辄蘧交厦．轨道交通变电所综合自动化系统结构分析及其优化设计 上海电器技术（２００８№．２） 室设置专用人机工作站；网络通信层包括各种通信 管理层与间隔设备层的数据交换提供传输通道。典 设备，如交换机、网线、总线、协议转换器等，为站级 站级管理层 一网络通信型的轨道交通变电所Ｉ层一间隔设备层 ＡＳ结构如图１所示。 图１ 典型轨道交通变电所ＩＡＳ结构图 １．１ 站级管理层结构分析 择单个主监控单元即能满足系统可用性要求。 国内各城市的轨道交通建设项目中，站级管理 在已投人运营的上海轨道交通１号线、２号线、 层的设置各不相同，如主监控单元有采用双机冗余 ３号线、８号线、９号线以及南京地铁１号线等变电 的，也有采用单机的；有选用ＰＬＣ作为硬件的，也有 所ＩＡＳ项目中，均采用了单个主监控单元的设计方 采用工控计算机的。有些项目在车站控制室内还设 案。经过多年的运营考核，单个主监控单元的运行 置专用的人机工作站，但大部分项目并没有设置。 效果良好，能满足电力监控系统的可靠性和可用性 １．１．１ 关于主监控单元冗余设置的必要性 要求。 是否采用冗余的主监控单元，取决于系统可用 若采用冗余主监控单元，不仅会增加建设成本， 性指标的要求。在高电压等级的变电站中，由于系 而且还将增加１３后的维护成本。在单个主监控单元 统可用性指标要求较高，采用冗余的主监控单元成 能满足系统可用性要求的情况下，采用冗余主监控 为常见的现象。但对于电压等级为３５ ｋＶ的轨道交 单元有画蛇添足之感。 通变电所，系统可用性指标一般选取９９．９５％。若不 １．１．２主监控单元硬件的选择 考虑主监控单元软件上的缺陷，即假设主监控单元 主监控单元一般选用成熟的硬件，以增加其 软件是成熟的，那么无论主监控单元硬件选用ＰＬＣ， 可靠性和稳定性。在国内变电所ＩＡＳ项目中，主监 还是工业控制计算机，其ＭＴＢＦ均可大于５０ ０００ ｈ，选 控单元硬件一般选用品牌的ＰＬＣ或工业控制计算 一５５一 维普资讯 http://www.cqvip.com 上海电器技术（２ｏ０８№．２）轨道交通变电所综合自动化系统结构分析及其优化设计．辄厘交固 机。从性能和价格方面考虑，ＰＬＣ与工业控制计算 机不相伯仲。但从两者产品的特色看，工业控制计 减员增效的目标背道而驰。权衡利弊，本文认为在 车站控制室设置专用人机工作站的意义不大。 １．２网络通信层结构分析 算机在运算能力方面见长，而ＰＬＣ则在Ｉ／Ｏ处理上 见长。 与城网电力系统相比，轨道交通变电所具有设 在轨道交通供电系统中，接触网沿轨道布置，接 触网隔离开关和越区隔离开关则在变电所之外。 由于接触网隔离开关不配备就地级智能测控单元， 备种类众多的显著特点。除常规变电所具有的开关 柜等设备外，轨道交通变电所还包括如直流系统的 正极柜、负极柜、排流柜，轨电位限制装置，杂散电流 故其状态信号需要变电所ＩＡＳ通过Ｉ／Ｏ硬接点方式 进行采集。若主监控单元硬件采用ＰＬＣ，那么只要 配置一定数量的ＤＩ、ＡＩ模块，就可完成对前述硬接 点信号的采集；若主监控单元硬件采用工业控制 计算机，那么就需要再配置一台ＰＬＣ设备进行硬 接点信号采集，这不仅会增加建设成本，而且会挤占 控制信号屏的空间。因此，在轨道交通变电所ＩＡＳ 中，采用ＰＬＣ作为主监控单元硬件是一种不错的选 择。 １．１．３人机工作站的设置 国内个别线路在车站控制室设置专用人机工作 站，以实现车站级的监视和控制。由于变电所一般 按无人值守的要求设计，故在车站控制室设专用人 机工作站似乎也有充分的理由。 事实上，是否设置专用人机工作站，取决于运营 调度的管理模式。轨道交通供电系统采用控制中心 集中调度的方式，其原因在于轨道交通电网调度往 往是跨区域的，不管是３５ ｋＶ环网，还是１ ５００ Ｖ接 触网，单点故障不仅会影响本区域供电，往往还会影 响到相邻区间甚至全网的运行。