（电力系统及其自动化专业论文）牵引变电站信息综合传输方案的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h et r a c t i o ns u b s t a t i o n , a st h ep o w e rp i v o to ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y , i sv e r y i m p o r t a n tt o t h e e n t i r er a i l w a ys y s t e m n o w a d a y s ，m a j o r i t yt r a c t i o ns u b s t a t i o n s a d dt h e ”r e m o t ev i d e o ”f u n g i o nt ot h et r a d i t i o n a lf u n c t i o n so fr e m o t ec o n t r o l ， m e a s u r e ，c o m m u n i c a t i o na n dd i s p a t c h a tp r e s e n t ，a sar e s u l to fl i m i t a t i o no ft h e b a n dw i d t h ，e a c hk i n do f i n f o r m a t i o ns t i l ls e p a r a t e l yt r a n s m i t si nt h em o s tt r a c t i o n s u b s t a t i o n 1 色er e m o t ev i d e os i g n a l sd o n tt r a n s m i tt h r o u g ht h et e l e c o n t r o l n e t w o r kb u tr a t h e rt h e p r i v a t ee n t r y w a y i t i sn o ts u i tt ot h er a i l r o a d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o ，i ti sat e n d e n c yt h a tt h er e m o t ev i d e oa n dt h em o t i o n s i g n a l st r a n s m i tt o g e t h e r b e c a u s et h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a ys y s t e mi nd e f e r e n tr e # o i l si si m b a l a n c e ， a n dn c wn e t w o r kt e c h n o l c i g i e sa p p l i e di nr a i l w a ys y s t e mc o m m u n i c a t i o na l s oi s l i m i t e d s oi ts t i l lh a sm a n yp r o b l e m si nf u l f i l l i n gt h ed e m a n d so fp o w e rs y s t e m i n t e g r a t i v ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n dt h eq o so p e r a t i o no fn e t w o r ki st h e f a s t i m p o r t a n tp r o b l e m f l o wc o n t r o l c a n e x c e l l e n t l yi m p r o v et h eq o so f i n t e g r a t i v ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ， f i r s t l y , t h i sp a p e rg e n e r a l i z e sa no v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n t s t a t u so ft h er e s e a r c ho nt h et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n s ，a n dt h o r o u g h l y a n a l y z e st h eq o sw h i c he x i s t s i nt h e r a i l w a yp o w e rs y s t e m t h er i n g - l i k e c o r r e s p o n d e n c en e t w o r ko fc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns c h e m ei s d e s i g n e da c