（电力系统及其自动化专业论文）基于嵌入式网络的地铁变电所综合自动化系统研究与设计.pdf

a b s t r a o t w 溉t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , n e t w o r k s ，c o m m u n i c a t i o n 。a n dm i c m e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，i th a si m p r o v e da b o u tt h el e v e lo ft h ei n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mo f s u b w a yt e c h n o l o g y d u r i n gt h ee v o l u t i o no ft h a t ，m a n yf o r m a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sh a v e a p p e a r e dl i t t l eb yl i t t l e , w h i c hh a v es a t i s f i e d t h en e e do fd i f f e r e n tt i m ea n dv o l t a g er a n k s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mf r o ms e d a lc o m m u n i c a t i o nt of i e l d b u sa n dt oe t h e r n e r t t h i s p a p e rh a v ed a s i g r l o dai n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o no f s u b w a yb a s e d o nm u l t i l e v e l n e t w o r k sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u p e r v i s o r yc o n t r o lo fs u b w a ys u b s t a t i o n ，w h i c h r e g a r d e de t h e m e t a st h em a i nn e t w o r k st oc o m m u n i c a t ei nn e t w o r k - l a y e r , w h i l ea p p l i e df i e i d b u s s e r l a ln e t w o r k s 缸c o n f f n u n j c a t ob e t w e e na n di nt h e 塔骁ae m b e d d e d g a t e w a y n k e dt h e e t h e m e tt of i e l d b u s t h em u l t i e v e ld i s i r i b u t i o ns t r u c t u r ew h i c hs u b w a ys u b s t a t i o n a d o p t e d g u a r a n t e e dt h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o no ft h ed e v i c ec o m m u n i c a t i o na n dt h es p e e do f n e t w o r k sc o m m u n i c a t i o n t h ep a p e r , f u r t h e r m o r e ，h a sa n a l y z e dt h er e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e o f t h es y s t e mf r o m t h e o r yt h r o u g hm a t h e m a t i c sm o d e o f r e l i a b i l i t y t h e i n t e l l i g e n t c o m m u n i c a t i o nu n i ti st h ec o r eo fl i l ew h o l e i n t e g r a t e d s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mo fs u b w a ys y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t ，t h ep a p e rh a s d e s i g n e dae m b e d d e dg a t e w a yw i t hh i g hp e r f o r m a n c e , t o wc o s lg o o dr e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m e q u a l i t yw h i c hb a s e do n $ 3 c 4 5 1 0 b 。