而故障隔离及恢复 供电的过程也不是某个车站所能操控的，需要控制 中心统一操作调度。因此，车站控制室设专用人机 工作站的意义仅限于对本车站区域内供电系统状态 的监视。 车站值班员的主要职责是监控车站机电设备的 运行，为乘客提供适宜的乘车环境，不需要关心供电 系统的状态。若车站控制室设专用人机工作站，则 还应考虑在每个车站配备一名电力专业值班员，这 不仅会增加建设和运营成本，也与变电所无人值守、 一５６一 监测装置，上网隔离开关控制柜等设备。由于专业 上的差异，这些供电设备所配备的保护测控装置各 不相同，种类繁多，增加了变电所ＩＡＳ网络结构的复 杂性。 网络结构的好坏直接影响到变电所ＩＡＳ的实时 性和可靠性。轨道交通变电所ＩＡＳ常用的网络拓扑 结构有星状结构、环型结构、总线型结构等；传输介 质有双绞线、同轴电缆、光纤等；常用的通信协议包 括： （１）串行通信协议，如ＣＤＴ、ＳＣ１８０１、ＤＮＰ、Ｍｏｄ— ｂｕｓ、ＩＥＣ ６０８７０—５—１０１、ＩＥＣ ６０８７０—５—１０３等； （２）现场总线通信协议，如Ｍｏｄｂｕｓ＋、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、 Ｌｏｎｗｏｒｋｓ、Ｃａｎｂｕｓ等； （３）网络通信协议，如ＤＮＰ网络、Ｍｏｄｂｕｓ网络、 ＩＥＣ ６０８７０—５—１０４等。 早期的变电所ＩＡＳ网络结构中，采用点对点串 行通信方式比较常见，通信规约通常采用ＣＤＴ、Ｐｏｌ— ｌｉｎｇ等或者相类似的串行通信协议。该种通信方式 具有传输距离短、传输速度慢、抗干扰性能差、系统 扩展难等缺点，目前正逐渐被现场总线通信方式和 以太网总线通信方式所替代。 １．２．１ 现场总线通信方式 间隔设备层各智能装置挂在一条总线上，各节 点地位平等。主监控单元采用总线轮询方式与现场 各智能装置进行通信。各个节点在接收信息时进行 地址检查，观察是否与自己的地址相符，若相符，则 接收网络上的信息。通信规约通常采用Ｍｏｄｂｕｓ＋、 Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ、Ｃａｎｂｕｓ等总线协议。 与串行通信方式相比，现场总线通信方式具有 维普资讯 http://www.cqvip.com 轫厦交通．轨道交通变电所综合自动化系统结构分析及其优化设计 上海电器技术（２００８№・２） 如下优点： 时性受在线设备数量的制约，而以太网通信的优势 （１）采取双绞线或同轴电缆总线形式连接，节 省敷设成本； 也需要以传输距离较近为前提。如何在ＩＡＳ中发挥 现场总线技术和以太网技术的优势，避免各自技术 上的不足，构建适合轨道交通变电所ＩＡＳ的通信网 络结构，本文将在下面进行分析和阐述。 （２）传输距离较远，理论上最远可达１ ２００ ｍ； （３）传输速度快，传输速率可达１９．２ ｋｂｐｓ一１２ Ｍｂｐｓ； （４）结构简单，可扩充性好。 鉴于现场总线技术明显的优势，其在国内变电 所ＩＡＳ中的应用已相当普遍。纵然如此，现场总线 通信方式也存在着一些无法回避的不足，具体表现 在： （１）抗干扰性能差； （２）实时性受总线上所连接设备数量影响，设 备数量越多，系统实时性越差。 １．２．２以太网总线通信方式 近年来，以太网技术，尤其是适用于工业现场的 工业以太网技术得到了迅猛发展，并在变电所ＩＡＳ 等系统中得到应用。它有以下优点： （１）结构简单，布线便捷。 （２）扩展性强。新增节点不影响现有网络结构 或布线。 （３）维护容易。单点故障不影响其它节点的连 接，修复后可重新接入网络。 （４）传输速度快，实时性好。目前，１ ０００ Ｍｂｐｓ 工业以太网已得到广泛应用。 