c o r d i n gt op r a c t i c a ls i t u a t i o no fp o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r i f i e d r a i l w a y b a s e do nt h es p d n e td i g i t i z e dc o m p r e h e n s i v et r a n s m i s s i o ns c h e m e ，a d i s t r i b u t e da n dh i e r a r c h i c a lt r a c t i o ns u b s t a t i o ni n f o r m a t i o nn e t w o r kp l a t f o r mi s c o n s t r u c t e d a f t e rd i s c u s s i n gs o m eq o sr e a l i z a t i o nm e t h o d s ，t h r e ep l a n sa t e d e s i g n e d t h em e t h o d sw h i c hs e tp r i o r i t ya n dt a k e d i f f e r e n tb a n d w i d t hf o r d i f f e r e n to p e r a t i o n sc a l la s s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h ep l a n s t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h et h r e ep l a n sc a na c h i e v ec o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n ；c o m p r e h e n s i v et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n ； r i n g - l i k ec o r r e s p o n d e n c en e t w o r k ；q u a l i t yo fs e n ，i c e ( q o s ) ：t e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 作为国家重要的运输部门，铁路日常的稳定运行决定了国民生产、 生活的正常运转，加之，铁路系统部门众多、地点分散，现场环境复杂， 成为日常维护工作的主要障碍。牵引变配电站是电气化铁道的供电枢纽，对 整个铁路系统具有至关重要的作用。传统的远动“四遥”作为牵引系统调度 自动化的基础，可为调度控制中心采集实时数据，实现对远方设各的监测和 控制n ”然而远动“四遥”系统上报的数据是一个抽象的概念，不能直观地 反映现场设各的运行状态，远程图像监控系统可以弥补这项不足，这就是第 五遥遥视功能。建立远程网络遥视系统，增加变电站室内外图像监控 和图像传输的功能，视频监控系统能够支持相关人员及时直观了解变电站现 场的情况，为控制中心操作人员提供变电站现场图像，并对关键部位进行报 警检查。操作员和各部门领导可利用铁路系统现有的计算机网络和办公 微机，在调度中心或者当地机务段实现对变电站环境的监控，大大减轻 日常人员巡视的工作量，起到减员增效的目的，便于及时发现危险隐患， 保障安全生产。 电铁牵引供电的一个s c a d a 系统一般管辖几十至几百公里，视频信息 的处理，尤其是传输技术与当地监控有本质的区别。1 因此，采用多媒体视 频处理技术和现代网络通信技术组成的远程多媒体监控系统，不仅可作为常 规“四遥”功能的重要补充，还能监视并记录变( 配) 电站的安全状况以及设 备的运行情况，并提供事后分析事故的图像资料，可以实现变电站无人值班“ ”。无人值班变电站，是指没有固定值班人员在变电站就地进行日常监视与 操作，变电站的日常操作与监视由上级调度中心( 所) 通过调度自动化系统 的远动功能进行的变电站。 变电站无人值班一直是电力系统的热门话题。从国内、外电网发展的情 况看，变电站实施无人值班，不仅是为了减少几个生产人员及其开支，更是 为了提高电网的科技发展水平和科学管理水平，加快电网发展。因此，在发 达国家和地区的电网中，无人值班变电站已从1 0 k v 、3 0 k v 扩大到了2 2 0 k v ， 甚至向更高等级的变电站发展。 对于铁路电力系统，从长远来看，变配电站的发展方向应该是实现。无 人值班、无人值守”，这对铁路系统来说既具有重要的经济效益，又具有深远 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的社会效益。但是，鉴于铁路系统的实际情况，实现变配电站无人值班还需 要一个逐步积累和逐步过渡的过程。最好的解决办法是，具备条件能够实现 无人值班的，可以积极开展试点工作，为变配电站无人值班在全路推广和应 用积累运行经验和管理经验：不能实现无人值守的，可以先按照无人值班的 要求设计和建设，实行“无人值班、有人值守”，待条件成熟后，再过渡到真 正无人值守嗍。 