（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路牵引供电自动化网络通信系统研究.pdf

第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文控制网络实时性、可靠性，实现了p s d s 与t s a s 之间真正意义上的无缝连接。利用排队论，讨论了通信c p u 处理能力与输入缓冲区大小的关系，输入报文到达率与缓冲区大小的关系。得到了通信接口硬件的设计原则，为工业以太网通信接口硬件设计中c p u 的选择提供了依据。利用o p n e t 对t s a s 采用总线式、交换式、分布交换式以太网方案进行系统仿真，在相同的条件下，仿真结果表明，分布交换式以太网优于总线式和交换式以太网，且改进了以太网数据时延确定性，避免了冲突利用故障树分析法，在元件可靠度相同的条件下，比较现有的p s d s 网络结构和本文提出的2 路双环s d h 网络结构的可靠性，结果表明2 路双环s d h 网络可靠性优于现有的p s d s 网络结构；比较了t s a s 中采用交换式和分布交换式以太网的可靠性，结果表明分布交换式以太网可靠性大大高于交换式以太网。综上所述，p s d s 采用2 路双环s d h 网络结构，t s a s 采用分布交换式双环光纤自愈以太网，采用最短路径、故障自愈和故障定位算法，将是高速铁路t p s a s 通信的一个较好的选择。基于本文所提出的分布交换式工业以太网架构，论文研究了i e c 6 1 9 5 0标准在t s a s 的实现过程，从l e d 建模、数据对象和服务建立，g o o s e g s s e特殊映射，m m s 应用，实时操作系统，到硬件设计( i e c 6 1 8 5 0 标准对硬件是有特殊要求的) ，i e d 和变电站层配置软件研究。关键词高速铁路：牵引供电自动化系统；工业以太网；通信实时性；通信可靠性西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页a b s t r a c t0 u rc o u n t r y sr a i l w a yc o n s t r u c t i o nh a se n t e r e dan e wd e v e l o p m e n tp e r i o da tah i g hs p e e d t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a ya r ef u r t h e rs p r e a d i n go u t i nf a c eo ft h ec o m p e t i t i o no fa d v a n c e dt e c h n i q u ef r o mj a p a n ，g e r m a n y ，f r a n c ea n de t c ，i ti ss i g n i f i c a n tf o ru st or e s e a r c ho nt p s a s ( t r a c t i o np o w e rs u p p l ya u t o m a t i cs y s t e m ) f o rh i g h s p e e dr a i l w a y ) w i t hs e l f - i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t p s a sw i t hc o n t r o la u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ni st h ef o u n d a t i o no fr e l i a b l eo p e r a t i o no fh i g h s p e e dr a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c hc a nb ei n s t e a do fi m p o r ta n da l s oc a ns a v ef o r e i g ne x c h a n g e ，n a t i o n a li n v e s t m e n t ，a tt h em e a n t i m e ，i st h ei m p o r t a n tt e c h n i c a le q u i p m e n tf o rt h eu r g e n tn e e do fh i g h s p e e dr a i l w a y t h ek e yp r o b l e mi sc o m m u n i c a t i o nt or e a l i z et p s a s c o m m u n i c a t i o np r o b l e mh a sb e c o m et h em o s tk e r n e lp r o b l e mf o rt h et p s a sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i ti sv e r yh a r dt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fm a n a g e m e n ta n dc o n t r o la tat r u em e a n i n gt o d a yb e c a u s eo ft h ec o m p l e xo ft h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sb e t w e e np s d s ( p o w e rs u p p l yd i s p a t c h i n gs y s t e m ) ，t s a s ( t r a c t i o ns