电力监控系统架构及其通信规约.docx

电力监控系统架构及其通信规约介绍摘 要：结合国内外城市轨道交通电力监控系统实际工程建设及运营的经验，详细分析了电力监控系统的架构和网络通信规约，阐述了ModBus和IEC 104协议在电力监控系统上应用的良好前景。关键词：城市轨道交通；电力监控系统；分层分布；通信规约；IEC 104目前，国内城市地铁建设如雨后春笋般蓬勃发展，正在筹建的城市有27个，已经得到国家批准建设的有22个之多，到2015年将有79条轨道交通线路，总长将达到2 260 m。城市地铁系统是一种多系统复杂、运载人数巨大的交通系统，必须保证其高度的安全性和可靠性，而电力监控系统则为整个轨道交通的安全运行提供基础保障。城市轨道交通电力监控系统主要是对全线各变电所、接触网上网隔离开关等电力设备运行情况进行分层分布远程实时监视和控制，处理由供电系统产生的各种异常事故和报警事件，保障供电系统的正常运行，同时提高供电系统调度、管理及维修的自动化程度，保证系统安全、保障地铁车辆及车站设备可靠运行。电力监控系统早期被广泛应用在铁道电气化远动系统上，如今随着城市轨道交通的迅猛发展，它走入了一个新的发展时期，并逐渐形成了具有城市轨道交通特色的电力监控系统。由于城市轨道交通对运营的安全性和系统的稳定性要求比大铁更加苛刻，所以地铁电力监控系统与大铁相比，具有更强大的接口处理能力，使控制信号屏与变电所内设备的通信更加快捷，具备更快速准确的数据处理功能，实时传输间隔层设备的遥控、遥信和遥测信息到变电所自动化系统，并通过综合监控系统软件平台，将全线各变电所设备的运行状况展现给电力调度人员，提供丰富的调度管理功能，达到中央集中监控，变电所分散控制的目的。随着计算机等通信技术的飞速发展和不断完善，电力监控系统网络正向开放、高速、综合的方向发展，并不断发展成在不同厂商设备之间采用统一的国际标准，这样的发展不仅大幅提高所内设备的互操作性，也指明了新的大型的综合监控系统的设计开发方向。1 电力监控系统分层分布式的系统架构电力监控系统采用最先进的嵌入式系统及光纤以太网技术，秉承实时分布式系统的设计思想，运用两级管理、三级控制的方式来使用和管理，利用标准的以太网接口统一繁杂的现场总线和各种接口，通过完善的EMI措施抵御变电所内强大的电磁干扰。它将全线各变电站的所有二次设备的数据经过网络流转后，实现变电站自动监视、测量和控制，使系统具备高可靠性、高安全性、高实时性的显著特点，提高变电站运行效率和管理水平。该系统采用三级控制方式，即控制中心远方控制、所内控制信号盘上集中控制和设备本体控制，其典型系统结构如图1所示。三种控制方式互相闭锁，以达到安全控制的目的。对于接触网上网电动隔离开关，在变电所内控制信号屏上设置当地/远方转换开关、相应的分合闸开关控制装置。OCC中央电力调度系统主要有远程分合闸控制、远方置数；数据采集处理与显示、各种报警信息处理；事故维修抢修调度等功能。调度人员在此进行日常控制、监视和调度管理等工作。设在变电所的就地监控系统由控制信号盘（包括通信控制器、测控单元、隔离开关控制回路、交换机等）、智能通信接口装置及所内通信网络等部分组成，可通过控制信号盘工作站处理本所的所有远动功能，并具有更丰富的监控设备操作功能和报警信息，系统维护人员的维修工作也主要集中在控制信号盘上，本所内的所有操作不会影响到其他变电所。设备本体控制是优先级最高的一级控制，如果供电设备拨到本体控制，则控制中心远方控制和控制信号盘集中控制都将失去控制功能。本体控制只有在设备损坏需要维修时才会用到，一般情况下不允许将设备控制位置拨到就地控制。图1 电力监控系统结构图以成都地铁为例，其供电系统主要由南北两座110 kV/35 kV主变电所及分布于全线各站的牵引降压混合变电所、降压变电所、跟随所组成，变电所进线电压为35 kV，地铁内部组成一个35 kV供电环网，该环网以双回路馈电电缆向各牵引降压混合变电所和降压变电所供电。针对这种供电系统特点，成都地铁电力监控系统采用了集中管理，分散布置的模式，分层分布式的系统结构，变电所自动化系统由站级管理层、网络通信层、间隔层设备组成。