由于带宽的限制，目前多数牵引变电站仍采用各种信息分离传输的方法， “遥视”信息不通过远动通信网络传输，而是采用其它专用信道，这不太适 合通信资源十分紧张的铁路通信系统随着铁路电力自动化技术的发展，变 配电站与调度之间传送的信息种类不断增加，要求也相应变化，希望通过各 种宽带的信道或网络解决信息传输问题因此在国内出现了大量基于光纤通 信技术的e 1 ( 一种以2 0 4 8mb i t s 速率传送声音和数据的数字运营系统标准) 信道，很多地方也建设了宽带的数据通信网络 但是，日前己建成的宽带信道和宽带网络并没有很好地使用。主要存在 2 个方面的问题：将己经建成的e 1 信道当成常规远动信道使用，视频则采 用专门的信道进行传输，大部分带宽被白白浪费了；对信道的使用毫无节 制，认为宽带网络建成后，可以随心所欲地在网上传送任何信息，而无规则 要求，结果造成局部信息的拥塞损失了信息传输的实时性。 如何充分利用已经建成的宽带信道和宽带网络是一个非常有价值的研究 课题。本文从无人值班变电站信息传输的角度，阐述了在变电站进行信息综 合传输的理论和实现方法。 1 2 牵引变电站信息传输的发展与现状 1 2 1 发展 电力通信的发展己有5 0 多年的历史，电力系统变电站通信网络化的过程 主要分为两个阶段：第一阶段，电力系统变电站综合自动化；第二阶段，电 力系统通信的网络化阻”。 早在1 9 8 7 年，德国电力行业协会( v d e w ) 就为电子制造协会( e 、，e i ) 制定 了关于数字式变电站控制系统的推荐草案，使它成为i e ct c 5 7 在起草保护 与控制标准时的参考，其内容非常丰富。如德国三大电气公司( s i e m e n s ，a b b ， a e g ) 基本上是按这一推荐规范设计和开发自己的产品。国际电工委员会第 5 7 次技术委员会( t e ct c5 7 ) 为了配合变电站综合自动化方面的进展，成 立了“变电站控制和保护接口”工作组，负责起草该接口的通信标准，该工 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 作组共有1 2 个国家2 0 0 0 位成员参加，并于2 0 0 2 年1 月向i e c 秘书处提交 了变电站内通信规约i e c 6 1 8 5 0 4 ，为变电站内控制与保护之间的通信提供了 一个国际标准“1 “1 我国变电站综合自动化的研究工作开始于8 0 年代中期1 9 8 7 年，清华 大学电机工程系研制成功第一个符合国情的变电站综合自动化系统，在山东 威海望岛变电站成功投入运行该变电站的综合自动化系统主要有三台微机 组成，分成三个子系统，担负了变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、 中央信号等全部任务 1 9 9 0 年，清华大学在研制鞍山公园变电站综合自动化系统时，提出了将 监控系统和r t u 合二为一的设计思想。9 0 年代中后期，变电站综合自动化 己成为热门话题，研究单位和产品蓬勃发展n 幻典型产品有北京爱劳高科技 有限公司引进法国施耐德电气公司s e p a m 系列数字保护设备开发的 a r r o w s y s 变电站综合自动化系统。它把保护、控制、测量、r t u 及计算 机融为一体，做到数据信息统一，减少控制电缆敷设，优化二次系统设计等 方面的改进。并将微机保护、控制和测量单元组合在一起，由通信控制器负 责管理整个二次设备，并将信息送给监控计算机和管理计算机监控计算机 负责变电站的当地功能和远动功能。目前，国内做得较好的公司还有南京南 瑞、北京四方、许继电气等。 电力通信是电网实现调度自动化和管理现代化的基础，是当今现代电力 系统不可缺少的一部分电力通信要求有高度的可靠性和实时性，否则不能 保证电网的安全、经济调度近几年来，随着网络技术的突飞猛进和现场总 线技术的出现，给变电站综合自动化技术水平的提高，注入了新的活力 1 2 2 现状 与其它视频监控系统不一样，由于铁路变配电站是沿铁路线分布的，与 其相关的通信信道也是沿线分布的，一方面，通道受电气化干扰比较严重， 另一方面，信道相对比较紧张，因此，铁路的通信信道多采用总线型或环状 引入。这就要求系统必须能适应铁路不同的通道结构 在牵引供电领域，国内外虽已研制出一些变配电站视频远程监控系统， 如南京南自等单位的视频远程监控系统，实现了对变配电站运行设备状态进 行视频摄像后按m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 3 等格式做图像压缩，通过高速网络 传输；国外也有类似系统，通过红外线检测和摄像机拍摄图像结合来检测非 法入侵者，实现变配电站无人值守。但这些系统的监控图像的传输通道一般 都是独立的e 1 通道，通过i n t e m e t 的网络资源，这种结构占用的通道资源太 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 多，不适于通道资源紧缺的铁路线路，而i n t e r n e t 网络虽然通道宽，但它摈 弃的铁路现有的专线网络，可靠性和安全性将受到很大威胁，一旦i n t e m e t 出现严重的堵塞情况，基于w e b 的监控系统将陷于瘫痪状态。 1 3 铁路电力系统的特点 铁路电力系统是地方电力系统的延伸，具有电力系统的一般特点，但又 有其特殊性，主要体现在以下几个方面“1 ： 1 ) 容量小 地方供电局的变配电站( 所) ，装机容量一般为1 0 0 0 0 k v a 及以上，而铁 路变配电站一般为2 0 0 0 0 k v a 左右，自动闭塞变配电站的装机容量仅为几百 千伏安。