關(guān)鍵詞：城市軌道交通；電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)；IEC61850；通信

    周桔紅　（1979－）
女，江西上饒人，碩士研究生，現(xiàn)從事軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作。

1     引言

    目前我國城市軌道交通建設(shè)正在快速的發(fā)展，到2010年我國計(jì)劃新建城市軌道交通項(xiàng)目總長度將近1300公里，總投資約5000億元。城市軌道交通系統(tǒng)是一種高密度、大運(yùn)量的交通系統(tǒng)，必須保證其高度的安全性和可靠性，而電力綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)則為整個(gè)軌道交通的安全運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保障。電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)簡稱SCADA 系統(tǒng)，它是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能，使調(diào)度中心實(shí)時(shí)掌握各個(gè)變電所設(shè)備的運(yùn)行情況，直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。

    電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)早期廣泛應(yīng)用在鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上，如今隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，它走入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，并逐漸形成了具有城市軌道交通特色的電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)，和以往的系統(tǒng)相比其具備以下特點(diǎn)：

    （1）具有更強(qiáng)大的接口通訊處理能力；

    （2）具有更快速準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算和傳送功能；

    （3）具有單控、程控、時(shí)間控制等更靈活多樣控制功能

    （4）具有更強(qiáng)大集中的數(shù)據(jù)監(jiān)視平臺(tái)，提供更豐富的調(diào)度管理功能。

    隨著計(jì)算機(jī)等通信技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，地鐵電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及其通信協(xié)議正向著開放、高速、綜合的網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，采用統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，提高所內(nèi)設(shè)備的互操作性，是今后電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)的方向，也是設(shè)計(jì)新的大型綜合監(jiān)控系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)。

    本文結(jié)合國內(nèi)外城市軌道交通對(duì)電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求和工程實(shí)際詳細(xì)分析和闡述了城市軌道交通電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信體系，分析了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在城市軌道交通電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)上的良好應(yīng)用前景。

2     電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)代通信等技術(shù)將變電站所有二次設(shè)備（包括控制、信號(hào)、測(cè)量、保護(hù)、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等），經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變電站執(zhí)行自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制和協(xié)調(diào)來提高變電站運(yùn)行效率和管理水平的一種綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)。

    電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要有集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)，集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按信息類型劃分功能。其信息是集中采集、處理和運(yùn)算的。此類結(jié)構(gòu)對(duì)監(jiān)控主機(jī)的性能要求較高，且系統(tǒng)處理能力有限，開發(fā)手段少，系統(tǒng)在開放性、擴(kuò)展性和可維護(hù)性等方面較差，抗干擾能力不強(qiáng)。而分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則按功能設(shè)計(jì)，如按保護(hù)和監(jiān)控等功能劃分單元，分布實(shí)施。其結(jié)構(gòu)采用主從 CPU協(xié)同工作方式，各功能模塊之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式結(jié)構(gòu)有助于系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)，可靠性好，局部故障不影響系統(tǒng)其它模塊正常運(yùn)行。

    以廣州地鐵為例，其供電系統(tǒng)主要由110 kV/33kV主變電所及分布于沿線各站的牽引降壓混合變電所、降壓變電所組成，各車站變電所進(jìn)線電源均采用33kV，地鐵內(nèi)部由33kV電壓組成一個(gè)獨(dú)立開環(huán)供電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以雙回路饋電電纜向各牽引降壓混合變電所和降壓變電所供電。針對(duì)該供電系統(tǒng)特點(diǎn)，廣州地鐵電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用了集中管理，分散布置的模式，分層、分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由管理層，網(wǎng)絡(luò)通信層、間隔層設(shè)備組成。變電所管理層通過通訊網(wǎng)絡(luò)與所內(nèi)各供電系統(tǒng)智能設(shè)備進(jìn)行接口數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)采集與控制功能。其電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)全線上述各類變電所的供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視控制、數(shù)據(jù)采集以及對(duì)接觸網(wǎng)電動(dòng)開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視控制，負(fù)責(zé)全線牽引及電力供電系統(tǒng)的運(yùn)行管理、正常檢修及事故搶修的調(diào)度指揮，以確保整個(gè)供電系統(tǒng)及設(shè)備安全、可靠地運(yùn)行。其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，地鐵的間隔層設(shè)備接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主要有三種方式：

    （1）間隔層設(shè)備直接接入到變電站的管理層網(wǎng)絡(luò)中，如交直流屏、再生制動(dòng)裝置等間隔層設(shè)備。

    （2）間隔層設(shè)備先聯(lián)網(wǎng)后再接入到管理層網(wǎng)絡(luò)中，如33kV保護(hù)測(cè)控單元、1500V保護(hù)測(cè)控單元、低壓智能測(cè)控單元等間隔層設(shè)備。