u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e m ) ，p s m i s ( p o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，o h l s ( o v e rh e a dl i n e ) s e c t i o n ，d e t e c t i n gc a r ，t h em a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n tc e n t e ro ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l y , t h em a n a g e m e n td e p a r t m e n ti nr a i l w a yb u r e a u ，e t c ，t h ed i s o r d e ro ft h ei n f o r m a t i o nf l o w ，a n dt h eu n d e f i n e dd e m a n da n da s s i g n m e n t t h ep r o b l e mo f 。i s o l a t e di s l a n do fi n f o r m a t i o n ”e x i s t si nt h em e a n t i m e o nt h eb a s i so ft a k i n gi n t oa c c o u n to fs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ew h i c ht h ec o n t r o li n f o r m a t i o nf l o wa n dt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nf l o wa r es e p a r a t e dt h o r o u g h l y ，t h ei n p u ta n dt h eo u t p u ti n f o r m a t i o nf l o wo fe v e r ys u b - s y s t e mo ft p s a si ss t a n d a r d i z e d 。t h ei n t e r f a c ea n dr e q u i r e m e n t so fe v e r ys u b - s y s t e ma r ep o s e d ，t h e n ，t h ew h o l ei n f o r m a t i o nf l o w o ft p s a si sp l a n e d a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d i z a t i o nr e q u i r e m e n to fr a i l w a y ，r e l a t e di n f o r m a t i o nd a t ad i c t i o n a r yi sr e s e a r c h e d 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t so ft p s a si n f o r m a t i o nf l o w ，o nt h eb a s i so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so ns e r v i c e ，t h es o l u t i o np l a no fn e t w o r k ss t r u c t u r ef o rt p s a sw a sb r o u g h tu p t h er e a l t i m eq u a l i t yo ft h et p s a si sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h er e a l - t i m eq u a l i t yo fn e t w o r k sc o m m u n i c a t i o no ft s a sa n dc e n t r e ln e t w o r k so fp s d s t h r o u g hs t u d y i n gd e e p l ye t h e r n e tt e c h n i q u e ，c o m b i n i n gt h et s a sr e a l t i m en e e d so ft p s a s an e wi n d u s t r i a lc e n t r e le t h e r n e ts o l u t i o np l a n ：t h ed i s t r i b u t e da n de x c h a n g e dd o u b l e l o o po p t i c a ls e l f - r e p a i r e de t h e r n e tw a sb r o u g h to u t t h er e s e a r c ho ft h ep l a nw a sc a r r i e do u ta sf o l l o w ：t h ec o m m u n i c a t i o nu n i ta n di n t e r f a c eh a r d w a r eo fi e d ( i n t e i i i g e n te l e c t r i cd e v i c e )i nt s a sw a sd e s i g n e di nd e t a i l t h em o s ts h o r tp a t ha l g o r i t h mb a s e do nr e a l - t i m ed