浅谈工业以太网在轨道交通电力监控系统中的应用

任彬 王锋

（南京国电南自城乡电网自动化工程有限公司，江苏 南京 211100)

1 轨道交通电力监控系统功能需求

1.1 通信需求

在网络结构上，要求采用计算机局域网络结构，开放式通信协议，系统扩展、移植方便，符合IEC关于变电站自动化系统分为站级和间隔级两层结构的技术规范。在对调度主站系统通信时，为提高通信可靠性，各变电所的通信处理装置可以实现双机热备、采用主备通道与调度主站通信，主备通道之间实现自动切换和手动切换；主备通道可以采用相同的通信规约，也可以采用不同的通信规约。

对于系统通信管理软件，要求采用实时多任务操作系统（Real Time Operation System,RTOS），RTOS在进行资源管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作方面的优势使其成为具有实时性要求的嵌入式系统开发的首选，在RTOS根据每个任务的优先级，动态切换各个任务，保证对实时性的要求。

1.2 保护、测控特殊功能需求

站内联锁、站间联跳功能：轻轨、地铁牵引变电站内存在复杂的联锁保护关系，如直流总闸、分闸、备用闸直流高速开关与电动隔离开关的联锁；分闸、备用闸开关的总闸联跳分闸等。站间也存在联跳功能。对于站间的联跳功能通过硬接线传递信号接入两站中相应的装置。此功能与电力系统需求有差异。变电站自动化系统中应该有能够实现此功能的装置。直流保护功能：直流线路保护装置在整个系统中占有重要地位。整流机组的直流侧都要求安装直流保护装置，实现大电流脱扣保护、热过负荷保护、双边联跳、框架泄漏保护、自动重合闸等功能。目前，国内还没有成熟的装置，一般均采用集成经过国内外直流牵引系统运行考验的第三方产品来实现，如ABB的DPU106直流牵引系统馈线保护装置、SIEMENS的DPU96直流牵引系统馈线保护装置、俄罗斯生产的BZ-M直流保护装置等。变电站自动化系统的通信处理装置可通过直流保护装置提供的对外的通信接口传送系统需要的信息。

电力监控系统要了解排流装置的动作情况、排流大小等信息，变电站自动化系统的通信处理装置可通过排流装置提供的对外的通信接口传送系统需要的信息。直流电压、电流测量：目前国内城市轨道交通直流接触网电压采用750V/1500V两种，直流馈出线的电流可达到几十安、甚至上百安，大电流、高电压的测量是轨道交通的另一个特色。

2 工业以太网在轨道交通电力监控系统中的应用具体表现

工业以太网是在以太网技术的基础上开发出来的一种工业网络，它在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。

2.1 监控单元(智能终端)的数据接口

电力设备的监控单元的数据传输一般要求高可靠性，抗干扰强，对速度的要求反而不是很高，所以在监控单元之间的数据接口可以考虑RS-232-C串行接口，也可以考虑RS-485串行总线接口。RS-232-C串行接口是目前最为常用的一种串行通信接口，线路少，成本低，但通信最大距离为15米。RS-485总线可用双绞线来实现多站联网，设备简单、价格低廉，单段最大通信距离为1219米。其平衡双绞线的长度和传输速率成反比，在100kb/s速率以下才可能达到最大传输距离。

2.2 站控监控单元(智能终端)的传输协议

采用工业控制里最为常用的简单可靠的Modbus协议。该协议为公开的免费协议，大部分的智能终端都能兼容Modbus协议。虽然在轨道交通中有了高速传输的以太网通信形式，但是各站控层和控制中心的前置机必须采用适合的远动通信规约才能完成响应的通信。远动规约是站端RTU和调度系统进行信息交互的接口，随着软硬件技术的发展，远动规约也在不断地变化和发展。国际和国内使用的远动规约多种多样，即使对于同一种规约，其传输格式也会因不同国家﹑不同生产厂家而不同；为了统一这种混乱局面，实现远动规约的标准化，国际电工委员会TC-57技术委员会制定了一系列远动规约的基本标准，并在此基础上制定了IEC60870-5-104（以下简称104规约）等规约。

2.3 规约交换技术

104协议作为一种国际标准协议，具有实时性好、可靠性高、数据流量大、便于信息量扩充、支持网络传输等优点，其内容和功能涵盖了保护方面的定义。因此，调度主站与自动化变电站基于104协议在实现网络通信上，可有效利用光纤通道的传输能力，有利于远动协议的标准化推广，对实现地区自动化系统的组网和电力系统自动化数据的共享以及设备方便、迅速的维修提供了技术支持。针对以太网存在的缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，目前已采用多种方法来改善以太网的性能和品质，以满足工业领域的要求。为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，可以使用以太网交换机（switch）。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提高系统的确定性。

2.4 EE1588对时机制

IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议（PTP）。此协议并不是排外的，但是特别适合基于以太网的技术，精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时，它所达到的精度仍可满足要求。通过采用这种技术，以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。在区域总线中它所达到的精度远远超过了现有各种系统。

IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围。IEEE1588的一大优点是其标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，现在已经有许多控制系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中了。而且不同设备的生产商都遵循同样的标准，这样他们的产品之间也可以保证很好的同步性。

3 结论

工业以太网技术已经开始向实时工业以太网和无线工业以太网的方向发展。特别是奥地利贝加莱（B&R）已经开发出具有真正意义上的实时以太网，而不久的将来，面向未来工业网络的新一代工业以太网组件也将出现。由于以太网有"一网到底"的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，随着工业以太网技术的发展将会取代现在的基于现场总线的工业网络，成为工业网络中的主流。用工业控制的思路来实现电力监控，主要是考虑将工业控制领域里先进的现场总线或工业以太网的网络技术应用到电力监控系统里的通信网络，同时在监控单元的数据传输协议、监控软件的选择上也用工业控制的做法加以考虑。

[1]田胜利,城市轨道交通电力监控系统结构的标准化问题思考 [J].城市轨道交通研究,2008,4,13～16.

[2]张贵军,城市轨道交通电力监控自动化系统的功能[J].继电器,2001,11,第29卷第11期,64～67.