t h ew o r ko ft h i sp a p e rh a sd e s i g n e dh a r d w a r ea n d t r a n s p l a n t e d t h er e a l - t i m em u l t i t a s ko p e r a t i o n s y s t e m - - i s c o s i l t o $ 3 c 4 5 1 0 ba n dt c p i p p r o t o c o ls t a c k - - l w l pt o “c o s 一t h ep a p e ra l s oh a sm a k e t h ei m p l e m e n to f c o m m u n i c a t i o n s o f t w a r e , a n da n a l y z e dt h ef o r m i n gm e c h a n i s mi n t e r f e r e dm a i n l yi n s i d et h es u b w a ys u b s t a t i o n ， f a t h e r l y , s o m ea n t i i n t e r f e f e n c em e a s u r e so f h a r d w a r ee m c h a v ep u tf o r w a r d t h en e we m b e d d e di n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o na n i th a so f f e r e df a s t e rc o m m u n i c a t i o n s p e e d a n ds t r o n g e ro p e r a t i o na b i l i t y i tw i l le n h a n c et h ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yo ft h ei n t e g r a t e d a u t o m a t i o ns y s t e mo f s u b w a ys u b s t a t i o n , m a k et h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mh i g h e r , a n dm a k et h e c o s tl o w e r k e yw o r d i n t e g r a t e da u t o m a t i o no fs u b s t a t i o n ；t r a c t i o na n ds u p p l yp o w e ro fs u b w a y e t h e r n e t ；a r m ：r e a l - t i m ea n dm u l t i t a s ko p e r a t i o ns y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 地铁变电所牵引供电系统发展概述 1 1 1 引言 随着我国国民经济的持续发展，城市规模的不断扩大，城市人口的不 断增加，城市交通日趋紧张。而发展大运量的城市轨道交通是缓解交通拥 挤，促进城市规划的重要途径。城市轨道交通包括地铁、轻轨、磁悬浮等 交通方式，其中地铁的发展历史最悠久，也代表着城市轨道交通的发展历 史。 自18 9 3 年伦敦建成第一条地铁线路至今已有1 1 0 多年的历史。我国 于1 9 6 5 年7 月在北京开始修建第一条地铁线，全长2 2 ，1 7 k m ，于】9 7 1 年 投入运营，在城市交通中发挥了重要作用，创下了满载率世界第一，单车 运行公里世界第一两项世界纪录。目前，在上海、天津、广州等大城市都 已建成地铁投入运营，而且，在南京、深圳等许多城市修建的地铁也即将 竣工投入运营，我国的地铁正处在一个高速发展过程之中”“。地铁的大力 发展及技术的不断更新，势必要求研制更加完善的城市轨道交通牵引供电 系统和可靠性高、实时性强的监控系统来满足日益发展的需要。 1 1 2 地铁变电所牵引供电系统概述 电气化铁道牵引供电系统是把电力系统的电能供给沿铁路线运行的 电力机车，即把地方集中生产的电能供给分散在铁路沿线上的电力机车使 用。牵引供电系统一般由电力牵引变电所( 包括分区所、开闭所、a t 所) 、 馈电线、接触网、钢轨和回流线等组成。通常，牵引变电所在变压后，将 电力通过馈电线和接触网送到电力机车，牵引回流则经由钢轨一地回路 返回牵引变电所。 地铁牵引供电是电气化铁道牵引供电系统的一个分支，一般采用直流 电力作为牵引动力。常与向车站、区间供电的降压变电所合并，形成牵引、 降压混合变电所。地铁直流牵引变电所从双电源受电，经整流机组变压器 降压、分相后，按一定整流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变换 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 为与直流牵引网相应电压等级的直流电，向电动车组供电。相对于交流供 电而言，直流供电具有调速范围大而且方便、易于控制、牵引网结构简单、 电压质量高、投资较节省等优点n m 】。 