系统以供电设备为对象，通过光纤以太网及GM-Mcom光电通信接口模块与所内的35 kV、0.4 kV交流保护测控单元、DC 1 500 V保护测控单元、整流器监控单元、变压器温度测控单元、交直流电源系统监控单元、杂散电流监测系统监控单元等间隔层设备进行接口数据交互，完成数据采集、监视与控制功能。并通过站级管理层的通信接口，利用综合监控系统软件平台，实现与OCC中央调度系统的通信。通过中央调度系统对全线各类变电所的供电设备进行监视控制、数据采集以及接触网电动隔离开关设备的运行状态监视控制，负责全线牵引及车站供电系统的运行管理、正常检修及事故抢修的调度指挥，确保整个供电系统及设备安全、可靠运行。2 城市轨道交通电力监控系统的通信规约从其他地铁工程建设的经验和技术实施情况来看，如何有效解决各种供电设备间的接口通信，是地铁电力监控系统安全、稳定运行的关键所在。由于各大传统设备厂商几乎都有适用于自家设备的通信协议，各种协议之间无法直接通信，使得电力监控系统厂商在系统集成时增加了较大的技术难度和较高的技术成本。因此，要从根本上解决接口问题，就只有要求各厂家采用开放式的接口和通信规约，构建一个开放的系统。目前，地铁电力监控系统正向着通信接口标准化、通信规约统一化方面发展。开发符合国际和国家标准通信规约的各种软件，对于提高地铁变电站自动化系统的技术水平和管理水平显得非常重要，也是地铁电力监控系统的主要发展方向之一。电力监控系统使用的远动规约是车站变电所端和OCC中央调度系统端相互交流的语言，目前的通信规约的种类很多，其中IEC 60870-5-101(简称101)、IEC 60870-5-103(简称103)、IEC 60870-5-104(简称104)、DNP3.0以及CDT规约是电力系统中常用的规约。随着变电站数量的增多，传统的专线通信方式已不能满足电网发展对变电站自动化系统提出的要求。在目前电力自动化技术、计算机网络技术及光纤通信技术发展的基础上，很多OCC中央电力调度与变电站之间已经大规模地采用基于104的网络协议进行数据通信。104协议是IEC60870标准中一种基于通用网络通信平台的变电所自动化系统的通信规约。它能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程造价、故障诊断和设备维护等费用，节约了大量的开发时间，增加了自动化系统的灵活性，解决变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。所内管理层与间隔层设备的通信则较为复杂，通信协议也是多种多样，比如常用的RS232、RS485、ProfiBus、HART和ModBus等协议。虽然间隔层设备型号多、厂家杂，并且各大厂商都有自己独立开发的通信协议，但是他们有一个共同的地方，都支持ModBus通信协议，这就让相对复杂的网络通信经统一的协议传输而变得简单。ModBus协议即有支持串行接口的ModBus ASCII和ModBus RTU两种模式，又有支持以太网的ModBus TCP模式。随着以太网技术的不断革新和变电所规模的日趋扩大，支持以太网的ModBus TCP模式越来越受到青睐，现在已被广泛应用，而且现在的网络转换设备种类较多，价格也较便宜，将串行接口转换为网络接口也相当容易。另外，ModBus协议格式简单，编程比较容易，维修技术人员容易上手，这种特点不仅可以减少由于复杂协议编程带来程序不稳定性的危险，还可有效降低运营维护的成本，达到减员增效、提高设备维修维护效率的目的。以成都地铁为例，在变电所自动化系统与间隔层设备的接口采用ModBus通信协议，与综合监控系统的接口采用IEC 104通信协议。这种设计模式有效结合了两种最常用协议的优势，可以说是当前地铁电力监控系统中比较先进的模式，值得其他新建地铁线路借鉴。3 结语本文分析了城市轨道交通电力监控系统功能和分层分布式结构，并介绍了IEC104和ModBus通用标准协议，这极大地促进了系统集成，保证了系统运行的安全稳定。随着网络技术、光纤通信技术以及计算机软硬件的