城市軌道交通電力工程論文

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1前言

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)，其任務是實現(xiàn)對城市軌道交通供電系統(tǒng)各變電所及其相關供電設備運行的實時監(jiān)視、測量和控制，及時處理供電系統(tǒng)報警、跳閘等各種故障，為運營維護人員提供信息化管理平臺。當前，電力監(jiān)控系統(tǒng)由控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)，設置在各變電所內(nèi)的全所綜合自動化系統(tǒng)，以及通信通道三部分構(gòu)成。其中，通信通道由地鐵通信系統(tǒng)提供。按照電力調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)方式的不同可分為獨立監(jiān)控系統(tǒng)方式和綜合監(jiān)控系統(tǒng)方式。綜合監(jiān)控系統(tǒng)方式是指集成電力監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的軟硬件平臺實現(xiàn)電力調(diào)度系統(tǒng)的相關功能；在獨立監(jiān)控系統(tǒng)方式中，調(diào)度系統(tǒng)則是需要單獨配置。利用城市軌道交通內(nèi)部的通信網(wǎng)絡，控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)可以實現(xiàn)對全線各變電所主要供電設備及接觸網(wǎng)電動隔離開關等的實時監(jiān)控，完成調(diào)度所對全線供電系統(tǒng)的運行及維修的調(diào)度管理。由于城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)需要實時、準確地反映整個供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，尤其是故障信息，運營人員才有可能正確地判斷故障，迅速地處理故障，縮小故障范圍，降低人員傷亡和財產(chǎn)損失，確保供電系統(tǒng)的持續(xù)可靠運行。高實時特性，是電力監(jiān)控系統(tǒng)的核心要求，本文即探討電力監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡及其對時方式。

2電力監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的構(gòu)成

控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡通常采用10/100/1000Mbps自適應開環(huán)以太總線網(wǎng)絡，雙網(wǎng)對等工作方式。正常情況下雙網(wǎng)同時工作，并可根據(jù)需要分擔不同的數(shù)據(jù)傳輸，當某一網(wǎng)絡故障時，系統(tǒng)給出報警信息，并由非故障網(wǎng)絡承擔全部的數(shù)據(jù)傳輸。采用國際標準化的、成熟、可靠、通用性強的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議。通過與控制中心通信系統(tǒng)主母鐘進行同步對時，電力調(diào)度系統(tǒng)與各變電所綜合自動化系統(tǒng)具有網(wǎng)絡同步時鐘功能。城市軌道交通的變電所綜合自動化系統(tǒng)中，各種間隔層智能保護測控裝置通常是通過各種總線網(wǎng)絡連接而成，通過接收控制中心或通信系統(tǒng)車站級二級母鐘發(fā)出的時鐘信息，并按此時鐘校準整個系統(tǒng)的時鐘同步。通信網(wǎng)絡是監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵部分，其通信能力直接影響監(jiān)控系統(tǒng)的實時性能。當前國內(nèi)新建的各變電所內(nèi)設備組成及其通信網(wǎng)絡主要分三層：

1）間隔層

間隔層主要包括各種智能保護測控裝置以及具有通信處理功能的裝置等。間隔層的主要特點是智能化單元，基本功能不依賴于通信網(wǎng)絡，實時采集間隔層設備的運行信息，并上送至上一級調(diào)度系統(tǒng)。

2）網(wǎng)絡層

由組網(wǎng)設備及通信線纜構(gòu)成，實現(xiàn)控制端與被控端間實時、無間斷的數(shù)據(jù)傳輸。

3）站控層

站控層是變電所綜合自動化系統(tǒng)的大腦，擁有通信控制系統(tǒng)和后臺機系統(tǒng)，擔負著整個系統(tǒng)的通信管理、MMI人機界面以及自動運行控制管理等主要任務?？紤]到軌道交通變電所都是以間隔為單元布置，設備具有向下兼容性，并考慮到國際發(fā)展趨勢，故近年來雖然有用以太網(wǎng)完全替代現(xiàn)場總線網(wǎng)的趨勢，但當前的作法仍然是分層布置，間隔層以上為10/100M嵌入式以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡，負責全站的通信傳輸。而在間隔層仍普遍采用現(xiàn)場總線，站點內(nèi)集成的裝置種類較多，廠商和總線形式都可能不同，如可能同時存在CANbus、Modbus、Profibus、Lonwords、IEC60870-5-103等多種總線協(xié)議,甚至是廠家自身專利的通信協(xié)議。

3電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時方式

多站之間的通信，有采用點對點串行通信，也有采用網(wǎng)絡式的，對于基于通道的對時方式，一般分為三種，即硬對時、軟對時和綜合對時方式。硬對時是指向需要對時的設備發(fā)送同步脈沖，對側(cè)根據(jù)脈沖進行調(diào)整的對時方式。硬對時方式中，同步誤差主要是由脈沖的傳輸延時不一致造成的，該誤差一般僅為幾微秒，且與傳輸路徑的長度有關，故可以通過調(diào)整傳輸路徑來提高精度。其缺點為無法提供時間日期等信息，這就要求裝置自身具有記錄功能。軟對時方式是通過向需對時設備發(fā)送時間報文的方式進行對時，其原理如圖2所示。其通信報文中包含了當前的時間信息，故不需要裝置進行記錄。但基于串行通信實現(xiàn)對時的方式也決定其精度受通信網(wǎng)絡的影響，例如：協(xié)議轉(zhuǎn)換、延時傳送、中斷處理、雪崩等不確定性傳輸延時的影響，無法滿足高精度的要求。綜合對時是指對于時間沒有要求的設備，采用秒脈沖作為硬對時信號，對于有時間要求的采用軟對時方式，即結(jié)合了以上兩種對時方法的特點，綜合采用。不依賴于通道的對時方法，一般為GPS對時方法。GPS同步法是利用GPS接收機接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的時間信息，從而達到時間標簽一致。對各個設備進行監(jiān)控和操作，僅需參考其時間標簽即可。GPS同步法的優(yōu)點：同步與組網(wǎng)通信無關，可以適應各種的通信系統(tǒng)，精度高（可以達到μs級），不受網(wǎng)絡影響，是一種理想的同步方法。但由于對GPS信號的強度有要求，例如：地下變電所及山區(qū)變電所等可能不具備接收GPS信號條件，以及安全可靠性、經(jīng)濟因素（需要單獨設置GPS接收裝置）等問題，GPS同步方式具有局限性。

4總結(jié)與展望

目前，控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡采用10/100/1000Mbps自適應開環(huán)以太總線網(wǎng)絡、TCP/IP協(xié)議，基本滿足調(diào)度端通信處理的實時性要求；變電所綜合自動化系統(tǒng)間隔層采用各設備廠家提供的通信協(xié)議及總線通信方式，通過接收控制中心或通信系統(tǒng)車站級二級母鐘發(fā)出的時鐘信息，并按此時鐘校準整個系統(tǒng)的時鐘同步。考慮到以太網(wǎng)的通信容量大和TCP／IP規(guī)約的開放性好等優(yōu)點，在網(wǎng)絡層采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，應用層采用ICE60870-5-104（即104規(guī)約）必將成為趨勢。GPS同步對時方式仍然不是城市軌道交通的最佳選擇，結(jié)合通信規(guī)約和軟對時、硬對時優(yōu)點的綜合對時方式應當作為今后的首選。相信，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展進步，電力監(jiān)控系統(tǒng)及其對時方式也將與時俱進、改革創(chuàng)新，不斷提高軌道交通系統(tǒng)管理的信息化水平。