铁路电力自动化系统组网方式探讨.pdf

T e c h n o lo g i I l n n o v a t io n 铁路电力自动化系统组网方式探讨 王雪王典 洪 技： 椭 ( 中国地质大学工程学院，武汉4 6 0 0 7 4 ) 摘要：介绍铁路 电力系统常规结构和铁路通信 系统采用的通信方式，铁路 电力自动化 系统的发展和 通信系统发展密不可分，两者互相影响共同发展。文章对铁路 电力自动化 系统早期采用过的典型组 网方式及结构进行 了介绍，并对 目前新建铁路 中普遍应用的新型组网方式进行 了阐述。同时对铁路 电力 自动化 系统及通信系统的发展给予深切的期待和展 望。 关键词 ：铁路 电力 自动化通信 A bs t rac t ：Thi s a r t i cl e i nt r o duc e s c onve nt i ona l s t r uc t ur e of power s ys t e m f or r a i l wa ys a nd t e l e c o mm u n i c a t i o n me t h od of t e l e c o mmun i c a t i o n s ys t e m f o r r a i l wa y s De v e l o p me n t o f s u p e r vi s o r y c on t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n( S C AD A)f o r r a i l w a y s i s i n s e p a r a b l e f r o m t e l e c o mmu n i c a t i o n s y s t e m， i mp a c t i n g mu t u a l l y a n d de v e l o pi n g t og e t he r The a r t i c l e r e vi e ws t he t yp i c a l n e t wo r ki n g mod e s a n d s t r uc t u r e s ， a do pt e d i n S CADA for r a i l wa y s i n e a r l y p h a s e ，a n d p r e s e nt s t h e n e w n e t wo r ki n g mo de a p p l i e d ge n e r a l l y i n n e wl y b u i l t r a i l wa y s Ul t i ma t e l y ,a d e e p d i s s e c t i o n o f e x pe c t a t i o n a n d p r os pe c t i n g a r e s u gg e s t e d o n t he d e v e l o pme n t o f SCADA a nd t e l e c ommu n i c a t i o n s y s t e m for r a i l wa ys i n t h e f u t u r e Ke y wo r ds ：Ra i l wa ys ， SCADA， a nd Te l e c o mmu ni c a t i o n Do I ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 3 - 4 4 4 0 2 0 1 0 0 4 0 l l 1概述 随着铁路行车向高速、大密度的迅速发展 ，与 行车安全密切相关的铁路 电力系统的供 电可靠性要 求越来越高。传统的监视控 制方法 ，如人工调度、 电话调度等方式 ，已经不能满足行车安全的要求。 采用先进的电力 自动化技术 ，实施远程 自动监控和 调度管理 ，是铁路系统 电力管理部门和运行单位 的 表1 试验结果 序号试验案例 应用软件修改前 应用软件修改后 以 太 网 中 断曩 一 轰 募 篇 2 2 以 太 网 2 中 断曩 一 曩 篇 一 5结论 通过对 K5 B加入以太网接口，导致的双系不同 步现象的分析 ，找到了问题产生的原 因，根据导致 共识 ，也是铁路 电力系统必然的发展趋势。 铁路 电力 自动化系 统 ( S C A D A)就 是利用 先进的计算机软硬件 技术 、自动检 测和控制技术 、 计算机通信和 网络技术 ，对铁路 电力系统 的各 个 环节 ，如变配 电所 、信号 电源 、线路开关和 电气集 中供 电电源等 ，进行集 中监视和控制。