整个线路轻载运行，一般不超过1 0 a 。短路电流也相对较小，再加 上调压器的限流作用( 调压器容量一般为1 8 0 k v a 一5 0 0 k v a ) ，短路电流一般 只有几十安到上百安。 2 ) 供电臂长，负荷呈线状分布，运行环境恶劣，故障多发 地方电力系统3 5 k v 供电半径一般为3 0 k m ，1 0 k v 供电半径一般为 1 0 k i n 。而铁路供电线路除向站区供电外，还向铁路沿线设备供电，一般条件 下供电臂为4 0 6 0 公里，当电源条件不允许时可延长到7 0 k i n ，而且地形、 气象条件复杂，线路故障多发，而故障查找和维修由于受自然条件等因素影 响比较困难。 3 ) 供电可靠性要求高 铁路负荷，特别是一级负荷、二级负荷突然停电，就可能造成运输阻塞、 生产停止，甚至造成列车颠覆、人员伤亡这样的重大事故，影响正常铁路运 行秩序因此，铁路一二级负荷一般采用双回路电源供电，或“手拉手”环 网供电。 4 ) 多专业分头管理 铁路电力系统并非由电力专业一家管理。电力专业一般只管理高压侧到 低压变压器，低压变压器出线后则由其他专业，如电务段、车站等单位管理。 另外作为电力自动化基础的通信部分也由电务段或铁通公司经营。显然，与 地方电力系统的独家管理相比，铁路电力系统多头管理，容易造成协调困难、 责任不清、相互扯皮等现象 1 4 变配电站综合自动化系统 这是铁路电力自动化系统的基本单元。主要完成变配电站内部的自动化 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 功能，包括保护、监视、控制和故障录波，以及向上级主站转发数据等。 具体包括： ( 1 ) 变配电站综合自动化，主要包括变电站常规保护、s c a d a 监控、 当地自动化监控管理功能。 ( 2 ) 与车站开关监控配合完成线路自动化功能，如故障定位、故障隔离、 快速恢复供电等。 ( 3 ) 向水电段调度中心转发变电站和附近车站自动化装置的实时数据， 并接受主站下发的遥控、遥调命令 ( 4 ) 视频监控系统是变配电站自动监控和管理的必要补充。 目前铁路系统内的变配电站自动化系统各部件之间的联系许多采用串行 口一点对多点通信方式( r s 3 2 3 ) ，其通信速率和资源共享程度均受到限制， 故建议采用总线型网络结构，如现场总线( r s - 4 8 5 、c a n 、l o n 等) 或工业 以太网( t i ：p p ) ，这样网上每个节点都可以与网上其他节点直接通信，提 高了通信速率，减少了布线的复杂性 变配电站内存在较强的电磁场干扰，特别是电气化铁路沿线的交配电站 干扰更为严重。从抗电磁干扰角度考虑，在选择通行介质时可优先采用光纤 通信方式，这一点对分散式变电站自动化系统尤为适用。但鉴于光纤安装、 维护复杂及费用相对较高，一般的交配电站可以采用屏蔽电缆或电缆作为通 信介质。 1 5 论文的主要工作及章节安排 本文针对牵引变电站综合信息传输中的通信方案进行了研究，着重从流 量控制和带宽划分的角度研究解决综合信息传输中的流量冲突问题。论文首 先分析了变电站综合信息传输的整体网络和传输平台，提出组建环网和构建 分层分布式综合信息传输平台。为满足综合信息传输的o o s 要求，本文提出 基于变电站局域网的综合信息流量控制系统，对每项业务设置优先级、限速 等功能以及对变电站局域网进行带宽划分，可以保证综合信息的传输质量， 满足生产、管理要求。论文最后设计了三种方案并进行了测试，证实了其可 行性。 全文章节安排如下： 第1 章概述了该文章的选题背景和牵引变电站信息传输的现状、发展， 深入分析了电力综合信息传输中存在的问题，并就相关研究现状作了概述。 最后介绍了本文研究的主要内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章主要对牵引变电站综合业务的整体通信网络构架进行研究和详细 分析，指出各类信息单独传输的不足。基于s d h 环网，设计变电站至主站间 的通信方案 第3 章主要研究综合信息的网络传输平台，包括传统式和分层分布式两 种传输平台并对对变电站综合信息业务类型和其传输q o s 要求进行详细分 析，引出综合信息传输存在的q o s 问题。 第4 章主要对综合信息传输网络中的q o s 进行详细分析，介绍几种基于 网络设备、信息源端和网关实现q o s 的方法，提出了全局化的综合信息传输 控制构想。 第5 章主要设计三种基于环网的综合信息传输方案。并对各个方案进行 模拟测试，证实其可行性 结论为全文总结，并对该综合信息传输方案应用到实际铁路电力通信网 中将出现的问题作了预测，并给出了解决办法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章牵引变电站信息综合传输的整体通信网络 2 1 牵引变电站信息传输通信网络浅析 2 1 1 网络传输介质 网络传输介质是网络中传输数据、连接各网络站点的实体。网络信息还 可以利用无线电系统、微波无线系统和红外技术等传输目前常见的网络传 输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等。 