变电所综合自动化系统间隔层通信方式_方小飞.pdf

2022年第46卷第12期73Network MultimediA网 络 多 媒 体网 络 多 媒 体文献引用格式：方小飞，李超.变电所综合自动化系统间隔层通信方式 J.电声技术，2022，46（12）：73-75.FANG X F，LI C.The communication mode of the interval layer of the integrated automation system of the substationJ.Audio Engineering，2022，46（12）：73-75.中图分类号：TM73 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.12.017变电所综合自动化系统间隔层通信方式方小飞1，李 超2（1.吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132299；2.上海三菱电梯有限公司吉林省分公司，吉林 长春 130000）摘要：基于微机技术、集成电路技术的快速兴起和发展，设计者们对铁路供电系统微机远动装置进行功能的整合和优化组合，逐渐研发出变电所综合自动化技术。该技术能够更加全面地采集数据和信息，利用计算机的快速计算能力和逻辑判断功能监视、控制变电所内设备的运行和操作。基于此，结合变电所间隔层和设备层的特点，分析常用通信方式的优缺点，最终选择现场总线技术方案作为间隔层的通信方式，从而更好地实现通信、监视和控制功能。关键词：铁路供电系统；微机远动技术；间隔层；现场总线技术The Communication Mode of the Interval Layer of the Integrated Automation System of the SubstationFANG Xiaofei1,LI Chao2(1.Jilin Railway Technology College,Jilin 132299,China;2.Shanghai Mitsubishi Elevator Co.,Ltd.,Jilin 130000,China)Abstract:Based on the rapid rise and development of microcomputer technology and integrated circuit technology,designers have integrated and optimized the functions of the microcomputer telecontrol device of the railway power supply system,and gradually developed the integrated automation technology of the substation.This technology can collect data and information more comprehensively,and monitor and control the operation and operation of equipment in the substation by using the fast computing ability and logic judgment function of the computer.Based on this,combined with the characteristics of the substation bay and equipment layer,the advantages and disadvantages of common communication methods are analyzed,and the field bus technology scheme is finally selected as the communication method of the bay layer,so as to better realize the communication,monitoring and control functions.Keywords:railway power supply system;microcomputer telecontrol technology;spacer layer;fieldbus technology0 引 言1964 年，世界上第一条高速铁路东海道新干线在日本诞生，开创了世界铁路的新纪元。我国第一条具有完全自主知识产权的高速铁路为京津城际高铁，全长 120 km，运营时速 300 kmh-1，于2008 年 8 月 1 日建成通车，是 2008 年北京冬奥会重点配套工程。随后，我国在 5 年内建成通车京港高铁、郑西高铁、京沪高铁、哈大高铁等多条设计时速 350 kmh-1的高速铁路。到 2020 年，中国高速铁路营业里程达 3 万千米。依据国家路网规划，到2025 年，高速铁路将建成 3.8 万千米左右，构筑“八纵八横”高速铁路主通道。中国高铁 5 年走过国际上 40 年的道路，从追赶者变为领跑者。这样神奇的速度，缔造了感人肺腑的高铁精神，这就是：科学求实、相容并蓄；自主创新、赶超一流；忠诚祖国、拼搏奉献。高铁的快速发展，离不开先进、强大的铁路供电系统。它是电气化铁路的动力之源。铁路供电系统里的牵引变电所负责把电力系统的三相高压电降压分相后变成电力机车适用的单相、工频、交流电，通过牵引供电系统送到电力机车上。变电所综合自动化系统是对铁路供电系统进行集中监视和控制的系统，能有效保证牵引供电系统的可靠工作，保证牵引供电系统可靠地供电。变电所综合自动化系统里的各个微机单元模块和现场的一次设作者简介：方小飞（1984），女，硕士，副教授，研究方向为铁道供电。