与现场总线通信方式一样，以太网通信方式也 存在一些不足，具体表现在： （１）抗干扰性能较差； （２）由于采用星形接线，布线成本比现场总线 高； （３）传输距离比现场总线近，超过１００ Ｉｎ时需 增加中继器或采用其它传输介质，如光纤等，增加了 建设成本。 虽然，现场总线技术和以太网技术在ＩＡＳ中得 到广泛应用，但从上述比较、分析可以看出，两者都 有其局限性。除抗干扰能力较差外，现场总线的实 ２变电所ＩＡＳ结构优化 根据上述分析，本文提出了一种优化的变电所 ＩＡＳ结构。该ＩＡＳ仍包含站级管理层、网络通信层 和间隔设备层三层结构。其中，站级管理层主要由 主监控单元和人机接口设备构成，采用单机结构，主 监控单元硬件选用品牌ＰＬＣ，取消车站专用人机工 作站设置；网络通信层采用以太网和光纤环网相结 合的形式，设置在控制信号屏附近的交、直流系统， 通过以太网通信方式直接接入车站交换机（车站交 换机安装在控制信号屏内）；而间隔设备层其它保 护测控装置，如３５ｋＶ进线保护、母线保护、变压器／ 整流器保护，１Ｏ ｋＶ及４００ Ｖ进线保护、馈线保护、 １ ５００ Ｖ进线、馈线保护以及变压器／整流器温控仪 等智能装置则通过光纤环网接入车站交换机，触网 隔离开关及越区隔离开关信号通过硬接线方式直接 接入主监控单元的Ｉ／Ｏ模块。系统总体结构如图２ 所示。 优化的变电所ＩＡＳ结构充分发挥了以太网通信 技术的优点，克服了现有总线技术存在的不足，并具 有以下特点： （１）可靠性高 一方面，通过精简站级管理层的设备配置，减少 设备故障环节，降低系统软件的配置要求，从而提高 系统的可靠性；另一方面，综合以太网通信技术和现 场总线通信技术的优点，提出光纤环网的通信方式， 采用单路光纤实现通道冗余，光纤环网任意单点故 障不影响ＩＡＳ系统的通信功能，从而有效地提高了 系统的可靠性。 （２）实时性强 全部采用以太网通信方式，传输速率最高可达 一５７— 维普资讯 http://www.cqvip.com 上海电器技术（２００８Ｎｏ．２） 轨道交通变电所综合自动化系统结构分析及其优化设计．轫厘交通 站级管理层 一网络通信层一间隔设备层 图２优化的轨道交通变电所ＩＡ￥结构图 １ ０００ Ｍｂｐｓ，确保了间隔层设备信息的实时传输。 （３）实施成本低 除站级管理层设备精简外，采用光纤环网替代 传统的星形结构，大大减少了布线数量和布线成本。 能力强等显著优点。 变电所ＩＡＳ是轨道交通电力监控的基石，其功 能和性能的优劣直接影响轨道交通电力调度的质量 和效率。本文在充分考虑地铁运营调度需求的基础 另外，统一采用光纤作为传输介质，省却了大量光电 转换器、中继器等采购费用。 （４）抗干扰能力较强 上，利用最新的通信网络技术，提出了优化的变电所 ＩＡＳ结构设计方案。相信该优化设计能对轨道交通 电力调度技术的发展及变电所ＩＡＳ设计规范化起到 积极的推进作用。 由于间隔层环境恶劣，电磁干扰较强，采用光纤 替代传统的电缆，可有效地降低通信误码率，提高系 统的抗干扰能力。 参考文献 ３结语 ［１］魏晓东．城市轨道交通自动化系统与技术［Ｍ］．北京 本文以主监控单元配置和通信网络结构分析为 重点，对城市轨道交通变电所（ＩＡＳ）结构进行分析， 指出了现有系统结构上的不足，提出了一种优化的 系统结构方案。与现有系统结构相比，优化的系统 结构具有可靠性高、实时性强、施工成本低、抗干扰 一电子工业出版社，２００４． ［２］ 韩玉雄，ＣＢＺ一１００变电站综合自动化系统的设计及 应用［Ｊ］．上海电器技术，２００４（４）：１２～１７． ［３］ 柯迪民，牵引变电所综合自动化系统功能探讨［Ｊ］．继 电器，２００６（１６）：８６～８８． ５８一
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