光纤是最理想的传输媒介，其特点是传输容量大，传输质量好，损耗少， 但成本很高，适合网络主干线。 同轴电缆也是一种常见的网络传输媒介，有粗缆、中同轴和细缆之分。 目前有线电视采用这种传输媒介，适合短距离通信。 双绞线目前主要用于电信网络和局域网络。 无线通信包括长距离的卫星通信、微波通信，其传输性能、容量不如光 纤。但有较大的灵活性，可以在短时间内构造一个长距离的网络h “”。 交配电站内存在较强的电磁场干扰，特别是电气化铁路沿线的变配电站 干扰更为严重。从抗电磁干扰角度考虑，在选择通行介质时可优先采用光纤 通信方式，这一点对分散式变电站自动化系统尤为适用。 2 1 2 常用通信方案 铁路电力自动化系统中常用的各种通信方案包括现场总线、工业以太网、 无线局域网、铁路电话网络、数字通信网络、光纤通信、无线通信以及 g s m g p r s 通信等。主要几种通信方案的有缺点及适用范围如表2 - i 所示： 表2 - 1 各种通信方案比较 支持 通信介 性能 带宽接口造价适用范围 视频质 现场总 屏蔽双 线一般几十 良好，可绞线、双r s - 4 8 5 “2 变配电所、车站 ( 4 8 5 c不支弘几较低 靠绞线、光2 等 等内部通信 a n ，l o 持m 缆等 n 等) 以太网良好，开 支持 1 0 m ， 双绞线、变配电所、车站 e e 8 0 2 x 较高 工业以放性好，1 0 0 m 光缆等等。采用光纤介 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 太网 可靠 质时，可用于主 站到站端设备 之间的远距离 传输 专线性 适用于调度主 能较好， 不支 几百 r j 1 1 ，r s 站到站端设备 电话网 其他较字节双绞线较低 差，传输 持 2 3 2之间的远距离 一几k 距离远 传输 一般借 数字通 n x 用既有适用于调度主 信网络“kg 7 0 3 v 3 5 良好，可光缆、双 网络，需站到站端设备 ( s d h 、支持n m 【，2，i e e b 8 0 2 靠绞线要路由之间的远距离 t m i s3 等 器，成本传输 等)3 2 较高 抗干扰电接口：即适用于变配 光纤( 自 能力强。骼- 2 3 獬电所、车站内部 几百 5 m e 】b 8 0 2高，施工通信，也适用于 动化专 传输距 支持k p 几光缆 离基本3 复杂调度主站到站 用)m 不受限光接口：端设备之间的 制s t 、f c 等远距离通信 其中，基于s d h 光网络的自动化通信方案是一种优秀、发展势头良好的 通信方式。关于其详细内容将在后面讲述。 2 1 3 系统软件 系统软件是面向计算机系统的软件。它的主要功能是对整个计算机系统 进行管理、监视和服务，还可为用户使用机器提供方便，扩大机器功能，提 高机器使用效率等。系统软件主要指计算机的操作系统，数据库和编译程序 也可以算作系统软件。 目前，国内常用的操作系统有微软公司的w m d o w s9 x m e 、w i n d o w s n t 2 0 0 0 以及u n i x 、l i n u x 等 ( 1 ) w i n 3 2 系列 w i n d o w s9 x m e 操作系统主要面向个人用户办公或娱乐使用，一般不适 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 合于执行严格的企业任务。 w i n d o w sn t 2 0 0 0 操作系统专门为部门用户和企业用户设计，具有良好 的系统稳定性和运行性能，能够承担复杂、繁重合严格的企业任务，而且建 立在该平台的各种软件工具如开发、编译工具等非常丰富，使用方便，因此， w i n d o w sn t 2 0 0 0 操作系统尤其是2 0 0 0 是目前国内外使用最为广泛的操作 系统。 但正是由于它的易操作性以及最大众的特点，w i n d o w s 操作系统也是受 到病毒攻击最严重的特别是众多的网络病毒简直是防不胜防，再加上操作 系统本身的缺陷，很容易造成系统死机或瘫痪 ( 2 ) u n i x u n i x 操作系统是世界上性能最稳定、最可靠、扩展最方便的操作系统， 而且不易受令计算机业界大感头疼的病毒的干扰，这也是u n i x 操作系统历久 不衰的重要原因但是因为它有使用复杂、支持开发的工具少、各厂家提供 的版本不统一等弊端，限制了大规模推广使用，一般适用于重要用户或要求 特别严格的大企业用户。 u n i x 和w i n d o w s 各有其优缺点，目前有一种构造u n i x 和w i n d o w s n t 2 0 0 0 混合平台的发展趋势，服务器选用u n i x ，而客户端工作站选用 w i n d o w s 。 ( 3 ) l i n u x l i n u x 操作系统是近几年兴起的自由共享软件，它除具有性能稳定、安 全性高、扩展方便等特点外，还具有源码公开、免费使用、允许自由修改的 特点，因此，受到了专业人士，特别是计算机爱好者以及政府机构的推崇。 但l i n u x 系统平台上的应用软件极为贫乏，特别是没有统一的规范，后续服 务很难保证，限制了它在自动化领域的推广和应用。 相同平台的计算机组合而成的系统，称为同构平台系统。