根据i e c 标准，近年来各个国家和地区修建的地铁均采用两种供电制 式：d c 7 5 0 v 三轨和d c l 5 0 0 v 架空接触网 m 6 i 。 1 d c 7 5 0 v 三轨制式 地铁的传统供电方式是三轨式，第三轨由高导电率的特殊软钢制成， 沿线平行架设于轨道的外侧，地铁车辆的受流靴与其接触受电。这种制式 的历史悠久，在国内外应用较广泛，如前苏联、一些东欧国家、法国、新 加坡等以及我国北京和天津地铁就是采用这种方式。 2 d c l5 0 0 v 架空接触网 由于采用了较高的供电电压，使接触网的馈电电流降低，从而便于采 用架空接触网的形式来输送电流，也相应地改善了受流环境，提高了受流 质量。架空接触网广泛应用于国铁、城市有轨及无轨电车、工矿企业的电 气化有轨运输，以及进入7 0 年代以后修建的城市地铁中，如日本、韩国、 香港及我国上海和广州地铁就采用该种供电方式。 由于电气特性方面，d c l 5 0 0 v 系统有较明显的优势，并且安全性较好， 近年来d c l 5 0 0 v 架空接触网制式在些国家的地铁建设中应用较多，可 以说这种制式近来发展较快，代表了地铁供电系统的发展趋势u “7 ”“。下面 以广州地铁三号线为例介绍一下该制式。 在广州地铁三号线中，供电系统采用1 1 0 3 3 k v 二级电压供电方式， 正线接触网( 隧道内、地面、高架区段) 采用d c l 5 0 0 v 三轨直流牵引供 电，车辆段接触网采用架空柔性悬挂接触网，不问断地供给运行中的电动 列车。地铁直流牵引变电所间距仅几千米，不设分区所和开闭所，全线设 置2 座1 1 0 3 3 k v 主变电站，1 2 座牵引降压混合变电所，8 座降压变电所， 跟随式降压变电所2 2 座。环网电缆将主站变电所环串成供电网络。设6 个供电分区，环网电压为a c 3 3 k v 。a c 3 3 k v 经变电所牵引部分降压、整 流后为牵引列车提供1 5 0 0 v 直流电源，经降压部分降压后为全线动力照明 提供4 0 0 v 交流电源。 在地铁系统中，电力牵引供电系统占有重要地位，没有电力牵引供电 系统的可靠安全供电，就不可能有地铁的正常运行。其中变电所又是牵引 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 供电系统的重要组成部分，它完成交压、变相和向牵引网供电等功能，是 电力机车正常运行的重要保障。 1 2 地铁变电所综合自动化系统发展综述 1 2 1 地铁变电所综合自动化系统 变电所是一个电磁能量转换及能量再分配单元，电力系统中的许多保 护装置、检测装置、辅助装置都是针对整个变电所设置的，因此，变电所 是整个输配电系统中的重要环节，也是电网的主要控制点。变电所综合自 动化是电力网及计算机技术发展到一定程度的产物，是整个电力系统自动 化工程中的重要一环。变电所综合自动化是将牵引变电所二次设备( 包括 测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等) 经过功能的组 合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号 处理技术，实现对全变电所的主要设备和线路的自动监视、测量、自动控 制和微机保护，以及与主调通信等综合性的自动化功能“”m ”。 地铁变电所综合自动化系统采用集中管理、分散布置的模式，分层、 分布式系统结构。在广州地铁三号线中，系统由站级管理层、网络通信层、 间隔设备层组成。系统以供电设备为对象，通过网络将所内的 l1 0 k v 3 3 k v o 4 k v 交流保护测控单元、1 5 0 0 v 直流保护测控单元、交直流 电源系统监控单元等间隔层设备连接起来。地铁变电所综合自动化系统可 以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断 功能，可方便地监视和控制变电所内各种设备地运行和操作。地铁变电所 综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管 理智能化等特征。 1 2 2 地铁变电所综合自动化体系结构 目前，常规变电所二次设备采用微机数字化装置已相当普遍，但各个 装置缺乏整体协调和功能的优化，且功能交叉，输入信息不能共享，接线 复杂，未能充分利用微机数据处理的强大功能和速度。变电所综合自动化 解决了这个问题，它将变电所的监视、控制、保护和计量装置进行优化组 合和系统集成m ，。图1 2 1 所示为一个典型的变电所综合自动化系统结构 图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一甲咩 当地监控计算机il自动装置 图1 2 一l 变电所综合自动化系统结构 地铁变电所综合自动化系统体系结构是在一般变电所的综合自动化 系统结构的基础上发展起来的，但是又有其不同的地方。下面以广州地铁 三号线为例介绍地铁变电所综合自动化的系统结构。 在地铁系统中，主变电所与牵引、降压及混合变电所的设备配置及结 构有所不同。其中在主变电所中设置一套集中监控台，按有人值班设计。 而在牵引、降压及混合变电所中按无人值班设计，不设集中监控台。下面 按其共性来简述一下地铁变电所综合自动化系统结构。 地铁变电所综合自动化系统可分为三个层次，及所级管理层、网络通 信层和间隔设备层。