客运专线电力远动系统通道研究报告

郑克伟

1 研究背景

从宏观上看,一条铁路线电力系统需要监测监控的点为10 kV配电所、电力贯通线(或自闭贯通线)上的户外分断开关、为通信信号设备供电的低压断路器,以上三者一般情况下均为沿铁路线均匀的、离散的分布。要实现电力调度中心对以上三者的监测监控就需要构建专用的电力远动系统,而大量的远动数据、信息的传输必须有可靠的、足够传输能力的通信通道来支持,本报告就这一中心问题做初步分析。

2 远动系统通道分析

2.1 通道宽度

配电所与外部通信所需要的通道宽度由单位时间内传输的信息量大小决定,而单位时间内需传输的信息不同情况下是不同的,正常情况下配电所的遥测遥信信息循环发送至调度中心主机,此时发送的报文都是基本报文,总信息量很少,而事故状态下,报文很多,信息量很大,占用的通道宽,此时,很有可能发生通道拥堵的现象,直接影响远动系统的正常运行,因此远动系统设计的第一步就是确定各被控点出口通道宽度,通道也不是越宽越好,宽通道的通信运营费用更高。单位时间内需传输的信息量虽然受配电所工况影响很大,但这个值与配电所需传输的基本信息量成正比关系,所以对基本信息量的分析可以确定配电所出口通信通道的宽度,当然,实际工作中由配电所自动化设备生产厂商经过分析计算后提出通道宽度更合理也更准确。

2.1.1 10 kV配电所的通道宽度分析

需传输信息的分析:1)遥测。电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、用遥测处理的有载调压器分接头位置。2)遥信。断路器位置信号、隔离开关位置信号、事故总信号、保护动作信号、小电流接地系统接地信号、直流系统异常信号、断路器控制回路断线总信号、断路器操作机构故障总信号、遥控操作电源消失信号。3)遥控。断路器。4)遥调。有载调压器分接头位置调节。5)可视监控系统。配电所设备间内的图像信息。

数字通信传输的是比特位流,故遥测量需经抽样、量化、编码的模/数转换过程转化为数字量,一般一个遥测量如电压值需要两个字节表达,而遥信量用“1”“0”两个码元就可表示开合状态或“正常”“非正常”状态,所以1个字节可表达4台断路器(或隔离开关或某条控制线路等等)的位置状态,1个字节可表达1台断路器的遥控命令,最多两个字节可表达有载调压器分接头的操作。编码功能一般由微保模块完成,编码完成后需要按通信规约编成报文,报文除了需要被传送的被测值外还要包括诸如类型标识、传送原因、物理地址等等一系列数据单元标识符。综上所述,一个普通的2进6出10 kV配电所需要传输的基本信息量不超过1 000个字节,按照平均5 s的更新周期计算,传输速率为1 000×10/5=2 000 bit/s,即最低2 K的带宽即可满足要求,从另一方面来讲,正常情况下配电所数据、画面更新太快也没有多大的意义。

无人值班配电所要实现远程闭路电视监控,涉及到数字通信的新兴领域图像通信,静止图像或活动图像的数据量非常大,尤其是使人感觉画面连续无动画感的一路彩色电视图像信号,其比特率可达到216 Mbit/s,但经过预测编码、变换编码等等频带压缩技术,最终2 M的带宽可满足要求。如 H.261给出“P×64 Kbit/s视频编码/解码器”标准,P是一个可变参数,取值范围 1～30,即速率从64 Kbit/s到 1.92 Mbit/s,当P≥6时,适用于电视会议。配电所可视监控的通道带宽可选择28×64 K(P=28)=1 792 K=1.8 M。

所以正常情况下要求配电所的出口通信通道带宽可以为2 K+1.8 M,即 2 M。

配电所发生故障时,需要传输故障波形、保护动作顺序、开关位置、保护采样值、系统潮流、连接片位置等等,短时间内需要传送大量的上下行信息,此时需要2 M～10 M的传输速率才能满足要求,但如果加设2 M的专用通道,使用率低,得不偿失,故采取如下解决方案,即配电所的2 M通道,正常情况下用来传输配电所基本信息及远程闭路电视监控的信号,故障时,自动关闭图像信息的传输,通道全部用来传输配电所基本信息及故障录波信息。