实现 自动化 调度和管理 ，以提高运行管理及维护水平 ，保证铁 路电力系统的安全、经济运行，并能及时进行故障 问题的原 因，采取 了数据合并的处理措施 ，并且对 实施方案进行了有效的验证。 通过 以太 网的数据合并处理 ，大大提升了 K5 B 系统的双 系同步机率 ，从而提高了系统 的可用性， 使该系统在运行 C TC S - 3 级列控系统的客运专线上 的可靠运营得到了保障。 ( 收稿 日期 ：2 o 1 0 - 0 5 0 4 ) 38 铁路通信信号工程技术( RS C E ) 2 0 1 0 年8 月，第7 卷第4 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m T e c h n o l o g i l I n n o v a t i o n | 。 处理 ，缩小故 障停 电范 围，迅速恢复供 电，减少停 电损失 ，提高供 电可靠性 ，为列车安全 、可靠地运 行提供保 障。 2铁路电力自动化系统的组网方式 2 1现场总线方式 现场总线是应用在生产现场的全数字化、实时、 双 向和多节点的数字通信系统。现场总线控制系统 ( F CS )改变了传统 D CS模拟数字通信混合、依靠 一 对一布线实现信号传辅 、系统相对封 闭等 缺陷， 成为工业控制技术的发展趋势之一，形成 了从测控 设备到监控计算机的全数字通信网络 ，顺应 了控制 网络的发展要求。F CS作为底层网络工作在现场设 备前端 ，是专为在现场环境工作 而设计的，它可支 持双绞线、同轴 电缆、光缆、射频 电缆、红外线和 电力线等 ，具有较强的抗干扰能力 ，能采用两线制 实现送 电与通信 ，并可满足安全要求。现场总线通 信具有布线简单、全数字化 、可靠性高、实时性好、 数据传输优先级控制、通信协议公开、适合嵌入 式 应用等优点。但是到 目前 ，国内外的现场总线标准 有 6 0多种 ，而且互不兼容 ，大大延缓了现场总线的 发展速度 ，常见现场总线有 R S - 4 8 5总线、C AN总 线、L o n Wo r k s 总线等。 现场总线主要用于变配 电所内部保护单元之 间， 以及局部范围内 RTU、S TU和 F TU之间的通信 ， 如图 1 所示。 通过传输通道至调度主站 L o n 等现场总线 图1 S T U 与F T U 互连 方式示意图 2 2音频专线方式 铁路专用音频传输网络是指基于音频传输接人 系统的铁路专用网络 ，主要包括铁路程控 电话交换 网 ( Z接 口)以及音频共 线专用通道( 模拟二 四 线接 口) 。铁路沿线有多个车站 ，每个车站都有信号 电源、车站开关。利用铁路成线状分布的特点，可 以采用更加经济的环形组网方式来实现控制数据 的 l | l 技术鲫 传输。在环形组 网方式中需要一个可 以中继的通信 设备 ，他的作用就是把数据传递下去 ，直至最后一 个单元。终端设备在接收到报文时，根据报文的地 址信息来决定数据的取合，对于与 自身地址相同的， 则接受并进行相应 的处理 ，否则不处理该报文 ，如 图 2所示。 电力 自动化主站 MODE M池( 1 ： N) l M O D E M l l M O D E M l l l 通信 中继设备 通信 中继器 图2 音频专线环形组 网结构 示意图 环形组 网方式主要特点 ： 节省信道资源，信号 延时较大，实时性差 ，线路故障后数据可通过另一 方 向传输，可靠性高 ，只能采用轮训式规约。由于 目前铁路通信系统发展较快 ，通道容量 已经不是制 约因素 ，所 以此种组 网方式已经基本淘汰。 2 3数字通道方式 数字通道方式是通过通信传输接入系统所提供 的数字接 口实现 电力 自动化系统组网，通信接 口一 般采用 RS 一 2 3 2 V 2 4 V 3 5 等 。组网方式类似于音 频专线方式的星型组网方式，只是增加了一个多路串 口机。由于这种方式存在一些缺陷 ，比如接口采用串 口，通信距离很近。在采用直接连接的情况下，通信 设备和 电力设备之 间距离不能超过 1 5 m，大于这个 距离时需要增加一对 MODE M 来延长传输距离。接 口速率有限 ，多数只能传输 6 4 kb i t s 数据。正是 由于这些特点 ，目前新建的铁路 电力 自动化 系统 已 经不采用此种方式，部分 已经采用这样方式的系统 ， 也在近几年升级改造为其他方式。 2 4以太 网方式 以太网是当今信息网络领域应用最为广泛的局 域 网，正在逐步渗透到数据通信的每一个角落，也 包括工业 自动化领域 。工业 以太网就是技术上与 以 太网标准 ( I E E E 8 0 2 3 )兼容，但设计和包装用于 工业控 制应用的要求和苛刻条件的 以太 网。