a t ap a s s a g e w a ya n dt h em o s ts h o r tp a t ht a b l ew a sb r o u g h tu p ，t h er e a l - t i m eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o nw a sr a i s e d t h ec o m m u n i c a t i o nf a u l ts e l f - r e p a i r e da n df a u l tl o c a t i o na l g o r i t h mw a sg i v e n ，s ot h a tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw a se a s i l yu p h e l d ，t s a sw i t hn o b o d yo nd u t yi se a s i l yr e a l i z e d ，t h ep l a nm a ym e e tt h er e q u i r e m e n to fn e t - b r o k e nt i m eo fi n d u s t r i a le t h e r n e t w i t ht h ei d e ao ft h em o s ts h o r tp a t h 。t h er e a l i z a t i o np l a no fp s d sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sb a s e do nc o m m o ne t h e r n e tw a sb r o u g h to u t t a k i n gf i e l de n v i r o n m e n ti n t oa c c o u n t ，i n d u s t r i a ld i s t r i b u t e da n de x c h a n g e dn e tc o m m u n i c a t i o nu n i th a sb e e nd e v e l o p e d s o ，t h er e a l - t i m eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep s d sc o n t r o ln e t w o r k sh a sb e e ni m p r o v e d ，t r u el i n kw i t h o u tg a pb e t w e e np s d sa n dt s a sm a yb er e a l i z e d w i t hq u e u et h e o r y t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep r o c e s sa b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o nc p ua n dt h es i z eo fi n p u tb u f f e ra n dt h er e l a t i o nb e t w e e nr e a c h r a t i oo fi n p u tt e l e g r a ma n dt h es i z eo fi n p u tb u f f e rh a v eb e e nd i s c u s s e d ，s ot h a tt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r eo fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew a sc a r r i e do u t t h ep r i n c i p l ep r o v i d e sf o u n d a t i o nf o rt h ec h o i c eo fc o m m u n i c a t i o nc p ui nh a r d w a r eo fe t h e r n e ti n t e r f a c ed e s i g n w i t ho p n e t 。s y s t e me m u l a t i o na b o u tb u s t y p e ，e x c h a n g e t y p e ，d i s t r i b u t e d - e x c h a n g e d - t y p ee t h e r n e ti nt s a sw a sc a r r i e do u t t h ec o n c l u s i o no fe m u l a t i o na p p e a r st h a tt h ed i s t r i b u t e d - e x c h a n g e d t y p ei sb e t t e rt h a nb u s t y p ea n de x c h a n g e - t y p ei nr e a l - t i m eq u a l i t y ，i m p r o v et h et i m e - d e l a y西南交通大学博士研究生学位论文第v 页d e t e r m i n a t i o no fd a t et r a n s m i s s i o ni ne t h e r n e t ，a v o i dt h ed a t ec o l l i s i o n w i t ha n a l y s i sm e t h o do ff a u l tt r e e ，o nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ed e g r e eo fr e l i