这也是电力调 度自动化主站常见的配置模式，主要有以下几种： 1 ) 采用w i n t c l 平台，即硬件选用p c 机和p c 服务器，操作系统选用w i n 3 2 操作系统，如w i n d o w sn t 2 0 0 0 工作站服务器版； 2 ) 采用r i s c - u i n x 平台，计算机选择r i s c 工作站和服务器，如m m p o w e r 系列、或h pa l p h a 系列、或s u nu l t r a s p a r c 系列产品，掇作系统 选用u i n x 。 3 ) 采用x 8 6 计算机或r i s c 计算机，操作系统选用l i n u x 。 以上三种模式中，模式1 具有系统结构简单、造价低、用户群普及等优 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 点，适合一般铁路电力用户使用；模式2 系统复杂，造价高，对操作、管理 人员的要求高，但可靠性、稳定性、系统处理能力以及扩展能力都十分优秀， 适合大型企业或要求比较严格的企业使用；模式3 中，l i n u x 操作系统是自 由软件，可以免费获得，因而系统成本相对较低，但其技术支持、售后服务 以及应用软件的支持都比较欠缺，在企业应用中获得推广尚需时日。 目前业内有一种构造w i n d o w s 和l i n u x 混和平台系统得发展趋势系统 服务器强调的是网络支持和系统的安全性、稳定性，易选用l i n u x 操作系统； 而提供人机界面的系统工作站需要的是操作和维护的简单易用，易选用 w i n d o w s 操作系统。混合平台系统集两种操作系统的优点于一体，具有很强 的生命力。 2 2 信息综合传输的通信网络 2 2 。1s d h 工作原理 随着铁路建设的快速发展，为了满足铁路电力系统生产运行、调度自动 化对通信网的要求，一些新的通信技术、通信设备在铁路远动系统得同兴旺 中正逐步得到推广和应用。其中，s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同 步数字体系架构) 光网络应用最为广泛。这主要是由于铁路系统拥有丰富的 s d h 光网络物理资源，而且技术成熟、服务资源丰富，是电力调度自动化系 统和其他数据传输业务的理想的通信平台；立足于s d h 技术，拓展数据增值 业务，也符合铁路通信专网运营商( 铁通公司) 的发展策略 s d h 由几种基本网络单元组成，终端复用器( t m ) 、分插复用器( a d m ) 、 再生中继器( r e g ) 和同步数字交叉连接设备( s d x c ) 1 ) 终端复用器( t m ) 1 m 的主要任务是将低速支路信号纳入s t m 1 帧结构，并经光电转换成 为s t m 1 光纤路信号，其逆转过程正好相反。 在传统的准同步数字( p d h ) 网络终端中，首先将2 m b i t s 的电信号经 过逐级复用，复用成1 4 0 m b i t s 的高次群电信号，然后再通过电光转换变为 光信号输出，在s d h 网中，终端复用器是用综合的终端代替了多个分立的复 用器，一次完成复用功能，并同时进行光，电转换，然后将其送入光纤。如下 图2 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 电源公务告警t m n 接口 1 5263 4 4 51 柏1 5 5 图2 - 1t m 信号流图 2 ) 分插复用器( a d m ) a d m 将同步复用和数字交叉连接功能综合于一体，具有灵活地分插任 意支路信号的能力，在网络设计上有很大的灵活性。另外a d m 也具有电光 转换、光电转化功能如下图2 - 2 所示： 电源公务告警t m n 接口 2 m b i t $ ( 电信号) 图2 - 2a d m 信号流图 3 ) 再生中继器( 1 也g ) 再生中继器( r e g ) 是光中继器，其作用是将光纤长距离传输后受到较 大衰减及色散畸变的光脉冲信号转换成电信号或进行放大、整形、再定时、 再生为规划的电脉冲信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输， 以延长通信距离。 4 ) 同步数字交叉连接设备( s d x c ) 数字交叉连接设备( d x c ) 的主要作用是实现支路之间的交叉连接。这 个支路的含义是广义的。在p d h 中支路指的是p c m 各次群( 也叫p d h 支 路信号) ；在s d h 中d x c 实现交叉连接的支路可以是个同步模块s t m n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( n = 1 、4 、1 6 、6 4 ) ，也可以是更低等级的信号，包括p d h 的各支路信号及 各种虚容器；在数字数据网( d d n ) 中，本地局内的d x c 其交叉连接的支 路指的是6 4 k b i t s ( 或3 2 k b i t s 、1 6 k b i t s 及8 k b i t s ) 的信号，而在骨干节点 机中的d x c 其交叉连接的支路指的是p c m 各次群。 d x c 的基本功能包括： ( 1 ) 电路调度功能； ( 2 ) 业务的汇集和疏导功能； ( 3 ) 保护倒换功能； 另外，d x c 还具有宽带业务、网络恢复、不完整通道段监视、测试接入 等功能。 综上所述，d x c 实质上是兼有复用、配线、保护，恢复、监测和网络管 理等多种功能的一种传输设备 d x c 的作用与数字电话交换机不同。