所级管理层由控制信号盘及安装于控制信号盘内的通 信控制器、触摸式液晶显示器、数字i o 、模拟i o ，安装于控制信号盘面 板上的操作把手、按钮及指示灯等设备构成。主变电所与牵引、降压变电 所的主要区别是在所级管理层有无集中控制台。网络通信层由所内通信网 络、远程通信网络及网络接口设备组成。间隔设备层包括分散安装于供电 设备就地的微机测控、保护单元、信息采集单元、直流电源监控单元等需 接入变电所综合自动化系统的智能装置以及采用硬接点接入综合自动化 系统的接触网上的电动隔离开关、轨电位限制装置、排流柜等现场设备。 1 2 3 地铁变电所综合自动化结构模式 随着微电子技术、计算机技术和网络通信技术在全球范围内的长足发 展并广泛应用于社会生产的各行各业，集变电所保护、测量与控制一体的 变电所自动化技术也随之得到了飞速发展。 通过近2 0 年的实践与应用，地铁变电所自动化系统从集中式到分布 式，其技术特点及运行要求等方面均取得了极大的发展。而且随着新技术 的涌现，地铁变电所综合自动化系统也发生了巨大的变化，硬件上先后出 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 现了r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串行总线接口、各种现场总线技术，以及现在的以太 网技术：软件上由电力系统专用的r t u 通信规约逐渐转向t c p i p 网络协 议。早期的地铁变电所综和自动化系统，如广州地铁二号线使用的西门子 公司的系统，采用的是r s 4 2 2 串行通信网两层网结构。近年来，随着我 国国民经济的快速增长，国际上基于现场总线、以太网的i n t e r n e t 技术、 w e b 技术的嵌入式应用得到迅猛发展，传统的基于串行总线的两层网结构 的地铁变电所综合自动化装置在可靠性、实时性等方面越来越不能满足需 要。美国、欧洲等发达国家对基于现场总线、以太网的变电所自动化技术 都给予了前所未有的重视，i e c 的有关工作组正在制定变电所自动化过程 层、间隔层和变电所层的一系列标准，其中现场总线、以太网技术的嵌入 式应用是很重要的一个方面。可以说，基于现场总线、以太网技术的变电 所自动化系统是变电所自动化领域发展的趋势“”n “”“。 1 3 问题的提出 1 3 1 地铁变电所自动化系统对通信网的新要求 电力系统是一个复杂的非线性、高维、互联大系统，不同的应用场所 需求各异。地铁变电所自动化系统设备繁多，大多站点设在地下，由于环 境温度、湿度、海拔、振动等有特殊要求，因此对通信网络的要求必须满 足：第一，在电力系统恶劣的电气环境中，应具有很强的抗电磁干扰能力； 第二，能实现高速实时的数据、信息传输；第三，应具有通信灵活性强的 特点，以保证各保护、控制等单元之间实现有机协调；第四，应具有可扩 展性强的特点。而同时又出现了以下的新要求“”： 实时性更强。 可靠性更高 可扩展性更好 网络通信能力更强 目前在国内地铁变电所综合自动化系统中无论是采用进口西门子设 备，还是采用的国内厂家的设备，均使用的是串行总线或现场总线网络通 信方式。这种总线集中式结构，即一个局部域的所有采集信号都由单个 c p u 负责采集处理，完成全部相关功能，再通过串行口( r s - 2 3 2 或r s 一4 2 2 ) 与上位机进行数据交换。因此主c p u 单元的开发、数据传输的实时性及 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 运行可靠性就成为制约整个系统综合技术指标的瓶颈。而基于现场总线技 术构建的监控系统在以下几个方面已不适应当代社会的需求m ，。 ( 1 ) 目前，在地铁变电所综自系统采用的两层串行总线的通信方式的可 靠性及实时性都受到制约。 ( 2 ) 多种现场总线并存，彼此之间互连接和互操作问题难以解决，用户 需要统一的廉价的通信协议标准：而迄今尚没有种现场总线十全十美， 目前看来，各种总线统一为单一现场总线是不可能的。 ( 3 ) 检测信息游离于工控变电所信息管理内部，要通过w e b 浏览器、 i c q 网络传呼机或e m a i l ( 电子邮件) 等实现远程监测，必须专门增设专用网 卡，不经济，也影响系统整体性能。 而现在最常用的以太网技术，特别是光纤以太网可以很好的克服上述 缺点。因此，开发新型基于嵌入式网络的地铁变电所综合自动化系统就显 得尤为重要。 1 3 2 基于嵌入式以太网通信结构 以单片机或微处理器( m c u ) 为核心的嵌入式系统完成监测技术相当 成熟，其广泛应用正是因为其开销小、尺寸小、功能强的特点。若使嵌入 式系统具备i n t e r n e t 功能，即将t c p i p 协议直接写入系统，让其本身具备 网关功能，这样嵌入式系统就成了嵌入式网络系统n ”。嵌入式网络技术是 近几年发展起来的新技术，在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太 网，提供了实现地铁变电所内通信网络的新途径。 以嵌入式以太网通信为基础的分层分布式计算机监控系统克服了总 线式结构的缺点，其技术性能和实用性在以下几个方面得到了提高“。 ( 1 ) 可靠性：单元智能化，功能分散，单个网络及点单元的故障不会 影响其他节点的正常工作，从而降低了系统故障率；由于采用无硬盘设计 嵌入式方式，具有可靠性高、抗病毒性强、易操作、易维护，能运行在恶 劣环境下等特点，也是p c 工控机所无法实现的。 ( 2 ) 可扩充性：在需要增加或修改系统配置时，只需增改网络节点和 相应的外部设备，整个系统的组态灵活。 ( 3 ) 可互连性：从硬件级到软件级都采用标准化设计，采用t c p i p 网 络协议标准，实现了同型模件的互用以及网络的互连，克服了现场总线的 缺点。 ( 4 ) 实时性：与上层通信是通过以太网进行的，采用合适的传输介质 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 可以使通信速度达1 0 0 m 、1 0 0 0 m 超高速，实现高速数据传输，提高系统 实时性。 ( 5 ) 经济性：过去与远方通信都须通过中间网关机将主机控制信息进 行协议或信息转换并传送，多增加了中间环节和成本，其开发维护工作也 很大。采用基于嵌入式网络的解决方案，则无须考虑中途网关机。并且以 太网技术相对普及，人才成本下降。 利用单片机实现嵌入式以太网方案的技术难点是：如何利用单片机本 身有限的资源对信息进行t c p i p 协议处理，使之变成可以传输的i p 数据 包。新型嵌入式以太网通信平台采用高性能的3 2 位m c u + r t o s 。具有 更强的通信能力，同时间隔层的各种设备不做任何改动，保持了产品的向 下兼容性。 采用新型嵌入式以太网通信方案，变电所数据采集部分仍由间隔层内 智能设备( i e d ) 完成，然后通过其串口或现场总线与智能通信单元相应 接口进行数据交换。丽智能通信单元具有以太网的网络功能，其与主站通 信符合以太网的t c p i p 协议，通信速率可达1 0 1 0 0 m 。网络构成采用层 次结构，扩展性好，并且可向i n t e r n e t 化发展。 1 4 本论文的主要研究内容与安排 本论文“基于嵌入式网络的地铁变电所综合自动化系统研究与设计”， 正是为适应变电所综合自动化和变电所无人值班化模式的推广而提出的 一个重要课题，是变电所综合自动化的一个重要组成部分。 本论文主要是结合计算机网络、通信新技术与地铁变电所综合自动化 系统的特点，实现地铁变电所综合自动化系统结构设计。本论文基于嵌入 式网络技术对地铁变电所综合自动化系统中的核心单元一一智能通信单 元进行了研究与设计，智能通信单元采用$ 3 c 4 5 i 0 b 微处理器为核心。新 型嵌入式通信平台包括5 1 2 k 和l m 的两个f l a s h 和8 ms d r a m 为操作 系统和应用程序的运行环境，通讯平台的外围接口包括1 0 1 0 0 m b p s 以太 网接口、r s 4 8 5 、r s 2 3 2 等多个串口，另外，可以根据需要还可以扩展 其它功能模块，例如显示器、键盘等。 嵌入式以太网通信平台的嵌入式操作系统采用实时性强，可靠性高， 成本低，利于扩展的高性能实时多任务操作系统uc o s i i 。 系统由硬件和软件两个部分组成。硬件从芯片选型到各个模块的选择 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 及设计都给予了详细的阐述。软件部分从操作系统移植到网络层t c p i p 协议及间隔层的串行接口，给出了整个设计过程。 在本课题中，本人承担的主要任务是完成智能通信单元模块的硬件设 计和软件中的部分设计，具体如下： 硬件系统的各个芯片的选型 系统硬件各个模块间的接线原理图 软件中操作系统的选择及移植 网络层中通信软件的设计( t c p i p 协议的移植) 间隔层中通信软件的设计( 常用总线接口软件的设计) 论文的安排如下： 第一章首先论述了地铁供电系统及地铁变电所综合自动化系统的发 展与现状，从而给出本课题研究的必要性及内容、安排及技术手段。 第二章阐述了地铁变电所综合自动化系统整体功能，给出了地铁变电 所综合自动化系统整体网络结构设计方案，并且对这一设计方案从理论上 进行了可靠性及实时性分析。 第三章给出了地铁变电所综合自动化系统中智能通信单元硬件设计， 包括存储系统设计，通信接口设计，电源时钟及复位模块设计，并根据地 铁变电所的特点，完成了硬件设计中电磁兼容性设计。 第四章完成地铁变电所综合自动化系统软件设计，包括完成操作系统 uc o s - i i 到$ 3 c 4 5 1 0 b 的移植，t c p i p 协议栈l w i p 到uc o s i i 的移植，并 给出了网络层软件以及间隔层软件分析及设计。 本文最后指出了本论文的不足之处并对今后的工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章地铁变电所综合自动化系统设计 2 1 地铁变电所综合自动化系统结构设计 随着计算机技术的迅猛发展以及网络技术和国际标准化协议的不断 完善，采用智能化、集成化及分布式系统结构越来越成为变电所综合自动 化及无人值班监控系统的技术发展主流。综合自动化包含的各种功能分别 由独立的设备来完成。每种设备自成体系，离开综合系统仍能完成自己的 功能。这些设备与各种功能独立系统通过以太网或现场总线完成数据交 换，然后对各种信息进行在处理。完成当地显示、打印、数据远传、故障 处理、接受和执行命令等各种功能。这种结构显著特点是单项功能可靠性 好，各自独立、互不影响，不因为一种功能故障而影响其它系统运行。 2 1 1 理想的系统结构 结合地铁变电所的具体环境特点及功能需求，地铁变电所综合自动化 系统的理想模式最好是一个既综合又分散、关键部位双重化系统。所有装 置能通过计算机通信网实现资源共享，通信网通过网络接口与区调及总调 或各级调度通信，实现二次系统的综合自动化功能“”2 “2 “。 