a b i l i t yo fc o m p o n e n to ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss a m e ，c o m p a r i n gn e ts t r u c t u r eo fp s d so ns e r v i c ew i t h2w a y sd o u b l e - l o o ps d hn e ts t r u c t u r ep o s e di nt h i sp a p e r ，i tw a sa p p r o v e dt h a tt h er e l i a b i l i t yo f2w a y sd o u b l e - l o o pn e ts t r u c t u r ei sb e t t e rt h a nn e ts t r u c t u r eo fp s d so ns e r v i c e c o m p a r i n ge x c h a n g e t y p ee t h e r n e tw i t hd i s t r i b u t e d e x c h a n g e d - t y p ee t h e r n e ti nt s a s ，i tw a sa p p r o v e dt h a tt h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t e d - e x c h a n g e d t y p ee t h e r n e ti sb e t t e rt h a ne x c h a n g e t y p ee t h e r n e t s u m m a r i z i n ga b o v er e s e a r c h e s ，t h ep l a nt h a tp s d sa d o p t s2w a y sd o u b l e l o o ps d hn e ts t r u c t u r e ，t s a sa d o p t sd i s t r i b u t e da n de x c h a n g e dd o u b l e l o o po p t i c a ls e l f r e p a i r e de t h e r n e t ，t h em o s ts h o r tp a t ha l g o r i t h m ，t h ec o m m u n i c a t i o nf a u l ts e l f - r e p a i r e da n df a u l tl o c a t i o na l g o r i t h ma r ea p p l i e ds h o u l db eb e t t e rc h o i c ef o rc o m m u n i c a t i o no ft p s a sf o rh i g h s p e e dr a i l w a y o nt h eb a s i so fd i s t r i b u t e da n de x c h a n g e dd o u b l e l o o po p t i c a ls e l fr e p a i r e de t h e r n e t ，t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fi e c 6 18 5 0i nt s a sw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi sf r o mb u i l d i n gm o d u l eo fl e d ，e s t a b l i s h m e n to fd a t eo b j e c ta n ds e r v i c e ，s p e c i a lp r o j e c t i o no f g o o s e g s s e ，a p p l i c a t i o no f m m s ，r e a l - t i m eo p e r a t i o n ，d e s i g no fh a r d w a r ew i t ht h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fi e c 6l8 5 0 ，t or e s e a r c ho fi e da n ds u b s t a t i o n sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ，t r a c t i o np o w e rs u p p l ya u t o m a t i o ns y s t e m ，i n d u s t r i a le t h e r n e t ，c o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y ，c o m m u n i c a t i o nr e a l t i m eq u a l i t y西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定r 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文授予1 保密口，在2 不保密d年解密后适用本授权书；适用本授权书。( 请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：0 咖7 年，月如日日期：年月日西南交通大学学位论文创新性申明本人郑重申明：所提交的学位论文，是本人近年在导师的指导下，结合科研项目，进行研究工作所取得的成果。文中已注明的引用内容外，本论文不包含其他任何个人或集体已发表的研究成果。本人完全明自本申明所需承担的法律后果。