大要素。

所内通信网络可看成由3部分组成：牵引所保护装置组成的以太网；线路保护装置组成的以太网；智能装置组成的通信网络。

3.1 牵引所保护装置组成的以太网

采用光纤以太网组网，配置1台光纤交换机，交换机的各端口相对独立，交换机可根据实际需要配置相应的电口插件。监控计算机配置以太网网卡，能够通过以太网口接入系统，与系统通信速率不低于10 Mb/s。通信规约采用标准IEC 60870 - 5 -103规约。

所内通信局域网采用光纤以太网模式，有以下优点：

（1）高通信带宽。以太网的通信速率从10 M、100 M到如今的1000 M，在数据吞吐量相同的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小。采用以太网交换技术和全双工通信技术，可以使以太网交换机的各端口之间数据帧的输入和输出不再受CSMA/CD机制的约束，一对通信线缆上可分别同时接收和发送报文帧，从而避免了冲突，突显系统的实时性。

（2）多种通信介质。以太网可使用同轴电缆、双绞线、光纤等通信介质，在一个网络中可混合使用不同介质，根据需要灵活选用。

（3）高可靠性。网络拓扑结构为星形，基于集线器的星形拓扑结构和结构化布线技术使以太网的可靠性达到很高的标准，任何节点的故障因被集线器隔离而不会扩散，便于故障的查找和隔离。集线器是高可靠设备，其MTBF大于20年，不会降低网络的可靠性。以太网即使使用双绞线也有很高的电磁兼容性，在Ⅳ级快速瞬变干扰试验中误码率仍保持在小于10-9的低水平，使用光纤介质可彻底解决抗干扰问题。

（4）丰富的资源支持。IEEE802.3以太网标准在1985年即被ISO接收为国际标准，使得采用以太网的通信系统可成为真正的开放型系统。

3.2 线路保护装置组成的以太网

200 kV线路保护装置由另一台交换机进行组网，以解决单台交换机接口容量不足的问题，该交换机与光纤交换机实现级联。由于牵引供电系统保护装置与220 kV线路保护装置通常划分为2个专业，硬件平台略有差异，采用2个子系统级联的方式，使得专业划分更加清晰，故障的查找更加方便，也便于运营维管部门的管理。由于所内采用开放式标准103规约，因此所内以太网可实现数据的完全共享，WTX-65A通信管理装置可访问220 kV线路保护装置的数据，PSX-600U也可访问主变压器、馈线、电容等保护装置的数据，包括经规约转换后的直流屏等智能装置的数据。

其他厂家的线路保护装置由PSX643实现接口及规约的转换，其接口采用串行口，通信规约采用103规约。PSX643主要用于电力系统的外厂设备的通信规约转换，其规约类型已相当丰富，并且该通信方式在电力系统已广泛应用。

3.3 智能装置组成的通信网络

串行通信的最大优点是串行通信数据的各不同位，可以分时使用同一传输线，因而节约传输线，减少投资，并且简化接线。特别是当位数很多和远距离传送时，其优点更为突出。在变电所综合自动化系统内部，各厂家自动装置间或继电保护装置与监控系统间，为了减少连接电缆，简化接线，降低成本，常采用串行通信。

WTX-65A通信管理装置串口板 2可配置WTS-65A规约转换插件，该插件具有4个串行口，可由其实现与直流屏、动补装置及故判装置等智能装置的接口及规约转换。WTS-65A规约转换插件的硬件为高性能32位单片机及大容量存储器，配置以太网接口、异步串行通信口（RS-232C或RS485），可方便地将具有其他接口模式的智能型设备连接进牵引变电所自动化系统的站内骨干网。

4 结束语

实现变电所综合自动化的主要目的不仅仅是用以微机为核心的保护和控制装置来代替传统变电所的保护和控制装置，关键在于实现信息交换。通过控制和保护互连、相互协调，允许数据在各功能块之间相互交换，可以提高他们的性能。通过信息交换，互相通信，实现信息共享，提供常规的变电所二次设备所不能提供的功能，减少变电所设备的重复配置，简化设备之间的互连，从整体上提高自动化系统的安全性和经济性，以此提高整个供电系统的自动化水平。因此，在综合自动化系统中，网络技术、通信协议标准、分布式技术、数据共享等问题，必然成为综合自动化系统的关键问题。本文所述的牵引变电所综合自动化通信系统采用先进的、标准的和成熟的通信网络技术。采用级联以太网络，通信管理机双机热备用，光纤双环E1通道结构，采用国际标准通信规约协议，充分考虑网络的开放性、可扩充性及工程化的相关问题。该通信系统具有速度快，可靠性高，可扩展性强等特点，已经在铁路重大干线上得到成功的应用。

[1]陶晓农.分散式变电站监控系统中的通信技术方案[J].电力系统自动化，1998，22（4）：51-54.

[2]刘玉忠，吴俊勇，刘沛.变电站综合自动化中的数据通信 全国高等学校电力系统及其自动化专业第十三届学术年会论文集[D].广州：1997.