综合自动化系统采用分层分布式和单元功能模块化结构。变电所内各 种智能装置，包括保护装置及各种测控单元都应该是相对独立的，所有这 些设备都带有一个计算机网络接口，联成总线型网。从功能上联在总线网 上的设备分成两层：上层为变电所层，包括所内监控、m m i 、远动通信站 和工程师站；下层为间隔设备层，按一次设备组成不同的间隔设备，各个 单元设备功能包括测控、保护和自动化装置。各个单元功能设备是相对独 立的，例如保护功能完全不依赖于通信网，即保护的跳闸是不通过监控系 统直接跳闸。分层分布式的结果是，变电所层若有问题不会影响到每个单 元层的正常运行，而每个单元层若有问题不会影响到变电所层和其它单元 层的正常运行，某个装置有问题，不会影响到整个所的运行。维修、检修 也很方便。此外，分层分布式系统还具有较高的灵活性和可扩性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 2 1 2 地铁变电所综合自动化系统结构设计 根据以上讨论，结合实际工程情况( 保障产品的兼容性) ，地铁变电 所综合自动化系统( 简称综自系统) 结构采用分层分布式结构设计，引入 计算机局域网( l a n ) 技术，将所内所有的智能电子装置( i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i cd e v i c e s ，i e d ) 连接起来。系统分三层实现，即变电所站级管 理层、通信管理层、间隔设备层，其结构图如图2 1 一l 所示“”“。 图2 1 1 地铁变电所分层分布式综合自动化系统结构 本综自系统结构是针对一般通用地铁变电所设计的，整体结构对于主 变电所和牵引、降压及混合变电所都适应，只是在一些细节上有一些差别。 下面以广州地铁三号线为例，从通用性角度来说明。 1 。变电所站级管理层 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 变电所站级管理层是系统的最高层，主要包括通信控制器、触摸式液 晶显示器、数字i o 、模拟i o ，安装于控制信号盘面板上的操作把手、按 钮及指示灯，用于维护、维修的便携式计算机等设备。通信控制器采用可 靠性高，处理能力强，实时响应速度快的工业级产品。由电源模块、主处 理器模块、远程通信接口模块、所内通信接口模块、时钟同步对时接口模 块、人机接口单元等组成。 变电所层的主要任务是向下与所内设备相连，使全所信息顺利进入数 据库，送至调度中心，实现远方通信功能。此外，通过友好的人机界面和 强大的数据处理能力实现就地监视、控制功能，是系统与运行人员的接口。 可以同网上任一个闻隔层设备通信，但是本身不需要设置数据采集系统， 而是通过l a n 收集由各间隔层设备采集的数据，不需要任何控制执行机 构，通过l a n 可将命令传送到相应设备去执行。该层可采用u n i x 或 w i n d o w s2 0 0 0 网络操作系统：后台历史数据库可选用o r a c l e 、s q ls e r v e r 或s y b a s e 等数据库系统，系统为多层次的客户服务器模式，组建方式设 计、多进程( 线程) 实现、确保运行的实时性。系统采用软总线技术，保 证了系统的开放性，用户能方便的实现实时数据的共享。系统无论在单网 还是双网都能稳定、可靠运行。 2 通信管理层 通信管理层是系统的核心和通信枢纽，负责连接变电所层和间隔层各 个功能子系统，完成搜索各智能设备的上传信息，下达控制命令和定值参 数，实际上只是一个规约转换器( g a t e w a y ) 。由所内通信网络、远程通信 网络及网络接口设备组成。 所内通信网络采用光纤以太网，双网冗余结构，通过组网完成所内数 字化信息传输，组网方式应考虑便于故障的查找与隔离。网络上数据交换 采用信息块传输方式，通信速率1 0 1 0 0 m 自适应。通信协议为t c p i p 。 综合自动化系统的接口数量、标准及规约应能满足变电所各种不同间隔单 元接入的要求，网络节点容量不小于6 4 个，并应预留一定的接口扩展容 量。 远程通信网络指从通信控制器远程通信口至车站主控制系统网络交 换机之间的通信网络。网络模式为主备冗余的光纤以太网，传输速率1 0 m 。 采用以太网构成变电所综合自动化系统与主控制系统之间的数据传输通 道，完成控制中，t l , 电调系统对变电所供电设备运行状态的监视及遥控操 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 作。 网络接口设备包含用于完成所内通信网络与间隔层设备接口的光纤 以太网转换设备及相关连接设备等。系统提供多种接口，如r s 2 3 2 、 r s 一4 2 2 、r s 4 8 5 等。 变电所层与通信管理层之间从组网方面称为网络层，通信管理层与间 隔设备层之间称为间隔层。本论文在后面具体设计了通信管理层的实现平 台( 智能通信单元) ，并分别设计了网络层与间隔层的通信软件。实现各 间隔层设备与以太网之间转换的c p u 是s u m s u n g 公司3 2 位的单片机 s 3 c 4 5 1 0 b 。该单片机内置了1 0 m 1 0 0 m 以太网控制器，另外还配有1 8 个可编程的通用i o 口。运行嵌入式实时操作系统l ac o s i i ，通过该操作 系统实现实时多任务调度。上行支持i e c 1 0 4 协议，下行能够支持多种通 讯规约，如m o d b u s 、p r o f i b u s 等，可以很方便通过软件来选择，所以系 统扩充能力极强。 