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(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)各變電所及其相關(guān)供電設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)視、測(cè)量和控制，及時(shí)處理供電系統(tǒng)報(bào)警、跳閘等各種故障，為運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員提供信息化管理平臺(tái)。當(dāng)前，電力監(jiān)控系統(tǒng)由控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)，設(shè)置在各變電所內(nèi)的全所綜合自動(dòng)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(shí)現(xiàn)方式的不同可分為獨(dú)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(tái)實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度系統(tǒng)的相關(guān)功能；在獨(dú)立監(jiān)控系統(tǒng)方式中，調(diào)度系統(tǒng)則是需要單獨(dú)配置。利用城市軌道交通內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全線各變電所主要供電設(shè)備及接觸網(wǎng)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成調(diào)度所對(duì)全線供電系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映整個(gè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，尤其是故障信息，運(yùn)營(yíng)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(cái)產(chǎn)損失，確保供電系統(tǒng)的持續(xù)可靠運(yùn)行。高實(shí)時(shí)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(luò)及其對(duì)時(shí)方式。

2電力監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常采用10/100/1000Mbps自適應(yīng)開(kāi)環(huán)以太總線網(wǎng)絡(luò)，雙網(wǎng)對(duì)等工作方式。正常情況下雙網(wǎng)同時(shí)工作，并可根據(jù)需要分擔(dān)不同的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)某一網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，系統(tǒng)給出報(bào)警信息，并由非故障網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)全部的數(shù)據(jù)傳輸。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的、成熟、可靠、通用性強(qiáng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過(guò)與控制中心通信系統(tǒng)主母鐘進(jìn)行同步對(duì)時(shí)，電力調(diào)度系統(tǒng)與各變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘功能。城市軌道交通的變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，各種間隔層智能保護(hù)測(cè)控裝置通常是通過(guò)各種總線網(wǎng)絡(luò)連接而成，通過(guò)接收控制中心或通信系統(tǒng)車站級(jí)二級(jí)母鐘發(fā)出的時(shí)鐘信息，并按此時(shí)鐘校準(zhǔn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其通信能力直接影響監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。當(dāng)前國(guó)內(nèi)新建的各變電所內(nèi)設(shè)備組成及其通信網(wǎng)絡(luò)主要分三層：

1）間隔層

間隔層主要包括各種智能保護(hù)測(cè)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(diǎn)是智能化單元，基本功能不依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集間隔層設(shè)備的運(yùn)行信息，并上送至上一級(jí)調(diào)度系統(tǒng)。

2）網(wǎng)絡(luò)層

由組網(wǎng)設(shè)備及通信線纜構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)控制端與被控端間實(shí)時(shí)、無(wú)間斷的數(shù)據(jù)傳輸。

3）站控層

站控層是變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的大腦，擁有通信控制系統(tǒng)和后臺(tái)機(jī)系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著整個(gè)系統(tǒng)的通信管理、MMI人機(jī)界面以及自動(dòng)運(yùn)行控制管理等主要任務(wù)?？紤]到軌道交通變電所都是以間隔為單元布置，設(shè)備具有向下兼容性，并考慮到國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，故近年來(lái)雖然有用以太網(wǎng)完全替代現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)的趨勢(shì)，但當(dāng)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(luò)，負(fù)責(zé)全站的通信傳輸。而在間隔層仍普遍采用現(xiàn)場(chǎng)總線，站點(diǎn)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(shí)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(duì)時(shí)方式

多站之間的通信，有采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信，也有采用網(wǎng)絡(luò)式的，對(duì)于基于通道的對(duì)時(shí)方式，一般分為三種，即硬對(duì)時(shí)、軟對(duì)時(shí)和綜合對(duì)時(shí)方式。硬對(duì)時(shí)是指向需要對(duì)時(shí)的設(shè)備發(fā)送同步脈沖，對(duì)側(cè)根據(jù)脈沖進(jìn)行調(diào)整的對(duì)時(shí)方式。硬對(duì)時(shí)方式中，同步誤差主要是由脈沖的傳輸延時(shí)不一致造成的，該誤差一般僅為幾微秒，且與傳輸路徑的長(zhǎng)度有關(guān)，故可以通過(guò)調(diào)整傳輸路徑來(lái)提高精度。其缺點(diǎn)為無(wú)法提供時(shí)間日期等信息，這就要求裝置自身具有記錄功能。軟對(duì)時(shí)方式是通過(guò)向需對(duì)時(shí)設(shè)備發(fā)送時(shí)間報(bào)文的方式進(jìn)行對(duì)時(shí)，其原理如圖2所示。其通信報(bào)文中包含了當(dāng)前的時(shí)間信息，故不需要裝置進(jìn)行記錄。但基于串行通信實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)的方式也決定其精度受通信網(wǎng)絡(luò)的影響，例如：協(xié)議轉(zhuǎn)換、延時(shí)傳送、中斷處理、雪崩等不確定性傳輸延時(shí)的影響，無(wú)法滿足高精度的要求。綜合對(duì)時(shí)是指對(duì)于時(shí)間沒(méi)有要求的設(shè)備，采用秒脈沖作為硬對(duì)時(shí)信號(hào)，對(duì)于有時(shí)間要求的采用軟對(duì)時(shí)方式，即結(jié)合了以上兩種對(duì)時(shí)方法的特點(diǎn)，綜合采用。不依賴于通道的對(duì)時(shí)方法，一般為GPS對(duì)時(shí)方法。GPS同步法是利用GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信息，從而達(dá)到時(shí)間標(biāo)簽一致。對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作，僅需參考其時(shí)間標(biāo)簽即可。GPS同步法的優(yōu)點(diǎn)：同步與組網(wǎng)通信無(wú)關(guān)，可以適應(yīng)各種的通信系統(tǒng)，精度高（可以達(dá)到μs級(jí)），不受網(wǎng)絡(luò)影響，是一種理想的同步方法。但由于對(duì)GPS信號(hào)的強(qiáng)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(hào)條件，以及安全可靠性、經(jīng)濟(jì)因素（需要單獨(dú)設(shè)置GPS接收裝置）等問(wèn)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(luò)采用10/100/1000Mbps自適應(yīng)開(kāi)環(huán)以太總線網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP協(xié)議，基本滿足調(diào)度端通信處理的實(shí)時(shí)性要求；變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層采用各設(shè)備廠家提供的通信協(xié)議及總線通信方式，通過(guò)接收控制中心或通信系統(tǒng)車站級(jí)二級(jí)母鐘發(fā)出的時(shí)鐘信息，并按此時(shí)鐘校準(zhǔn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步?？紤]到以太網(wǎng)的通信容量大和TCP／IP規(guī)約的開(kāi)放性好等優(yōu)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)層采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用層采用ICE60870-5-104（即104規(guī)約）必將成為趨勢(shì)。GPS同步對(duì)時(shí)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(duì)時(shí)、硬對(duì)時(shí)優(yōu)點(diǎn)的綜合對(duì)時(shí)方式應(yīng)當(dāng)作為今后的首選。相信，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，電力監(jiān)控系統(tǒng)及其對(duì)時(shí)方式也將與時(shí)俱進(jìn)、改革創(chuàng)新，不斷提高軌道交通系統(tǒng)管理的信息化水平。