王軍平（1971－）
男，河南人，畢業于河南焦作礦業學院，工程師，現就職于廣州市地下鐵道總公司，長期從事軌道交通供電系統管理工作。

Abstract: In this paper, the state of art of PSCADA (Power Supervisory Control and Data Acquisition) technology is reviewed by analyzing the features and applications of the new technology of IEC61850. It is concluded that the technology of IEC61850 is suitable for application in urban transit PSCADA system. IEC61850 can overcome the disadvantages of previousl technology and improves the performance of whole system, which shows great advantages in engineering debugging, test and operation maintenance process. As a newly introduced technology, this paper points out that the IEC61850 can be widely applied in urban transit system based on ongoing research and practical application experience.

Key words: IEC6850；urban transit；PSCADA；communication processing unit

1  引言

    隨著我國國家經濟的不斷提高，我國城市軌道交通行業得到了飛速的發展，北京、廣州、深圳、天津、成都、重慶、大連、武漢等全國大型城市軌道交通項目紛紛上馬進行建設。在這些大城市中，一條條地鐵、城鐵構成了城市中新的交通脈絡。為城市的運轉提供了強有力的支持。

    具有現代化技術特點的城市軌道交通自動化系統是控制這些脈絡的核心與中樞。其引導著國內大型綜合自動化系統的技術潮流和方向。其中最具代表的就是具有城市軌道交通特色的電力監控系統。它運用國內外最新的通訊控制技術，改進其通訊系統結構，升級演化出具有鮮明特點的電力監控系統。現今代表國際最新技術IEC61850標準提出了實現“即插即用”，在工業控制通信上實現“一個世界、一種技術、一個標準”為城市軌道交通電力監控系統指明了未來發展的方向。

2  城市軌道交通電力監控系統的特點

    現代化的城市軌道交通電力監控系統有其鮮明的特點。其中最突出的特點是分層分布式的構成方式、大量快速的數據傳輸與處理、頻繁且有規律的控制、多樣的間隔層設備通訊接口方式,以及無人值守的運營方式。

    2.1 全線電力監控系統構成方式：分層分布式

圖1 全線電力監控系統的構成

    變電所內電力監控系統也采用分層分布式方式，由所內管理層、間隔層通訊網絡、間隔層設備構成。所內管理層內設置通訊管理單元通過所內通訊網絡完成對間隔層設備的監控。通訊管理單元可提供以太網、串行總線等多種通訊方式。

    2.3 大量的數據信息以及更快速的傳遞方式

    城市軌道交通電力監控系統需要大量的數據對本線路內各車站和供電區間的供電情況、用電情況、事故信息、故障處理等進行分析和緊急處理，同時其使用的間隔層設備大都是采用業內最新技術的智能設備，本身可采集和運算產生大量的數據信息，供監控系統進行數據分析。通常一個典型牽引降壓混合變電所具有1500~2000點的數據量，一個典型降壓所有1000~1200點的數據量。如廣州地鐵三號線工程電力監控系統全線就有35000點以上的物理點傳輸。大量的數據傳輸，運算分析，以及事故的快速應變處理決定了軌道交通電力監控系統比傳統的電力系統具有更加快速的傳遞處理方式和處理能力。

    2.4 頻繁的操作以及有規律的操作方式

    和傳統的電力監控系統不同，城市軌道交通電力監控系統每天幾乎都要進行大量的操作，如夜間停車后全線接觸網要停電操作，軌道內進行日常檢修工作，早上發車前全線接觸網要進行送電操作。這些操作頻繁而有規律，在城市軌道交通電力監控系統中大量使用了程控操作方式，每張程控卡片可批量進行開關控制，同時也具備控制條件運算等多種功能。大量且頻繁的操作決定了軌道交通電力監控系統具有更強的準確性。

    2.5 多樣的間隔層設備單元和通訊方式

    軌道交通電力監控系統間隔層設備大多采用業內最新的數字電力技術的智能保護監控單元，其通訊方式及采用規約也多種多樣，如IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、部頒CDT（DL-45-91），Modbus，Canbus，Spabus，Profibus等。間隔層設備多種多樣的規約和通訊方式，要求管理層通訊管理機具有強大的接入功能和處理能力。目前一般采用兩種方式來處理該問題。一種是對間隔層設備設置通訊轉換單元進行轉換成統一的接口方式接入到管理層通訊處理單元；還有一種是管理層通訊處理單元提供各種通訊接口直接接入間隔層設備。

    2.6 無人值守的運營方式

    在城市軌道交通電力監控系統中，全部車站變電所均采用了無人值守的運營方式，系統長期運行，由運營人員定期進行檢查維護。采用該種運營方式決定了城市軌道交通電力監控系統具有更強的穩定性和免維護性。