交换机实现的是用户之间动态连 接，用户有权改变这种连接；而d x c 实现的是支路之间的交叉连接，是半 永久性的连接，用户无权改变这个连接，这个连接的改变由网管中心来控制。 同时d x c 能够提供上下话路功能、网关功能以及路由选择功能。除此之外， 由于d x c 代替了配线架和复用器，因而各个信号的定时信息必须能够从所 传送的信息中提取，因此d x c 具有定时透明性；而普通数字交换机是以一 个基本话路为交换单元，因而仅需几分钟便能完成交换任务，通常可同时实 现数千乃至数十万路的电话交换，并允许出现阻塞现象。 实际中常常把数字交叉连接的功能内置在a d m 中，或者说a d m 包括 了数字交叉连接的功能。 2 2 2 远动系统骨干通信网络 2 2 2 1 概述 系统骨干通道基于铁路专用光纤通信网络2 m 通道，由2 m 通道组成综 合信息传输的通信网络，由该网络向远动信号、视频信号提供传输接口。 段调度中心距离通信站较远，为了保证通信可靠性，采用光纤作为传输 介质；考虑到通信专业和电力专业以通信专业的e l 接口为界，为了保证两 个专业管理职责界限分明，在e 1 接口处安装光电转换器，实现光电转换， 以便远动信号和视频信号的长距离传输。 远动系统骨干通信网络结构如图2 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 m 图2 - 3 骨干通信网络结构图 2 2 2 2 通道拓扑结构 通信信道网络是信息综合传输的关键通道结构和传输速率的不同，直 接影响到系统的实时性、可靠性和设备配置及设备投资通信信道拓扑结构 可分为以下几种： ( 1 ) 星型结构( i 型) 该通道结构的优点是各个变电所到监控中心都有一条独立的通道，不存 在通道共享而带来的通道竞争问题，多个变电所可以同时与监控中心通信。 因此，其实时性是所有通道结构中最好的一种。其中任何一条通道故障，都 不影响其它通道的通信：缺点是占用通道资源太多，在信道资源紧缺的情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 下，这种方法不太适用，尤其对旧线改造项目。 ( 2 ) 星型结构( i i 型) 与i 型星型结构不同处是，型星型结构的监控中心到通信中心之间， 只占用一个通道而不是n 个通道。这种通道结构的优点是监控中心的通信设 备比i 型少n 1 个，缺点是实时性比i 型星型结构差 ( 3 ) 总线结构 该通道结构优点是各个变电所到监控中心共用一条通道，实现了资源共 享，节省了通道资源，特别适合铁路现场情况。每个变电所都可以同时收到 监控中心下发的信息，通过站地址来判别是否为本站信息。这种结构的缺点 是由于各个变电所共用一条通道，如不采用合适的通信协议，容易造成通道 竞争而发生通信冲突建议采用p o l l i n g 规约或异常自发规约。这种结构 的另外一个缺点是，如果通信干线某处故障，则整个系统的通信都可能受到 影响，因此这种通道结构对通道的可靠性要求比较高。 ( 4 ) 环引( 链式) 结构 该通道在拓扑结构上类似于总线型通道，其优、缺点也与上述总线型通 道类似。不同之处在于，某个变电所收到的下行信息是前变电所转发下来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的，而该变电所上送监控中心的信息也要通过前一变电所转发。如果线路某 处发生故障，则故障点之后的通信无法进行，而故障点之前的通信不受影响。 但这种结构与总线型通道相比，信息传输会有一定程度的延时，最后一站的 延时最大。 与电力系统s c a d a 的辐射状分散结构中典型的点对点星形通信不同， 牵引变电站沿电气化铁路线分布，物理布局多采用链式环结构，要求通信网 络拓扑也采用类似结构，同时考虑到带宽限制，各变电站与调度主站的通信 需分时共享信道，以解决多个变电站的数据竞争通道问题 2 2 2 3s d h 自愈环网 采用e 1 ( 2 m ，g 7 0 3 ) 通道构建环型数字通信网络。网络上的通信节点 包括远动主站、变配电站自动化系统或r t u 等，通过必要的通信设备与通信 网络连接，每个节点预留两个2 m 口，每个节点都可以在两个方向的2 m 数 字通道上收发数据，两个方向的通道互为备用，当一个方向的通道故障或检 修时，数据可以通过另一个方向传输，两个通道之间自动切换，以提高通信 的可靠性。每个通信节点设置一套引入设备，作为一个。三通”，将两个e 1 接口和1 个局域网接口连通。变电站节点向主站节点发送数据时，数据由局 域网发送至广域网口，然后送至主站；接收主站数据时，是本节点的数据“留 下”，不是本节点的数据则转至下一级，直到找到目标为止如下图2 - 4 所示： 主站 e 1e 1 变电站1变电站n e 1e 1 变电站2 图2 4s d h 自愈环网 这种通信方案具有如下优点： 1 ) 通信网络由2 m 通道组成环型冗余通道。数据在传输时，具有带宽高 传输速率快的优点，两个方向的环型通道又能互为备用，提高通信可靠性， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 同时还可以均衡负载，提高通信效率。 2 ) 占用s d h 的带宽少。整个远动系统置仅占用了s d h 的两个基群( 2 m ) 通道，却能够把主站和所有变配电站连接起来 3 ) 扩展性好。