2022年第46卷第12期74网 络 多 媒 体网 络 多 媒 体etwork MultimediaN备，从综合自动化系统的通信层面来说，统称为间隔层。1 变电所综合自动化技术的发展1.1 远动技术远动技术是调度端与各被控站（如变电所等）之间实现遥测、遥信、遥控、遥调以及遥视（以下简称“五遥”）的总称，可以对分散的生产过程进行集中监视和集中控制。远动技术常应用于被控对象远离调度端或是有危险不可靠近的大型、中型系统，如电力系统、牵引供电系统等。将远动技术运用到铁路供电系统中，可以集中监视和控制构成铁路供电系统的各个电气设备，由设置在电气化铁道的电力调度所集中监视和管理沿线的变电所、分区所、开闭所、专用网隔屏、配电所以及沿途箱变中的电气设备等。1.2 微机远动技术远动技术的实现需要借助远动装置，远动装置的发展一共经历了 4 代。第一代继电器远动装置属于有接点式装置，主要元器件是电磁型继电器；第二代晶体管远动装置属于无接点式远动装置，主要元器件是晶体管；第三代集成电路远动装置由集成元件构成。这 3 代都属于布线逻辑装置，按照预定功能展开设计。组成装置的每个逻辑电路可以按固定时序工作，完成预定功能。以上 3 代都属于硬件式装置，建设完成后将不能根据需要再次进行功能扩展。第四代微机远动装置属于软件化装置，主要元件是微型计算机，具有灵活性和可扩展性，性能更加强大，可以实现“五遥”功能。采用微机远动装置的远动技术称为微机远动技术，而应用微机远动技术的铁路供电远动系统则为铁路供电微机远动系统。1.3 变电所综合自动化技术传统变电所二次系统由控制系统、信号系统、继电保护及自动装置系统、测量及监察系统、操作电源系统以及远动系统等构成。随着集成电路技术和微机技术的发展，二次系统逐渐采用微机技术，形成铁路供电微机远动系统，采用微机保护装置、微机自动装置、微机监控系统等。科技工作者着眼于变电所整体，对采用全微机化的变电所二次系统在功能整合的基础上实现优化设计，从而出现了现在广泛使用的变电所综合自动化技术。变电所综合自动化技术用微机继电保护代替传统电磁继电保护，消除了保护装置无法通信的弊端，同时，采用大规模集成电路和多台微型计算机组成一套功能完善的自动化系统，代替传统的中央信号系统。采用综合自动化技术的二次系统称为变电所综合自动化系统。通过变电所综合自动化系统，可以采集到丰富且全面的数据和信息，再借助计算机的逻辑判断功能和高速计算能力，可以很方便地对变电所内各种设备的运行和操作进行远距离的监视与控制。2 变电所综合自动化系统的结构形式变电所综合自动化系统通常采用分层分布形式，可以分散安装，也可以集中安装。以一条馈出线、一台变压器或一组电容器等设备为对象，将该对象的保护、测量、控制设计在同一机构箱中，构成一个综合的保护测控单元。对于中高压的配电线路，可以将一体化的保护、测控单元分散安装在各个开关柜中，由监控主机借助网络对分散在开关柜中的各个单元进行管理，实现信息交换。这种将线路的保护和测控单元分散安装在开关柜内，而高压线路保护测控装置和主变压器保护测控装置采用集中组屏的系统结构称为分散和集中相结合的结构，是我国高铁变配电综合自动化系统的主要结构形式。3 通信方式选择对于智能现场设备，可以非常方便地为其增加一个串行数据接口，如 RS-232、RS-485 接口等。有了这样的串行接口，控制器就可以按照规定的通信协议，采用串行通信方式实现对现场设备的监视和控制1。现场总线具有集成性、开放性、智能性、分散性以及适应性等优点，能有效地节省投资，减少设备安装费用和维护费用，提高系统的可靠性和可操作性。目前，国际上有 100 多种现场总线协议。关于现场总线种类和采用的网络拓扑结构，不同厂家有不同的方案。只要能够满足变电所综合自动化系统对于通信速度和可靠性的要求，任何选择都是可行的。在电力系统中影响较大的总线协议主要有 PROFIBUS、CAN、LonWorks 等，以下介绍几种现场总线的应用情况。PROFIBUS 是西门子、ABB 等十几家公司联2022年第46卷第12期75Network MultimediA网 络 多 媒 体网 络 多 媒 体合德国技术部共同推出的，是一种开放而独立的现场总线标准2。控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线是一种支持分布控制和实时控制的串行通信网络，具有优先抢占方式进行总线仲裁的作用机理，错误帧可自动重发3。CAN 现场总线网络实时性好、可靠性高、成本低，特别适合在条件艰苦、环境恶劣的工业现场进行实时数据传输。LonWorks 可适应多种通信介质，如双绞线、光纤、同轴电缆等，不同通信介质在同一网络中可以混用。LonWorks 是应用最广泛的一种现场总线技术，在工业控制、楼宇自动化和数据采集等方面应用广泛。在以太网中，网卡与局域网间通过双绞线实现串行通信，网卡与计算机通过计算机主板上的 I/O总线实现并行通信。网络通信采用通用 TCP/IP 协议，每个通信单元都有单独的 IP 地址。以太网是局域网常用的一种网络结构，网络可靠性高、灵活、传输速度高、具有良好的兼容性等优点。变电所综合自动化系统的通信包括：所内各部分之间的通信，也叫现场级通信；综合自动化系统与上级调度之间的通信。分层分布式变电所综合自动化系统现场级通信具体由 4 个方面构成。（1）设备层、间隔层之间的通信。间隔层中的信息交换主要来源于间隔层中的控制、测量、保护等单元的信息。通过相应传感器从设备层采集获得参数信息，包括正常或事故时的电压、电流、温度以及压力等参数，通过模拟量输入通道送到间隔层的各个微机单元模块中，完成对遥测、遥信等信息的采集。同时，间隔层收到上级调度的遥控、遥调指令后，也可以通过硬件接口电路送到现场设备的执行机构或驱动装置执行命令。（2）同一间隔层内的通信。同一个间隔层内部交换的信息主要包括保护信息、控制信息及测量信息等，为后续工作提供支撑4-5。（3）不同间隔层之间的通信。不同间隔层之间的通信主要实现保护动作信号传递给中央信号系统报警、主保护和后备保护启动等。间隔层的通信涉及的节点较多、信息量较大。结合间隔层