3  城市軌道交通電力監控系統的不足之處

    綜合城市軌道交通電力監控系統現狀，從系統構成和運營方式來說，其已經構成了成熟穩定體系，但是從工程的實施、調試以及長期運營維護角度來說，還是存在一些不足。

    3.1 間隔層設備接口協議多樣

    在城市軌道交通電力監控系統中，各間隔層智能保護設備一般采用分別招標施工的方式，如高壓保護設備采用一個廠家的設備，直流保護設備采用另外一個廠家的設備，一個車站變電所內具有10種左右的間隔層設備。而各個廠家設備往往采用不同的接口協議，或者即使是采用標準協議各個廠家也對該標準協議有各自的解釋方式和優化升級。協議的不同造成電力監控系統通訊處理單元要進行定制處理，其又伴隨了大量的測試、調試工作，對工程的實施極為不利。系統投運后協議的多樣也對運營人員能力提出了較高要求，對維護工作造成了困難。

    3.2 間隔層設備通訊方式多樣

    采用不同廠家的間隔層設備也造成了通訊鏈路方式的多樣，往往一個車站變電所間隔層具有以太網、串行總線、DP總線、CAN總線等多種通訊總線方式，這就對通訊處理單元提出了同時具備這些總線方式的高標準、高要求。而通訊處理單元是變電所通訊處理的中樞，通訊處理單元在完成這個要求的同時，其自身的穩定性、可靠性就成了一個問題。也就對日后運營人員的維護工作造成了麻煩。

    3.3 面向測點的數據描述方式

    現今城市軌道交通電力監控系統仍是采用面向點的數據描述方式，在信息傳輸時，數據收發雙方對數據格式和語義進行約定，才能正確反映現場設備狀態，要增加或刪除某些信息需要對傳輸協議數據進行更改。城市軌道交通電力監控系統中數據點大大多于同等規模的電力監控系統，且車站調試和中心調試由于建設的分期性往往分開進行，也就意味著同等數據量往往要調試2~3遍。而車站建成后往往馬上通車試運行，控制中心和車站的聯合調試工作就只能晚間請令進行。所以面向點的數據描述方式制約了工程實施和調試的進度，而投運監控系統數據庫的維護工作也給運營人員增加了難度。

    3.4 大量數據的傳輸和性能要求較高

    城市軌道交通電力監控系統中有大量的數據傳輸和頻繁的控制操作，其性能要求也比傳統的電力監控系統要高。在變電所系統為處理各間隔層設備接口而設置的通訊處理設備，協議轉換設備等，進行接口方式轉換和數據處理也要占用一定的時間和資源，這對監控整體性能是個制約。同時也給維護工作添加了新的故障點。

    綜上這些因素城市軌道交通電力監控系統要想得到更快、更穩定、更開放、更統一的系統性能，就必須進行新的嘗試，代表國內外最新技術IEC61850標準可以彌補這些不足，提高系統性能。

4  IEC61850標準的制定和特點

    4.1 標準的制定

    IEC61850是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網絡和系統》系列標準，為基于網絡通信平臺的變電站自動化系統國際標準，也是國家電力行業最新相關標準的基礎。IEC61850制定的思路是:節約帶寬，工程實現方便；面向設備；滿足應用技術迅猛發展要求；應對通信技術和網絡技術發展的挑戰。

    自從1994年，德國國家委員會提出統一通訊協議的設想，1998年IEC、IEEE和美國EPRI達成共識，由IEC牽頭，以美國UCA2.0為基礎，制定一個全世界通用的變電站自動化標準, 其后IECTC95工作組研究IEC61850及其數據模型。1999年IECTC57京都會議和2000年SPAG會議上都提出IEC61850作為無縫通信標準。1999年8月IEC SB1成立配電自動化工作組, 指出要開展無縫通信, 統一數據建模,更多配電專家參與標準制定。在IECTC57工作組2002年北京會議上，指出今后的工作方向為：追求現代技術水平的通信體系，實現完全的互操作性，體系向下兼容，基于現代技術水平的標準信息和通信技術平臺, 在IT系統和軟件應用通過數據交換接口標準化實現開放式系統，例如變電站通信標準用于所有類型的分布式SCADA系統。IEC61850不僅用于變電站內通信，而且用于變電站和控制中心通信。

    IEC61850標準經過多年的醞釀和討論于2003年內正式發布部分內容。IEC61850標準定義為變電站網絡通信標準，也將成為電力系統中從調度中心到變電站、變電站內、配電自動化無縫自動化標準，還可望成為通用網絡通信平臺的工業控制通信標準。當前, 生產相關產品的國外各大公司都在圍繞IEC61850 開展工作，并提出IEC61850的發展方向是實現“即插即用”，在工業控制通信上最終實現“一個世界、一種技術、一個標準”。