铁路 电 No 4 王雪、王典 洪 ：铁路 电力 自动化 系统组 网方 式探讨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m n O l O g l I n n o v a t io n 力 自动化系统现在 已经广泛采用工业以太网通信技 术，即采用工业交换机 ，通过通信系统的各种通道 组成工业 以太网，实现各设备之间的通信。 以太网方式主要特点如下。 ( 1 )带宽大 ，传输速度快。 由于采用了以太 网构架 ，在传送带宽上可以保 证和普通以太网一致 ，完全能够满足需要。 ( 2 )可以组成环形冗余网络，保证系统的可靠 性。 采用工业以太网方式组网的电力 自动化系统 ，在 冗余方式上实现起来简单，故障晴况下恢复速度快。 ( 3 )良好的扩展性能。 在 以太 网组成的系统中，网络不仅用于控制数 据的传输，同时也可以作为视频和语音的传输平 台。 摄像机的视频、语音、控制信号都可 以通过编码器 转换成符合 以太 网标准的信息接入网络 中，从而实 现数据 、视频、语音 “ 三网合一”功能。 ( 4 )基于 TC P应用层的协议。 Mo d B u s TC P是基 于 TC P I P的 Mo d B u s 协 议，它在传输层选用标准的传输控制协议 TCP，能 在收到经网络传来的错误数据的情况下，通过应答 与重传机制来保证数据的可靠传输。Mo d B U S是一 个开放的协议，众多的供应商都支持 。网络层采用 I P协议 ，用户只需 了解控制设备 的 I P地址 即可实 现设备之 间通信，而与低层 网络地址和硬件无关， 对于用户来说，整个网络可以看成一个透明结构。 由于采用了以太网方式组网，这种模 式下的铁 路 电力 自动化系统组网结构相对 比较灵活，可以采 用星型、环形甚至网状方式组网。结合铁路的特点， 目前路 内电力 自动化系统的组网方式多采用环形方 式，典型组网方式结构如 图 3 所示。 电力自动化主站 l T C P I P ： 鬲 I J 坦卅6 h 土F H 苫 ： 普 I 由 聋 l ： 三 J l 一 I l 路由器 I i 路由 器 l l 路由 器 I l T C P I P l T C P I P I T C P I 电力自 动化设备 电力自动化设备f 电力自动化设备 电力节点 1 电力节点2 电力节点N 图3 基于以太网方式的组网结构示意图 扔脚峨 其中 “ 通信专业提供 的专用通道”可以是多种 类型 ，包括直接提供光纤和通信专用虚拟通道。如 果采用光纤可在路由器上配置传输光 口，根据光 口 的性能不 同可提供几公里到几十公里不等的传输距 离 ； 如果采用通信专用虚拟通道，可通过传输系统 提供的 2 M 通道或以太网通道实现连接 ，传输距离 不受 限制，只要 附近有通信设备就可 以实现接入， 在铁路系统 中，一般需要通信专业提供通道的 电力 节点附近都会设置通信机房 ， 预 留通信设备的安装 位 置。 3结束语 s c ADA系统在电气化铁道远动系统的应用技 术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。 由于 电气化铁道 与 电力系统有着不 同的特点，在 S C A D A系统的发展上与电力系统的道路并不完全 一 样。 铁路 电力 自动化系统有着重要的意义 ，铁路 电 力线路沿铁路线狭长分布 ，供电距离长 ，环境恶劣 ， 事故多发，维修困难。所以提高现有铁路电力系统 自动化水平非常必要。 铁路 电力 自动化系统对通信组网方式提 出的第 一 要求就是安全可靠 ，正是基于这个要求 ，目前的 铁路 电力 自动化系统大量采用专用通道组网，未来 的发展方 向也一定是向着 可靠性更高的方 向努力， 同时组网的灵活性也会越来越高。 综上所述 ，铁路 电力 自动化系统组网方式将会 向高可靠性、多经路迂 回路由、更大的网络规模方 向发展 。 参考文献 1 张永 红现 场总 线技 术及 其在 电力 自动化 中的应 用 【 J 】 电力建设 ，2 0 0 5 ( 3 ) ： 5 9 - 6 1 2 唐 爱红 ，程 时杰配 电网 自动化通信 系统的 分析 与研 究 M 高电压技术 ，2 0 0 5 ( 5 ) ： 7 5 7 5 5 翟纯玉 ，唐志勇 ，张本J I 1 铁路 电力 自动化技 术 【 M 】 北 京 ： 中国铁道工业出版社 ，2 0 0 6 4 】 刘军启 铁路 1 0 k V电力远动技 术的工程应 用及分析 【 J 】 铁道工程学报 ，2 0 0 8 ( 1 ) ： 9 1 - 9 3 ( 收稿 日期 ：2 0 1 O - 0 2 2 7 ) 4 o。 铁路通信信号工程技术( R S C E ) 2 0 1 0 年8 月 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m