本学位论文的主要创新点如下：l 、针对高速铁路牵引供电系统的可靠性、实时性要求，将牵引供电调度系统、牵引变电所综合自动化系统、牵引供电营运管理系统通过网络有机的连接在一起构成一个完整的牵引供电自动化系统，将自动化的概念从变电所升级到一条高速铁路。按照管理和控制分流的原则，对整个供电系统信息流进行了规划、整合，并提出了标准化接口和网络架构( 见第2 章) 。2 、实现高速铁路牵引供电自动化系统的关键是实时、可靠的网络通信。本文提出了一种工业以太网解决方案：分布交换式双环光纤自愈以太网( 见3 2 、3 3 、3 4 ) ，该方案从可靠性( 见4 4 ) 、实时性( 见4 3 ) 均优于现有的共享式、交换式以太网。在此基础上，提出了满足i e c 6 1 8 5 0 标准的全光纤变电所综合自动化系统实现方案( 见第5 章) ，该方案在可靠性、可维护性、实时性方面优于基于商用以太网的变电所综合自动化系统3 、研究了变电所综合自动化系统与供电调度系统、牵引供电营运管理系统的接口，实现了真正的以太网无缝连接，提出了更为可靠和强壮的牵引供电调度通信网络架构和通信策略( 见3 5 ，4 4 ) 对新建或改建供电调度通信网络系统设计有一定的参考意义。4 、利用排队理论，提出了一种以太网接口硬件设计的原则，对以太网通信节点硬件设计具有一定的参考价值( 见4 2 ) 学位论文作者签名：彻日期：3 n 7 年r 月如日西南交通大学博士研究生学位论文第l 页1 1 研究背景第1 章绪论1 1 1 研究意义我国铁路建设进入了新的一轮发展高潮，高速铁路的设计、建设正在深入展开，面对日、德、法等先进技术的竞争，研究具有自有知识产权的高速铁路牵引供电自动化系统( t p s a s ，t r a c t i o n p o w e r s u p p l y a u t o m a t i o ns y s t e m f o r h i g h - s p e e d r a i l w a y ) 是十分有意义的。这样就可以替代进口，节省外汇，价格也只是国外同类产品低廉的多。t p s a s 也是高速铁路必须配备的设旆，国外，如日本新干线，有一些类似的系统，一是技术壁垒，二是进入我国的技术水平也是比较陈旧的d - 7 l 。高速铁路的动力一般为电力牵引【9 1 ，列车速度快，行车密度高，特别是干线铁路，一旦线路发生故障，必须在最短时间内处理，否则会打乱整个铁路网的行车调度，后果是灾难性的。牵引供电系统作为铁路运行系统的一个子系统，必须是一个高可靠的系统。同时要求，一旦线路发生故障，必须在最短时间内切除故障，最短时间内恢复运行。这就对该系统提出了较高的实时性要求【8 】。牵引供电系统包括t p s a s 、交电设备、接触网以及相应的管理和维护机构 9 1 。在牵引变电所综合自动化系统( t s a s ，t r a c t i o ns u b s t a t i o ni n t e g r a t e d a u t o m a t i o ns u b s t a t i o n ) 在国内已研究成功，并已广泛推广使用的基础上，为了实现真正意义上的无人职守，必须建立高可靠的、可维护的、实时性好的管控一体化的t p s a s ，对整个牵引供电系统的一次设备进行管理和控制。保障牵引供电系统高效、安全、可靠的运行。一次设备包括变电所设备、接触网。变电所设备包括变压器、断路器、隔离开关，电容补尝设备等。t p s a s 的研究目的就是实现控制自动化、管理信息化。t p s a s 包括t s a s 、供电调度系统( p s d s ，p o w e rs u p p l yd i s p a t c h i n gs y s t e m ) 、牵引供电运营管理系统( p s m i s 。p o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、电气设备在线监测系统、视频及安全监控系统电气设备在线监测系统可以接入p s m i s ，视频及安全监控系统是相对独立的系统，由于本文讨论系第2 页西南交通大学博士研究生学位论文统通信的问题，所以本文的t p s a s 仅包括t s a s 、p s d s 、p s m i s 高速铁路t p s a s 需要解决的问题很多，例如，牵引供电方式，在新的供电方式下的保护、控制、测距、运行管理模式、变电设备实时监测、接触网的运行状态实时监测等问题。现代的自动化技术就是基于可靠通信的自动化技术的整合1 0 】，研究适合于中国国情和发展方向的可靠网络通信系统，是实现铁路t p s a s 的基础，这也是本文的主题。研究可靠、实时性好的网络通信系统，是实现管控一体化的t p s a s的基础，它的意义在于：研究标准化的变电站底层实时控制网络，是实现国际标准i e c 6 1 8 5 0的基础，也是实现整个t p s a s 的基础。研究和规划整个t p s a s 的数据流，能够达到各管理、维护部门各负其责，减员增效，提高处理突发事件( 如各种故障) 的能力，缩短抢修时间，提高运营管理水平。本论文所研究的通信系统应该是通用的、开放的，包括网络架构、网络接口、通信协议等，最终可形成供电通信标准。研究可靠有效的通信测试方法，为维护管理部门提供可行的检测手段。本论文是结合铁道部科技发展项目“铁路供电自动化系统的安全可靠性研究”( 合同号：2 0 0 5 j 0 1 7 ) 展开的，该项目主要研究系统的数据流、接口标准、信道架构、高速通信的实现，i e c 6 1 8 5 0 标准的实现、通信系统的可靠性等。1 1 2t p s a s如前所述，本文所研究的t p s a s 由t s a s 、p s d s 、p s m i s 组成，不包括视频系统。t s a s ，实现牵引供电系统保护、测量、控制、视频监控、安防、一次设备在线监测等功能。是t p s a s 的核心部分。p s d s ，统一指挥供电系统在正常及事故情况下的运行。并集中管理沿铁道线分布的许多牵引变电所、分区所和开闭所中的电力设备p ”】。