当采用路由器做引入设备时，局域网端支持皿e 8 0 2 3 和t c p i p 协议，加装工业s w i t c h 后可以在现场组成工业以太网，扩展性 能好，可以接入的节点数量理论上不受限制。 2 2 2 4 引入主站通信方案 远动系统和视频系统要求分别接入电力远动主站和视频调度系统。 在主站端对远动数据和视频数据的要求是，既要避免两类数据业务互相 干扰增加网络流量，又能确保方便地交换信息，实现远动视频一体化管理。 因此，引入设备局域网端应提供两个端口：口蕾动和口麓囊，站端远动数据的 目标地址为口近琦，而变配电站数字硬盘录像机( d l ) 的目标地址则为i p 枉簟，这样，混合传送的数据业务，在调度端就可以实现分离了。如图2 5 所 示： 图2 - 5 远动数据、视频数据引入主站的通信方案 由于视频数据量比较大，为了分割网络流量，视频调度系统与电力调度 系统自动化主站之间一般采用网桥或v l a n 方式连接，这样，既可以交换必 要的信息，实现一体化调度，又能分割网络流量，减轻网络负载，提高网络 性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 对于视频监控点比较少的小系统，也可以采取不单独建设视频监控系统， 而与自动化系统共享主站计算机的办法：自动化调度工作站同时作为视频工 作站，自动化数据库服务器同时作为视频服务器。 2 3 本章小结 本章主要对牵引变电站综合业务的整体通信网络构架进行了研究和详细 分析，指出各类信息单独传输的不足。基于s d h 环网，设计出了变电站至主 站间的通信方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章牵引变电站信息综合传输网络平台 3 1 概述 现今的牵引变电站综合监控系统在传统“四遥”( 遥测、遥信、遥控、遥 调1 信息的基础上，己经引入了视频、图像、声音等多媒体信息 在这种信息交互极度扩张的形势下，目前的牵引变电站信息传输仍停留 在各种信息分离传输的阶段，具体情况是：常规远动通信采用以微波和载波 为主的远动通信网络；变电站故障录波信息等大多采用公用电话网传输；变 电站遥视功能出现后，视频信息则采用专用宽带信道这种分离传输造成了 严重的资源浪费、重复投资，导致整个系统可维护性差，升级困难，尤其不 能面向未来大信息量的融入 为满足变电站信息业务不断扩张的趋势，实现多种信息业务网络综合传 输，因此首先必须构建变电站综合信息网络传输平台构建综合信息网络传 输平台目的就在于实现各类信息业务的网络传输。 z 2 网络传输平台 我国变电站变配电所自动化工作十几年来发展迅速。9 0 年代初，国内 电力系统开始研制和生产集中式的变电站自动化系统，它将传统变电站二次 部分的保护、控制、信号、测量、远动等功能分类集中处理，基本上仍保留 原有变电站二次部分的分工界限，因此也称为“变电站集控装置”；9 0 年代 中期开始研制分散式变电站自动化系统，主要是将原来“集控台”上面向间 隔层的功能，分布到各一次设备“间隔单元”中去，即功能下放，而站内全 局性的监控以及与上级主控站的通信处理功能单独形成为站控层。目前，“分 层分布”式已经成为变电站自动化技术的主流，特别适用于像铁路变配电站 这样的中低压变电站，并逐渐向高压变电站发展。 3 2 1 变电站信息传输的传统模式 传统模式又称集中模式，就是目前国内应用最普遍的远方终端装置 ( r t u ) 加上当地监控系统( 又称当地功能) ，再配上变送器、遥信转接、遥 控执行、u p s 等屏柜，见下图3 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图3 - 1传统模式变电自动化系统结构 当采用交流采样r t u 时，可省去变送器屏柜。站内保护装置的信息可通 过遥信输入回路( 即硬件方法) 进入r t u ，亦可通过串行口按约定的规约通 信( 即软件方法) 进入r t u 此模式适合与1 0 k v 巧o o k v 的各种电压等级不 同规模的变电站。根据用户不同层次的要求，其当地功能的配置可为1 台p c 机，也可以选择双机冗余配置，以提高系统得可靠性。 该模式主要适应于现有的传统变电站技术改造。由r t u 集中完成站内数 据采集功能，上级调度主站或当地监控系统通过r t u 完成对变电站的控制， 继电保护仍延用原有的装置，但要能在故障情况下向r t u 、上级主站报告保 护动作信息。 3 2 2 分层分布式综合信息网络传输平台 结构和功能上分层分布在互联网中得到广泛的应用，并取得了良好的效 果，为牵引变电站网络传输平台的设计奠定了理论和实践基础n “q 。 9 0 年代以来，分布式变电站自动化技术发展迅速，特别是在3 5 k v r 1 0 k v 变配电站中大量采用该技术，即将传统变电站自动化系统的全部功能或部分 功能，如保护、测量、控制、计量及录波等集成为一体，下放至变电站电气 间隔层，各种一体化自动装置之间通过现场总线或工业以太网连接起来构成 站级计算机监控系统，必要的数据可以通过网络送给变电站层自动化系统， 进行集中管理，也可以将数据发送至远方的控制中心。这种模式比较适合与 新建铁路变配电站。 分布式变电站自动化系统的主要特点就是采用面向间隔层一体化保护监 控器，这种一体化装置集间隔层单元的保护、监控、远动及通信等功能于一 体。各间隔层保护监控器之间及间隔层与站级微机之间经站内通信网互连， 各种面向间隔层保护监控装置可以在主控室集中组屏，也可在配电间隔或开 关柜上分散布置