    4.2 標準的特點

    IEC61850的主要特點是面向對象建模、抽象通信服務接口、面向實時的服務、配置語言、整個電力系統統一建模。

    其優點具體表現在：分層的智能電子設備和變電站自動化系統，滿足實時信息傳輸要求的服務模型，采用抽象通信服務接口、特定通信服務映射，以適應網絡發展。采用對象建模技術，面向設備建模和自我描述，以適應功能擴展，滿足應用開放互操作要求，采用配置語言，在信息源定義數據和數據屬性，傳輸采樣測量值。IEC61850系列標準還包括變電站通信網絡和系統總體要求、系統和工程管理、一致性測試等。

    * 信息分層

    變電站通信網絡和系統協議IEC61850標準草案提出了變電站內信息分層的概念，無論從邏輯概念上還是從物理概念上，都將變電站的通信體系分為3個層次，即變電站層、間隔層和過程層，并且定義了層和層之間的通信接口，如下圖所示。

圖3 信息分層的變電店自動化系統

圖4 服務器中典型數氫模型分層結構

圖5   IEC 61850 變電站自動化通信系統框架

5 IEC61850標準在城市軌道交通電力監控系統的作用分析

    到今日，IEC61850標準已經進入到一個快速普及發展的階段，國內外相關廠家都在積極推出采用IEC61850標準相關產品，業內采用IEC61850標準變電所監控系統也相繼落成，這些都為采用IEC61850標準構建大型監控系統提供了理論支持、實踐經驗以及設備保證。而城市軌道交通電力監控系統可為其提供最好的平臺展示其強大功能。

    5.1 地域特點和系統構成方式為IEC61850標準提供了平臺

    首先，國內城市的城市軌道大都每條線路建設一個單獨的監控系統，其車站變電所更是分布在一個相對小的地域內，這對IEC61850標準應用初期的調試和組網提供了便利的條件，且其系統規模也十分適合于IEC61850標準的推廣應用現狀。

    IEC61850標準中沒有明確規定其采用的通訊方式，但是要實現IEC61850標準的全部功能，使其優點得以充分體現，需要一個快速的傳遞通道。城市軌道交通電力監控系統采用光纖以太網通道進行數據傳輸，為IEC61850標準功能提供了一個完美展現的舞臺。

    5.2 數據信息動態獲取減少了數據的維護量，提高了正確性

    IEC61850標準采用面向對象的數據自描述方式，在數據源就對數據進行自我描述，傳輸到接收方的數據都帶有自我說明，不需要再對數據進行物理量對應、標度轉換等工作。支持IEC61850標準的監控系統數據庫可根據數據源情況自動建模，自動跟新，不受預先定義的限制進行傳輸，簡化了數據管理和維護工作，且提高了數據正確性。

    5.3 間隔層設備升級和接入方案

    IEC61850標準也是各變電所各間隔層設備廠家對產品進行實現和升級換代的目標，目前國外各大廠家如ABB，西門子等公司均推出了采用IEC61850標準的設備，只是在國內沒有大量的應用。但其小范圍應用的系統性能得到了業內的一致好評。 而城市軌道交通電力監控系統如采用了IEC61850標準，和變電所間隔層設備緊密地結合在一起，系統性能將得到提升。同時可減少接口眾多所造成的開發、調試、維護工作量。

    在系統過渡期，變電所內仍可能存在不能采用IEC61850標準的間隔層設備，我們可采用配置協議轉換單元進行轉換、監控系統中采用公用數據庫與各種協議數據庫映射的方法進行設備接入，從而實現全系統一種標準的目標，提高監控系統性能，也促進間隔層設備的升級換代。

    5.4 通訊處理單元最終消失

    如果各車站變電所間隔層設備全部采用了IEC61850標準，變電所管理層通訊處理單元也就沒有了實際存在的意義，可換成兩臺冗余的光纖以太網交換機，直接接入到骨干網中，由控制中心服務器直接完成數據采集與控制功能。而交換機作為成熟產品，其穩定性和可維護性無疑高于通訊處理單元，從而可提高整個城市軌道交通電力監控系統的穩定性，減少了運營人員的維護工作量。

6 結束語

    通過上述闡述，IEC61850標準可以與城市軌道交通電力監控系統的特點相結合，彌補其不足，提高其性能，十分適合于城市軌道交通電力監控系統，是城市軌道交通電力監控系統發展的方向。盡管這個標準的普及推廣及完全基于其上的城市軌道交通電力監控系統的最終成型，還是需要一個時間過程，但隨著業內在技術和認識方面普遍水平的提高，這個過程不會太長，相信不久之后我們就將迎來一個嶄新的城市軌道交通電力監控系統。

作者信息：

    王軍平（西南科技大學 信息工程學院，四川  綿陽  621002）

    趙赫男，王存毅（北京和利時系統工程股份有限公司， 北京  100096）