摘要：本文通過分析蘇州軌道交通一號線電力監(jiān)控系統(tǒng)的接口類型及通信規(guī)約，總結了目前軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)接口通信所面臨的問題，提出了IEC61850新技術標準在未來城市軌交通電力監(jiān)控系統(tǒng)應用中的優(yōu)越前景。
　　關鍵詞:城市軌道交通，電力監(jiān)控，通信規(guī)約，IEC61850
　　1蘇州軌道交通1號線電力監(jiān)控概況
　　蘇州軌道交通1號線供電系統(tǒng)采用110/35kV兩級集中供電方式，設6個供電分區(qū)。東西設有專用的2座110/35kV主變電所，采用35kV中壓網(wǎng)絡向全線所有牽引降壓混合變電所、降壓變電所和跟隨所供電。電力監(jiān)控系統(tǒng)是由設置在控制中心的電力監(jiān)控調度系統(tǒng)，設置在地鐵沿線變電所綜合自動化系統(tǒng)以及聯(lián)系它們的通信通道構成。在車輛段綜合基地供電車間調度室內還設置電力監(jiān)控系統(tǒng)復示終端，以監(jiān)視全線供電系統(tǒng)的運行情況。其中控制中心的電力調度系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)復示終端作為子系統(tǒng)納入綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS），由綜合監(jiān)控專業(yè)實現(xiàn)其硬件、軟件配置。
　　變電所綜合自動化系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結構，由站級管理層、網(wǎng)絡通信層、間隔設備層組成。系統(tǒng)以供電設備為對象，通過網(wǎng)絡將所內的35kV/400V交流保護測控單元、1500V直流保護測控單元、交直流電源系統(tǒng)監(jiān)控單元等間隔層設備連接起來。
　　2變電所綜合自動化系統(tǒng)接口類型及通信規(guī)約分析
　　影響電力監(jiān)控系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的一個重要點是能否合理有效解決各種供電設備間的接口通信。以下為蘇州軌道交通一號線變電所綜合自動化系統(tǒng)接口類型及通信規(guī)約表：
　　表2.1：牽引降壓混合變電所、降壓變電所各間隔層設備與變電所綜合自動化系統(tǒng)的接口類型及采用的通信規(guī)約表：
　　序號 接口設備名稱 接口類型 通信規(guī)約 備注
　　1 35kV開關柜保護測控單元 光纖以太網(wǎng) MODBUS-TCP/IP 
　　2 1500V直流開關柜保護測控單元 光纖以太網(wǎng) MODBUS-TCP/IP 降壓所不設
　　3 接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開關 硬接點  降壓所不設
　　4 排流柜 硬接點  降壓所不設
　　5 0.4kV低壓開關柜監(jiān)控單元（含跟隨所） 串口通信（RS485） MODBUS-RTU 
　　6 交直流電源裝置監(jiān)控單元 串口通信（RS485） MODBUS-RTU 
　　7 軌電位限制裝置 硬接點  
　　表2.2：主變電所各間隔層設備與變電所綜合自動化系統(tǒng)的接口類型及采用的通信規(guī)約表：
　　序號 接口設備名稱 接口類型 通信規(guī)約 備注
　　1 110kV主變保護 以太網(wǎng) IEC60870-5-103 
　　2 110kVGIS測控單元 光纖以太網(wǎng) IEC60870-5-104 
　　3 35kV開關柜保護測控單元 光纖以太網(wǎng) MODBUS-TCP/IP 
　　4 交直流電源裝置監(jiān)控單元 串口通信（RS485） MODBUS-RTU 
　　可以看出，軌道交通變電所綜合自動化系統(tǒng)的底層接口類型多種多樣，常用物理接口主要有串口數(shù)據(jù)接口、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口、硬線接口等。站控層與間隔層設備的通信協(xié)議也較為復雜，比如常用的IEC103、CANBUS、Lonworks、ProfiBus、ModBus等協(xié)議。雖然間隔層設備型號多、廠家雜，而且各大廠商都有自己獨立開發(fā)的通信協(xié)議，但是大部分的間隔層設備都能兼容ModBus協(xié)議。該協(xié)議為公開的免費協(xié)議，協(xié)議格式簡單，編程容易，維修技術人員容易上手。ModBus協(xié)議既有支持串行接口的ModBusASCII和ModBusRTU兩種模式，又有支持以太網(wǎng)的ModBusTCP模式。隨著以太網(wǎng)技術不斷革新和變電所規(guī)模的日趨擴大，支持以太網(wǎng)的ModBusTCP模式已被廣泛應用。