p s m i s ，管理、维护电气化铁路沿线的变电所、分区所和开闭所中的电力设备、接触网设备( 接触网工区管理) i l “系统如图1 1 所示，电气化铁路沿线5 0 公里左右设有一座变电所，每个变电所之间根据需要，设有分区所或开闭所。p s d s 通过铁通公司提西南交通大学博士研究生学位论文第3 页供的信道，与每个变电所，分区所和开闭所相连。p s m i s 通过铁通公司或可靠的公众网单独提供的通道与每个接触网工区、变电所、分区所和开闭所相连p s d s 与p s m i s 有交互信息。p s d s 实现牵引供电系统的控制功能。p s m i s 实现牵引供电系统的维护管理功能当接触网发生故障时，t s a s 会自动切除故障，自动上报供电p s d s 和p s m i s ，p s d s 根据故障信息，进行相应的控制操作，保障电气化铁路正常运行。p s m i s 根据故障信息，可在p s d s 授权下，进行远方故障诊断和试验，利用p s m i s 的故障抢修预案，作出正确判断，在最短时间，抢修接触网，恢复铁路正常供电。p s m i s 与p s d s 、p s d s 与路局综合调度系统无缝连接，实现管控一体化。图l lt p s a s 示意图t p s a s 的各个组成部分是由网络信道联系在一起的，网络通道复杂多样【7 】，有局域网、无线网、现场总线以及铁路专用光纤通道等，通信规约有i e c 6 0 8 7 0 1 0 1 、1 0 3 ，1 0 4 等等，传输协议有调制解调、r s 2 3 2 、g 7 0 3 ，以太网等，同时设备又属于不同的制造商，这就导致了系统的规约转化多种多样，在旋工建设期间，各厂家忙于对规约，改规约。实践证明，在现场修改软件，又没有经过严格测试，这一方法是灾难性，留有系统故障隐患。在运行过程中，一但系统出现故障，所有的供货商又会相互推卸责任，影响铁路正常运行。在长期的工程实践中，每一个厂家的产品，也许在很多地方都得到了旦己皇草曼喜皇岳盘一5 皇第4 页西南交通大学博士研究生学位论文考验，一但通道结构发生变化或与之通信的产品发生变化，都可能陷入一种混乱的状态，开会、协调、改软件等等。综上所述，尽管电气化铁路已有四十多年的成功运行经验【9 j ，p s d s有近二十年的成功运行经验i l ”，t s a s 有近四年的成功运行经验，牵引供电管理信息系统也在部分路局推广使用，但这些系统相互独立、配置不合理、资源浪费、信息共享差、通信环节复杂等等问题，从而使整个t p s a s存在安全性、可靠性、可维护性等问题。因此研究通信问题，解决实时性问题，建立标准通信接口及通信规约，规范每个子系统的数据流，提出各子系统、通道的可靠性指标是实现t p s a s 的核心1 1 4 l 。1 2 国内外研究现状1 2 1 国外研究现状( i ) 国外t p s a s铁路运行速度超过2 5 0 k m h 的国家有：法国、德国、日本、意大利和西班牙。提高铁路运行速度，是铁路发展的必然趋势。9 0 年代后期，国外高速铁路发展进入了一个新的时期。国外高速铁路调度均采用集中控制方式。日本的新干线综合运输管理系统( c o s m o s ，c o m p o s i t et r a m cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 系统【2j 具有：运输计划管理、列车运行管理、维护作业管理、设备管理、p s d s 、信息集中监视、基地作业管理等多项功能将基地管理和维护作业等全部交由调度中心管理。p s d s 是该系统的一个子系统。其通信系统完全自成体系，与全世界范围的所有系统均不兼容，技术比较陈旧，现正在研制新一代c o s m o s 3 1 。德国铁路设置一个中央调度指挥中心和按区划分的7 个调度指挥中心。调度指挥中心按工作进程分为四个级别。调度指挥系统具有运输指挥、自动冲突解决、自动调度、信息服务等功能。所有的信号、道岔和各种运行设备都归调度指挥中心管理【i 】。法国和西班牙高速铁路其调度指挥系统，仅包括客运组织、机车车辆调度、行车组织等，p s d s 独立，与国内现状类似f 引p s d s 系统作为综合调度的子系统，国外也有较大的发展【”。 ( 2 ) 国外工业以太网以太网在全球范围已得到广泛应，企业资源计划层( e r p ，e n t e r p r i s e西南交通大学博士研究生学位论文第5 页r e s o u r s ep l a n n i n g ) 和工业控制的上层网络普遍采用以太网技术。由于以太网技术的发展，西门子的p r o f i b u s ! ”1 ，f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 的h s e( h i g hs p e e de t h e r n e t ) ，罗克韦尔的e t h e r n e t i p 等都是现场总线向以太网的延伸【2 们，但都不是真正的工业以太网，工业以太网应该是在技术上与商用以太网兼容( i e e e 8 0 2 3 标准) ，在材质的选用、产品的强度、适用性、可靠性、可互操作性、实时性以及本质安全方面满足工业现场需要。随着工业以太网技术的发展，工业以太网取代现场总线是技术发展的必然。国外许多学者提出了各种改进方法来提高以太网通信实时性【2 卜4 5 1 。如设计适当的硬件电路，限制节点访问网络的时间和速度，减少网络碰撞和排队延迟，来满足实时性要求；或采用软件调度策略对c s m a c d 机制进行改进，达到避免冲突或者更好地解决冲突的目的。e p l ( e t h e r n e tp o w e r l i n k ) 是目前唯一的具备微秒级精度的工业实时以太网协议，它是世界范围内广泛使用的一个国际标准，超过十万个以上e p l 节点已被应用于标准生产机械【4 “。e p l 由e p s g f e t h e m e n tp o w e r l i n ks t a n d a r d i z a t i o ng r o u p ) 管理，这是一个面向自动化领域最终用户，制造商及研究机构的开放组织。其目的是提供开放的工业以太网标准，使微秒级的实时响应，高可用性及安全机制成为可能。