3 间隔设备层 间隔设备层是把模拟量、开关量数字化，实现保护功能，上传测量和 保护信息，接受控制命令的定值参数，是系统和一次设备的接口。包括分 散安装于供电设备就地的测控、保护单元、信息采集单元、直流电源监控 单元等需接入变电所综合自动化系统的智能装置以及采用硬接点接入综 合自动化系统的接触网上网电动隔离开关、轨电位限制装置、排流柜等现 场设备。 地铁变电所控制采用三级控制方式，即远程控制、所内控制信号盘上 集中控制、设备本体控制。三种控制方式相互闭锁，以达到安全控制的目 的。对于接触网电动隔离开关，在控制信号盘上设置当地远方转换开关、 相应的合分闸开关及控制装置。 2 2 地铁变电所综合自动化系统功能 地铁变电所综合自动化实现变电所各种设备的控制、监视、联锁闭锁、 电流、电压、功率、电度的采集等功能。由于主变电所与牵引、降压及混 合变电所的功能有所不同，下面以一般通用的地铁牵引变电所为例阐述其 主要功能。 在地铁变电所综合自动化系统中，控制信号盘上安装有通信处理设 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 备、音响报警装置等。所内任何事故、预告信号均发音响信号，事故、预 告采用不同音响，且音响在定的时间内自动解除，音响时间可调。盘上 设置音响“投入”、“撤除”转换开关。控制信号盘的主要功能有以下方 面。 1 通信处理功能 1 ) 实现与主控制系统的远程通信。配置冗余远程通信接口，分别与 双通道接口，并可实现通道自动切换，完成通信规约的处理。向主控制系 统、便携式维护计算机或后台监控计算机、液晶显示器传送变电所操作、 事故、预告等信息。 2 )通过所内通信网络，完成与各间隔单元的接口功能，并进行规约 处理，实施对间隔单元的数据采集与控制输出。 2 集中监控功能 1 )配置触摸式液晶显示器，以汉字菜单及对话框方式，实现人机对 话及所内集中监控管理。 2 )控制功能。接受控制指挥中心或维护计算机的控制命令，对所内 被控对象进行集中控制，远方遥控和所内集中控制操作之间需设操作切换 闭锁，同一被控设备只允许由一个远方控制端对其实施遥控。操作分选择 一执行两步进行。牵引、降压及混合变电所控制信号盘上还设有i o 模块 单元，直接控制监视接触网上网电动隔离开关、轨电位限制装置等不宜装 设下位监控单元的开关设备，操作方式除可使用便携机后台监控机外，控 制信号盘上还应配置操作按钮和远方当地转换开关。 3 ) 信息显示功能。主要包括：被控对象的位置信号，各种事件信息、 自检信息及动态实时主接线图、所内各智能电子装置的运行工况等。信号 显示内容有：事件时间、事件内容等，便于维护人员的故障查找。 4 )用户画面显示功能。能动态显示变电所主接线画面和接入综合自 动化系统的测控保护单元等智能电子装置的通信工况。 5 )测量量集中显示功能。包括各种模拟量及脉冲量的工程值，并可 对工程值转换公式进行灵活定义。 3 双机切换功麓。 双通信处理设备以热备用方式工作，当主机故障时，备机自动切换代 替主机完成系统通信处理功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 4 时钟同步功能 通过软件对时与通信时钟系统保持同步，并且通过软件对时，同步各 间隔单元设备等。 5 音响报警功能 当所内发生故障时应按类别启动不同报警音响，音响在一定的时间内 自动解除，时间可调。音响具有“投入”、“撤除”功能。 6 与变电所便携式维护计算机、控制信号盘上大屏幕彩色液晶显示 器的通信功能。 7 具有看门狗、自诊断、自恢复功能及系统故障诊断功能。所内任 何智能电子装置发生故障，均应报警。 8 系统故障诊断功能 任何变电所综合自动化系统内的监控单元发生故障，均应报警，单个 监控单元的报警，不影响整个网络的运行。任何监控单元的故障报警均应 在变电所和控制中心监控系统设备结构图上显示并报警。 2 3 地铁变电所综合自动化系统网络设计 地铁变电所自动化系统的各种信息种类多、数量大，而这些信息的汇 合与交互均需功能强大的通信技术来实现；变电所自动化系统的可靠性是 第一位的，各设备间的通信接口必须进行完全的电气隔离，需考虑所内信 道的防雷措施，同时要求通信设备应能适应恶劣的工作环境，特别应当尽 量避免由于一个装置损坏面导致全所通信中断的可能性；通信网络的选择 要易于扩充、易于维护。针对地铁变电所综合自动化的以上具体应用环境 及特点，对网络层和间隔层进行分别设计。 2 3 ，1 网络拓扑结构设计 网络拓扑结构是网络系统中传输链路与监控主机、智能通信单元和智 能电子装置( i e d ) 之间相互连接的几何排列或布局的物理形式，也是实 现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有影响。 在变电所综合自动化系统中最常见的是星型( s t a r ) 、环型( r i n g ) 、总线型 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 ( b u s ) 、和树型( t r e e ) ”“。 1 星型结构 星型结构以安装于控制室的站级计算机为中心点，通过通信介质与分 散在每一个开关柜上的监控i o 和保护设备相连形成1 ：n 的连接方式。 如图2 3 1 所示。 