　　3與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口及通信規(guī)約分析
　　目前城市軌道交通工程包含多個自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)集成便于資源共享，事故情況下統(tǒng)一指揮。因而，電力監(jiān)控系統(tǒng)有必要集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)中。此時處理好電力監(jiān)控系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的關系及接口是十分重要的。
　　圖3.1：典型車站變電所綜合自動化系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口圖示
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　注：圖中箭頭代表數(shù)據(jù)流方向的指示。
　　 接口類型、位置及數(shù)量
　　接口編號 接口類型 接口分界 接口數(shù)量 接口用途
　　SCADA.01 光纖以太網(wǎng)；主/備通道光纜采用2根4芯室外直埋型鋼帶鎧裝光纜；IEC104規(guī)約 相鄰牽引降壓混合所車站綜合監(jiān)控通信機械室的光纖接線盒的入口 SCADA：每個站提供1處接口
　　綜合監(jiān)控：每個站提供1處接口 實現(xiàn)變電所綜合自動化系統(tǒng)接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
　　由于城市軌道交通所監(jiān)控的變電所數(shù)量較多，距離較遠而供電可靠性要求非常高等特點，因此提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃猿蔀橥瓿杀O(jiān)控功能的關鍵，一號線電力監(jiān)控系統(tǒng)采用的是光纖以太網(wǎng)通信技術。可以簡單可靠地實現(xiàn)各個變電所綜合自動化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)調度主站系統(tǒng)的無縫連接。整個系統(tǒng)是一個在以太網(wǎng)基礎上，基于客戶/服務器體系結構的全分布式系統(tǒng)。控制中心調度主站系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的CLIENT端，各變電所綜合自動化系統(tǒng)的通信管理機作為整個系統(tǒng)的SERVER端，以TCP/IP協(xié)議互相通信，構成標準的CLIENT/SERVER模式。各變電所內的通信管理機對下采集所內保護、測控、智能裝置的實時數(shù)據(jù)，并轉發(fā)來自調度主站系統(tǒng)或當?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)的控制命令，對上將采集到的實時數(shù)據(jù)通過通信通道上傳給調度主站系統(tǒng)，并接受來自調度主站系統(tǒng)的控制命令。
　　有了高速傳輸?shù)墓饫w以太網(wǎng)通信形式，還需采用合適的遠動通信規(guī)約才能完成響應的通信。一號線變電所綜自系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)接口采用了IEC60870-5-104通信規(guī)約(以下簡稱104規(guī)約)。104規(guī)約是IEC60870-5-101規(guī)約的網(wǎng)絡版，作為遠動網(wǎng)絡化標準通信協(xié)議的一種，它既具有實時性好、可靠性高、數(shù)據(jù)流量大等優(yōu)點，又具有便于信息量擴充、支持網(wǎng)絡傳輸?shù)葍?yōu)點。因此，利用104規(guī)約實現(xiàn)城市軌道交通中變電所綜自系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成通信是非常好的辦法。它既保證了開放性，又能很好滿足監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性等要求，有利于標準化的優(yōu)勢帶來開發(fā)的便捷性。同時，基于104規(guī)約在實現(xiàn)網(wǎng)絡通信上，可有效利用光纖通道的傳輸能力。有利于遠動協(xié)議的標準化推廣，對實現(xiàn)自動化系統(tǒng)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享以及設備方便、迅速的維修提供了技術支持。但是，電力監(jiān)控系統(tǒng)常常要求能夠遠方修改保護定值和保護動作信號進行遠方復歸，而這些在104規(guī)約中并沒有相關定義，因此，還需要對104規(guī)約進行拓展。