目前，e p s g 协会的会员包括a b b 机器人公司、阿尔斯通公司、a l t e m 、b o l d o r 、贝加莱公司( b & r ) 、赫斯曼公司( h i r s c h m a n n ) 、k u k ac o n t r o l s 、k ws o f t w a r e 、l e n z e 、倍加福公司( p e p p e r l + f u c h e s ) 和利乐公司( t e t r ap a k ) 等。该协议主要适用于高精密的机械行业，不适合于电气化铁路t s a s 的通信，但其中一些思想是可以借鉴的。最主要的，我们没有自主知识产权，具了解，协议只对会员开放，会员的代价是昂贵的。国际上成立了工业以太网协会( i n d u s t r i a le t h e r n e ta s s o c i a t i o n ) 4 9 1 ，并与a r ca d v i s o r yg r o u p 、a m rr e s e a r c hc e n t e r 和g a r t n e rg r o u p 等机构合作开展工业以太网关键技术的研究由于商业的原因，以前的现场总线之争，变成了工业以太网标准之争，m o d i c a n 公司的m o d b u s t c p 工业以太网，c i ( c o n t r o ln e ti n t e r n a t i o n a l ) 和d e v i c en e t 联合推出的e t h e r n e t i p 工业以太网，f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的h s e 高速以太网，p n o ( p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 组织提出的p r o f i n e t 工业以太网，都希望成为工业以太网国际标准的制定者，到目前为止，还没有一个真正的国际标准1 4 9 1 。第6 页西南交通大学博士研究生学位论文( 3 ) 国外变电所通信体系随着电子和通信技术的发展，电力通信体系越来越不适应于技术的发展，1 9 9 8 年，i e ct c 5 7 、e p r i 、i e e e 进行研究并达成共识。北美将其研究起草的i e e e 标准草案u c a 2 0 提交i e c ，由i e c 牵头继续负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准，该标准将是唯一的电力通信标准。全称为i e c 6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统系列标准从2 0 0 2 年开始发布，到2 0 0 6 年，除i e c 6 1 8 5 0 1 0 ( 一致性测试) 外，其余部分已全部出版 5 0 - 5 7 l 。最近研究表明，本来需要制定的变电站和供电调度中心通信协议标准i e c 6 1 9 7 0 可能被i e c 6 1 8 5 0 + 取代【5 引。i e c 6 1 8 5 0 是关于电力通信系统的第一个完整的国际通信标准体系，参考吸收了许多相关标准，包括i e c 6 0 8 7 0 5 、u c a 2 0 、i s o i e c 9 5 0 6 等1 5 ”。不仅定义了t s a s 的通信要求和数据交换，还对整个系统的通信网络和体系结构、对象模型、项目( 组织、配置、文档和安全运行) 管理控制、测试方法等进行了全面描述和规范。与现有的电力通信体系相比，i e c 6 1 8 5 0 有以下突出的优点；使用面向对象建模技术：采用分层、分布结构体系；使用抽象通信服务接口( a c s i ) 和特殊通信服务映射( s c s m ) 技术：实现i e d 的互操作性；提供自我描述的数据对象及其服务。i e c 6 1 8 5 0 不仅用于变电站内通信，而且将适用t s a s 和p s d s ，这样，从过程层到间隔层、间隔层变电站层、t s a s 到p s d s 均采用i e c 6 1 8 5 0 ，从而实现整个电力系统的无缝连接【6 0 击们。西门子、a b b 、g e 等公司在2 0 0 5 年左右相继推出了基于i e c 6 1 8 5 0的产品，但很明显的是，这些产品都是既有产品的升级，在一致性和通信方面还存在着一些问题1 6 ”。事实上，i e ct 5 7 工作组也意识到以太网将在i e c 6 1 8 5 0 标准中所扮演的角色，所有标准都是基于以太网实现的，尽管i e c 5 7 工作小组也知道以太网在实时性和数据确定性方面的缺陷，但由于其高的传输速率、成熟的技术以及非常好的性价比，以太网成为i e c 6 1 8 5 0 的推荐通信协议。当然还有一些提高变电所性能的研究1 6 弘7 1 1 ，但不是研究的主流方向西南交通大学博士研究生学位论文第7 页1 2 2 国内研究现状( 1 ) 国内铁路供电自动化系统我国自行研制铁路p s d s 上世纪8 0 年代开始在我国广泛使用，已经历了4 代的发展【1 3 l ，已比较成熟，基本可以替代进口同类产品。以西南交通大学研制的t s a s 2 0 0 2 年通过铁道部鉴定为标志，t s a s 在全路得到广泛的使用，技术日趋成熟，且具有自主知识产权，完全可以替代进口；p s m i s 已在成都铁路局全局、青藏铁路、兰州铁路局、郑州铁路局等推广使用，为铁路供电业务管理提供了有效的信息化服务手段。到目前为止，国内有几家公司能提供铁路所需要的类似产品，但与国外相比，我国的牵引供电自动化水平尚有一定差距，所有的系统都是独立运行，行车调度和牵引供电调度分开。p s d s 与p s m i s 没有连接；牵引变电所自动化水平参差不齐，有的牵引变电所为无人职守的变电所，有的牵引变电所还是传统的微机保护加r t u 模式，电磁继电保护变电所仍然在运行；在最近投运的几条客运专线，也没有统一的标准。为了研制具有自主知识产权的我国高速铁路综合调度系统，吸引国外先进经验