    （3）通過轉(zhuǎn)換單元接入管理層網(wǎng)絡(luò)，如軌電位、上網(wǎng)隔離開關(guān)、排流柜等間隔層設(shè)備。

圖1   典型城市軌道交通電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    該系統(tǒng)采用三級(jí)控制方式，即控制中心遠(yuǎn)方控制、所內(nèi)控制信號(hào)盤上集中控制、設(shè)備本體控制。三種控制方式互相閉鎖，以達(dá)到安全控制的目的。中央監(jiān)控中心主要有控制、數(shù)據(jù)采集處理、顯示、報(bào)警、維修及事故搶修調(diào)度等功能。調(diào)度人員在此進(jìn)行日常控制、監(jiān)視和調(diào)度管理等工作。設(shè)在變電所的就地監(jiān)控系統(tǒng)由控制信號(hào)盤（包括通迅控制器、測(cè)控單元、饋線隔離開關(guān)控制回路、交換機(jī)等）、下位單元、維護(hù)機(jī)及所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

3     城市軌道交通電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、快速工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，地鐵電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及其通信協(xié)議也正發(fā)生著深刻的變化，傳統(tǒng)的集中、低速、專用封閉式的自動(dòng)化系統(tǒng)正向著開放、高速、綜合的網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，通過局域網(wǎng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息資源的共享利用。

    從目前地鐵工程建設(shè)實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)以及國內(nèi)外設(shè)備和技術(shù)條件來看，地鐵電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于如何有效解決各種設(shè)備間的接口通信。由于各大傳統(tǒng)的間隔層電力設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)廠商幾乎都有適用于自家設(shè)備的通信協(xié)議，各種協(xié)議之間無法直接通信使得電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)廠商集成的時(shí)候增加了很大的技術(shù)難度和很高的技術(shù)成本，因此要從根本上解決接口問題，就只有要求各個(gè)廠家采用開放式的接口和通信協(xié)議，構(gòu)建一個(gè)開放的系統(tǒng)。目前，地鐵電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)也正向著通信接口標(biāo)準(zhǔn)化、提高設(shè)備間的互操作性方面發(fā)展。研制開發(fā)符合國際和國家標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約的各種通信軟件對(duì)于提高地鐵變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)水平和管理水平顯得非常重要，也是地鐵電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的主要發(fā)展方向之一。

    IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，它是由國際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)(IECTC57)的 3個(gè)工作組10,11,12(WG10/11/12)負(fù)責(zé)制定的。它能大幅度改善信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的設(shè)備數(shù)據(jù)集成，減少工程量、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、運(yùn)行、監(jiān)視、診斷和維護(hù)等費(fèi)用,節(jié)約大量時(shí)間,增加了自動(dòng)化系統(tǒng)使用期間的靈活性。它解決了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。采用該標(biāo)準(zhǔn)還可使變電站自動(dòng)化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用（Plug and Play）的特性，極大的方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的工程費(fèi)用。

    IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)通過對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口（ACSI），并支持TCP/IP協(xié)議，是一個(gè)開放的，代表了未來變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展方向的通信協(xié)議，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中信息的數(shù)字化，既包括在管理層和間隔層實(shí)現(xiàn)基于高速以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信，也包括在過程層（包括數(shù)字化的電氣量采集裝置、合并單元等）實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的通信。這種基于以太網(wǎng)的通信架構(gòu)的采用，統(tǒng)一了通信系統(tǒng)的物理介質(zhì)，減少了因?yàn)椴煌奈锢斫橘|(zhì)而導(dǎo)致的互連問題，同時(shí)在過程層中采用以太網(wǎng)進(jìn)行二次電氣量（包括模擬量、開關(guān)量）的數(shù)字化傳輸，將大大減少變電站的接線，方便工程設(shè)計(jì)和維護(hù)。IEC61850協(xié)議將變電站通信體系分為3層：變電站層（管理層）、間隔層及過程層。在管理層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）、傳輸GSE/GOOSE信息的無連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CNNP，傳輸網(wǎng)絡(luò)是冗余以太網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)或者交換式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。

    在廣州地鐵五號(hào)線電力監(jiān)控系統(tǒng)中，在和底層間隔層設(shè)備的通信協(xié)議上首次采用了國際先進(jìn)的IEC61850協(xié)議，廣州地鐵在全國同行業(yè)率先采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)極大地推動(dòng)了軌道交通電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)向國際標(biāo)準(zhǔn)前進(jìn)的步伐，同時(shí)也敦促和堅(jiān)定了設(shè)備廠家開發(fā)IEC61850規(guī)約，向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的決心。可以說為軌道交通乃至全國電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)帶一個(gè)好頭。

4     結(jié)束語

    本文分析了城市軌道交通電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能、通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介紹了IEC61850國際通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它為改進(jìn)信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的設(shè)備數(shù)據(jù)集成提供可能，極大的方便了系統(tǒng)集成，保證了系統(tǒng)運(yùn)營的穩(wěn)定安全。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，地鐵電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)將是一個(gè)融合了當(dāng)今最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、符合最新的國際變電站自動(dòng)化通信體系標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)以及功能上完全分布的開放式系統(tǒng)。
　　
參考文獻(xiàn)：

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作者信息：

    周桔紅，張  劭（廣州市地下鐵道總公司，廣東  廣州  510380）