　　4目前電力監(jiān)控系統(tǒng)接口通信面臨的問題
　　4.1接口通信協(xié)議繁多，且需經(jīng)數(shù)次轉換，面臨大量接口測試工作
　　在城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中，變電所內間隔層各智能保護設備一般采用分別招標施工的方式。以蘇州軌道交通為例，35kV、1500V、400V保護測控設備采用三個不同廠家設備，再加之交直流系統(tǒng)、軌電位限制裝置等，一個車站級變電所內具有多達數(shù)十種間隔層設備。各個設備廠家往往采用不同的接口協(xié)議，即使采用同一標準協(xié)議，在實際工程實現(xiàn)時，各個設備廠家往往也對該標準協(xié)議有各自的解釋方式和優(yōu)化升級。再加之，變電所綜合自動化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)分別采用的國電南自和國電南瑞的設備，間隔層各設備數(shù)據(jù)按表2.1、表2.2通信協(xié)議經(jīng)南自通信服務器WTS-65轉換成南自IEC103規(guī)約后，經(jīng)由南自通信管理機WTX-65，通過IEC104規(guī)約轉發(fā)至南瑞通信管理機C306后，再轉換成DNP規(guī)約送至車站級服務器處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過多級協(xié)議轉換，造成了電力監(jiān)控系統(tǒng)通信管理單元需要進行定制處理，又伴隨著大量的接口測試、調試工作，對工作的實施極為不利。系統(tǒng)投運后，協(xié)議的多樣性也會對運營人員提出了較高的要求，對維護工作帶來困難。
　　4.2通信方式多樣，可靠性不足
　　采用不同廠家的設備也造成了通信鏈路方式的多樣，以蘇州軌道交通一號線為例，間隔層設備有以太網(wǎng)、串口等多種通信方式，這就對通信管理單元提出了同時具備這些通信方式的高標準、高要求。而通信管理單元，是電力監(jiān)控系統(tǒng)通信處理的中樞，在完成這些通信方式要求的同時，其自身的穩(wěn)定性、可靠性就成了問題。通信方式轉換設備、通信管理單元對日后運營人員的維護工作造成了麻煩。
　　因此，要從根本上解決接口問題，就只有要求各廠家采用一個標準通信接口和通信協(xié)議，以支持不同制造廠商生產的智能電子設備具有互操作性和互換性。
　　5IEC61850標準在城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)中的發(fā)展前景
　　現(xiàn)今，最新技術IEC61850標準是基于通用網(wǎng)絡通信平臺的變電所自動化系統(tǒng)唯一國際標準。它提出了實現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上實現(xiàn)“一個世界、一種技術、一個標準”，為城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)打開了一扇面向未來、面向新技術的大門。
　　5.1IEC61850標準的特點：
　　1）定義了變電所的信息分層結構
　　IEC61850除了將變電所綜合自動化系統(tǒng)分成變電站層、間隔層和過程層之外，每個物理裝置又由服務器和應用組成，將服務器（SERVER）分為邏輯裝置—邏輯節(jié)點—數(shù)據(jù)對象—數(shù)據(jù)屬性，物理裝置內包含服務器（SERVER）和應用。從應用方面來看，服務器包含通信網(wǎng)絡和I/O。由IEC61850來看，服務器包含邏輯裝置、邏輯裝置包含邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點包含數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性。從通信的角度來看，服務器通過子網(wǎng)與站網(wǎng)相連，每1個IED即可扮演服務器角色，也可扮演客戶的角色，這種分層，需要有相應的抽象服務來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
　　2）網(wǎng)絡獨立性