图2 3 1 星型结构 星型结构的特点是： 1 ) 各i o 单元及保护单元都与站级计算机独立通信，可靠性高，可 维护性好： 2 ) 采用串行通讯实现互联比较简单； 3 ) 星型连接连线较多，特别是站级计算机端接线较多，施工复杂。 2 环型结构 系统中每个i e d 设备两两相连依次连成一个环，每个i e d 设备单元 向相邻者传送数据。这种闭环结构的突出优点是网络通信在某一点故障 时，不会影响整个系统通信。除非有两个或两个以上的线路故障点出现， 才可能由于双向链路均不通而导致系统通信故障。结构如图2 3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 3 2 环形结构 环型拓扑结构的主要优点是： 1 ) 电缆长度短； 2 ) 可以在网上使用多种传输介质； 3 ) 传输速率高，误码率低。 主要缺点是： 1 ) 中继器或线路故障引起全网故障： 2 ) 诊断故障困难； 3 ) 不易重新配置网络，要扩充环的配置很困难，要关捧一部分已接 入网的节点也不容易。 3 总线型结构 总线拓扑结构式局域网中最常见的一种结构，在这一结构中，站级计 算机经过共线通信信道与各间隔层智能电子设备( i e d ) 相连。每个l e d 在 信道上都有一个独立的地址。如图2 3 3 所示这种结构的优点是分享变电 所的通信设备及通信介质，降低通信费用。 肇墨 图2 3 3 总线型结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 4 树型结构 在树型结构中，站级计算机与各l e d 按层次连接。i e d 可按功能分布 在两层( 多层) 上。该结构易于扩展，下层节点故障不会影响上层节点， 但对于层次较高的节点可靠性要求也高。其结构如图2 3 4 所示。 图2 3 4 树型结构 拓扑结构设计是局域网应用设计中的个重要环节，它直接影响到网 络的质量和性能价格比。应按客户要求决定介质访问方法和网络的拓扑结 构方案，使局域网达到最优性能价格比。分层分布式变电所自动化系统的 通信系统，主要是总线型及星型连接方式。 变电所站级管理层与通信管理层之间的网络称为网络层，由于网络层 的数据流量大，同时也为了很方便的构成双网结构，故采用以太网作为监 控主网，它采用符合i e e e 8 0 2 3 规程的c s m a c d 介质访问方法，传输速 率为1 0 m 1 0 0 m b p s 。由于星型网是不平等的网络，只能有一个主站，从而 形成瓶颈，并且灵活性大大降低。因此在网络层中采用网络中各节点都平 等( p e e r t o p e e r ) 的总线型网络，每一个节点都可以同网上任一个其它接 点直接通信。各个智能通信管理单元与所级计算机独立通信，独占通信线 路，可维护性好。由于智能通信管理单元采用嵌入式以太网接口，保证了 数据传输的畅通、变电所设备的通用性以及现场总线的数据通信量，网关 范围小，运行可靠性高。同时可方便地实现资源共享和设备监视。 通信管理层与间隔设备层之间成为称为间隔层。变电所的一次设备按 结构划分为多个间隔，并以每个间隔为单位进行保护和测控装置的配置。 对于不同电压等级的变电所综合自动化系统的各个间隔，对网络的通信容 西南交通大学硕士研究生学位论文第l8 页 量及通信速度有不同的要求，在地铁变电所综合自动化系统中采用不同网 络拓扑结构分别组网。如图2 1 1 所示，分别采用了总线型和星型。 上述网络结构的特点结合地铁变电所综合自动化系统的特点，本文的 设计不是采用单一的网络结构，而是采用了复合总线一星型结构。系统的 实时性、可靠性和可扩性都大大提高。 2 3 2 地铁变电所综合自动化系统组网方式 变电所综合自动化系统中各单元之间的可靠通信及与远方系统的通 信是变电所综合自动化系统的关键问题之一。通信网络是实现各单元之间 相互联系、数据和信息共享的重要环节，它直接影响整个系统的灵活性、 抗干扰性、可靠性和实时性问题。 1 常用串行口组网方式 常用串行通信接口( i n t e r f a c e ) 按电气标准及协议来分包括r s 2 3 2 、 r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、u s b 等。r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 标准只对接口的 电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。u s b 是近几年发展起来 的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。在这些总线标准中， r s 4 8 5 总线网以其成熟的软、硬件技术，简单实用可靠的特点得到采用。 为便于与其他智能设备和上级调度通信，变电所综合自动化系统亦支持 r s 2 3 2 、r s 一4 2 2 及与光端机接口等多种方式。因此，目前变电所综合自 动化系统中采用比较广泛的串行口有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r s 一4 2 2 等。 这些常用串行口组网通常以总线型构成网络，早期的变电所自动化系 统中，由于当时技术条件的限制，广泛采用这些简单串行通信技术来实现 网络通信n ”。采用使用个主站对多个从站的通信方式，在应用中主要存 在以下缺陷： 1 ) 只能有个主站，无法实现多主站互为备份的冗余设计； 2 ) 从站无法主动上送报文，实时性较差： 3 ) 各从站之间无法直接通信，只有通过主站中继才能相互通信： 4