2.1.2 户外分断开关

对户外分断开关的监测监控涉及电压、电流、断路器位置、隔离开关位置、断路器控制等等,参照以上的分析,户外分断开关的出口通信通道可选择64 K。

2.1.3 为通信信号设备供电的低压断路器

对低压断路器监测监控涉及电压、电流、断路器位置、断路器控制等等,参照以上的分析,低压断路器的出口通信通道亦可选择64 K。

2.2 远动系统网络结构的分析

1)网络结构的分类。根据通信信道类型,通信子网可分为两类:点—点线路的通信子网和广播信道的通信子网。在点—点线路的通信子网中,每条物理线路连接一对结点。若两结点之间没有直接连接的线路,那么这两点之间的通信要通过其他结点转接。采用这种点—点连线的通信子网的基本拓扑结构有四类:星状、环状、树状和网状。

在星状拓扑结构中,每个结点由一单独通信线路与中心结点相连。中心结点控制全网的通信,任何两个结点之间的通信都要经过中心结点来实现。这种拓扑结构的优点是结构简单,建网容易,管理方便。缺点是中心结点是全网可靠性的“瓶颈”,如果中心结点产生故障,则会影响全网的通信。

在环状拓扑结构中,由通信线路连接起来的各结点构成一闭合环路。环中有一个结点作为主结点,负责全网的工作过程,数据沿一个方向在环中传输,采取逐点轮循的存、取方式。这种拓扑结构的优点是结构简单,实现容易,数据传输延迟确定。缺点是每两个结点之间的通信线路都是网络可靠性的“瓶颈”。环中任何一个结点出现故障,均可造成全网瘫痪。为了保证环路能正常工作,需要较复杂的环路维护工作。同时环中有新结点加入或有结点撤出时,环路的恢复工作都较复杂。

树状拓扑结构可看作是星状的拓展。其结点按层次进行连接,数据交换主要在上、下层结点之间进行,相邻或同层结点之间一般很少进行数据交换。这种结构的优点是通信线路连接简单,其管理软件也不复杂,维护亦方便。缺点是资源共享能力差,可靠性也不够高。

网状拓扑结构结点之间的连接具有任意性,没有一定的规律可遵循。它的主要优点是系统的可靠性高,资源共享方便。缺点是结构复杂,软件控制麻烦,必须采用路由选择算法和流量控制方法。在远程网系统中多采用这种拓扑结构。

2)远动系统通信网络适用结构的分析。从铁路电力设施运行管理的角度及铁路电力系统网络结构特征上分析,电力调度中心是电力系统调度管理的枢纽,配电所是主要结点,分断开关、低压断路器是次要结点。调度中心与配电所间、相邻配电所间、相邻分断开关间、调度中心与低压断路器间、配电所与分断开关间、配电所与低压断路器间,存在监测监控关系,均有信息传输的要求。根据前面有关信息传输容量的分析,以及配电所在整个铁路电力系统中的重要性,决定了各配电所与调度中心间应是一对一的星形网络关系。从地理位置上看调度中心、配电所、分断开关、低压断路器、配电所、分断开关、低压断路器……呈连续的点状分布,又知除调度中心与配电所间外其他各点之间信息传输量小,所以从地理位置的角度看,调度中心、分断开关、低压断路器宜组成点对点环状结构网络,但环状结构中数据沿一个方向在环中传输,采取逐点轮循的存取方式,不适合诸如分断开关、低压断路器这种被控点发生故障的随机性(发生故障时数据应优先传送),以及环路维护较复杂,环中有新结点加入或有结点撤出时,环路的恢复工作复杂的缺点,环状结构不适用。综合以上分析,远动系统通信网络从整体上应构成一个网状结构。

2.3 研究结论

1)调度中心应设置通信前置机,出口带宽至少为20 M(考虑10个配电所)采用34 368 Kbit/s电接口。配电所设置2 048 Kbit/s电接口,出口带宽2 048 K。分断开关、低压断路器设置2 048 Kbit/s电接口,或根据生产厂商的要求设置,出口带宽64 K即可。调度中心、配电所推荐光纤入户,分断开关、低压断路器传输介质推荐双绞线或同轴电缆。2)调度中心、配电所、分断开关、低压断路器间的通信网络应组成网状结构,其中调度中心与配电所层为点对点星形,配电所(含)及以下部分为网状结构。