　　IEC61850標準總結了變電所內信息傳輸所必需的通信服務，設計了獨立于所采用網(wǎng)絡和應用層協(xié)議的抽象通信服務接口（ASCI）。在IEC61850-7-2中，建立了標準兼容服務器所必須提供的通信服務的模型，包括服務器模型、邏輯設備模型、邏輯節(jié)點模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)集模型。客戶通過ACSI，由專用通信服務映射（SCSM）映射到所采用的具體協(xié)議棧，例如制造報文規(guī)范（MMS）等。IEC61850標準使用ACSI和SCSM技術，解決了標準的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡技術發(fā)展之間的矛盾，即當網(wǎng)絡技術發(fā)展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI。
　　3）面向對象的數(shù)據(jù)自描述
　　IEC61850之前所有規(guī)約都是面向點的，傳輸信息必須事先將傳輸?shù)淖冸娝�遠動設備的信息與主站系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行約定，并一一對應，這樣才能正確的反映現(xiàn)場設備的狀態(tài)。當智能電子設備間要交換的信息越來越多，越來越復雜時，面向點的規(guī)約的局限性就越來越明顯了。采用面向對象自我描述方法就可以適應這種形式發(fā)展的要求，不受預先約定的限制，什么樣的信息都可以傳輸。采用面向對象自我描述方法，傳輸?shù)街髡镜臄?shù)據(jù)都帶有說明，馬上可以建立數(shù)據(jù)庫，使得現(xiàn)場驗收的驗證工作大大簡化，數(shù)據(jù)庫維護工作量也大為減少。IEC61850還規(guī)定了描述智能電子設備本身結構、通信系統(tǒng)結構、開關間隔功能機構及他們之間關系的文件格式（基于可擴展標記語言，extensiblemarkuplanguage,XML），XML其描述的方法使文件中的數(shù)據(jù)能夠在不同廠家的設備工程工具和系統(tǒng)工程工具以兼容的方式進行交換。
　　4）數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模
　　目前IECTC57的各種標準都是根據(jù)各種特定應用，對各種對象建模，不能做到完全一致。要將各種協(xié)議連接起來，或者和SCADA數(shù)據(jù)庫連接起來，就要進行轉換。在采用網(wǎng)絡技術的情況下，這種狀況很難適應發(fā)展的需要。IECTC57規(guī)定IEC61850的任務就是從SCADA數(shù)據(jù)庫到過程的對象統(tǒng)一建模。
　　5.2IEC61850標準在城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展優(yōu)勢
　　1）城市軌道交通各變電所相對地方電力系統(tǒng)來說，分布地域范圍小。且一般一條線路單獨一套電力監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結構相對獨立，為IEC61850標準初期的調試和組網(wǎng)提供便利。同時，目前城市軌道交通廣泛采用的高速光纖以太網(wǎng)通信通道，更是為IEC61850標準提供了一個充分展現(xiàn)的舞臺。
　　2）面向對象的數(shù)據(jù)自描述方式，傳輸?shù)娇刂浦行牡臄?shù)據(jù)都帶有自我說明，不需要在進行數(shù)據(jù)物理量對應、標度轉換工作。數(shù)據(jù)庫可自動建模、自動更新，不受預先定義的限制，對于數(shù)據(jù)量大的城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)來說，使得現(xiàn)場驗收的驗證工作大大簡化，數(shù)據(jù)庫維護工作量也大為減少。
　　3）通信管理裝置隨著間隔層設備采用IEC61850標準，將不復存在。間隔層設備通過支持IEC61850標準的光纖以太網(wǎng)交換機，直接接入到通信主干網(wǎng)中，由控制中心的服務器直接完成數(shù)據(jù)采集與控制。而交換機作為成熟工業(yè)產品，其穩(wěn)定性和可維護性遠高于通信管理裝置。從而提高整個城市軌道交通的穩(wěn)定性，減少維護工作量。
　　6結束語
　　目前為止，國內還沒有在軌道交通變電站中使用IEC61850的實例，但地方電網(wǎng)變電站正積極推出基于IEC61850標準的數(shù)字化變電站。相信，隨著國內電力行業(yè)IEC61850標準技術的不斷發(fā)展成熟，城市軌道交通通信接口標準化、通信規(guī)約統(tǒng)一化的迫切需要，不久的將來，IECC61850標準將成為城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)的選擇。
　　
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