城市轨道交通电力工程论文

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1前言

城市轨道交通电力监控系统，其任务是实现对城市轨道交通供电系统各变电所及其相关供电设备运行的实时监视、测量和控制，及时处理供电系统报警、跳闸等各种故障，为运营维护人员提供信息化管理平台。当前，电力监控系统由控制中心电力调度系统，设置在各变电所内的全所综合自动化系统，以及通信通道三部分构成。其中，通信通道由地铁通信系统提供。按照电力调度系统实现方式的不同可分为独立监控系统方式和综合监控系统方式。综合监控系统方式是指集成电力监控系统的调度系统，采用统一的软硬件平台实现电力调度系统的相关功能；在独立监控系统方式中，调度系统则是需要单独配置。利用城市轨道交通内部的通信网络，控制中心电力调度系统可以实现对全线各变电所主要供电设备及接触网电动隔离开关等的实时监控，完成调度所对全线供电系统的运行及维修的调度管理。由于城市轨道交通电力监控系统需要实时、准确地反映整个供电系统的运行状态，尤其是故障信息，运营人员才有可能正确地判断故障，迅速地处理故障，缩小故障范围，降低人员伤亡和财产损失，确保供电系统的持续可靠运行。高实时特性，是电力监控系统的核心要求，本文即探讨电力监控系统的通信网络及其对时方式。

2电力监控系统通信网络的构成

控制中心电力调度系统网络通常采用10/100/1000Mbps自适应开环以太总线网络，双网对等工作方式。正常情况下双网同时工作，并可根据需要分担不同的数据传输，当某一网络故障时，系统给出报警信息，并由非故障网络承担全部的数据传输。采用国际标准化的、成熟、可靠、通用性强的TCP/IP网络协议。通过与控制中心通信系统主母钟进行同步对时，电力调度系统与各变电所综合自动化系统具有网络同步时钟功能。城市轨道交通的变电所综合自动化系统中，各种间隔层智能保护测控装置通常是通过各种总线网络连接而成，通过接收控制中心或通信系统车站级二级母钟发出的时钟信息，并按此时钟校准整个系统的时钟同步。通信网络是监控系统的关键部分，其通信能力直接影响监控系统的实时性能。当前国内新建的各变电所内设备组成及其通信网络主要分三层：

1）间隔层

间隔层主要包括各种智能保护测控装置以及具有通信处理功能的装置等。间隔层的主要特点是智能化单元，基本功能不依赖于通信网络，实时采集间隔层设备的运行信息，并上送至上一级调度系统。

2）网络层

由组网设备及通信线缆构成，实现控制端与被控端间实时、无间断的数据传输。

3）站控层

站控层是变电所综合自动化系统的大脑，拥有通信控制系统和后台机系统，担负着整个系统的通信管理、MMI人机界面以及自动运行控制管理等主要任务。考虑到轨道交通变电所都是以间隔为单元布置，设备具有向下兼容性，并考虑到国际发展趋势，故近年来虽然有用以太网完全替代现场总线网的趋势，但当前的作法仍然是分层布置，间隔层以上为10/100M嵌入式以太网作为主干网络，负责全站的通信传输。而在间隔层仍普遍采用现场总线，站点内集成的装置种类较多，厂商和总线形式都可能不同，如可能同时存在CANbus、Modbus、Profibus、Lonwords、IEC60870-5-103等多种总线协议,甚至是厂家自身专利的通信协议。

3电力监控系统的对时方式

多站之间的通信，有采用点对点串行通信，也有采用网络式的，对于基于通道的对时方式，一般分为三种，即硬对时、软对时和综合对时方式。硬对时是指向需要对时的设备发送同步脉冲，对侧根据脉冲进行调整的对时方式。硬对时方式中，同步误差主要是由脉冲的传输延时不一致造成的，该误差一般仅为几微秒，且与传输路径的长度有关，故可以通过调整传输路径来提高精度。其缺点为无法提供时间日期等信息，这就要求装置自身具有记录功能。软对时方式是通过向需对时设备发送时间报文的方式进行对时，其原理如图2所示。其通信报文中包含了当前的时间信息，故不需要装置进行记录。但基于串行通信实现对时的方式也决定其精度受通信网络的影响，例如：协议转换、延时传送、中断处理、雪崩等不确定性传输延时的影响，无法满足高精度的要求。综合对时是指对于时间没有要求的设备，采用秒脉冲作为硬对时信号，对于有时间要求的采用软对时方式，即结合了以上两种对时方法的特点，综合采用。不依赖于通道的对时方法，一般为GPS对时方法。GPS同步法是利用GPS接收机接收GPS卫星发送的时间信息，从而达到时间标签一致。对各个设备进行监控和操作，仅需参考其时间标签即可。GPS同步法的优点：同步与组网通信无关，可以适应各种的通信系统，精度高（可以达到μs级），不受网络影响，是一种理想的同步方法。但由于对GPS信号的强度有要求，例如：地下变电所及山区变电所等可能不具备接收GPS信号条件，以及安全可靠性、经济因素（需要单独设置GPS接收装置）等问题，GPS同步方式具有局限性。

4总结与展望

目前，控制中心电力调度系统网络采用10/100/1000Mbps自适应开环以太总线网络、TCP/IP协议，基本满足调度端通信处理的实时性要求；变电所综合自动化系统间隔层采用各设备厂家提供的通信协议及总线通信方式，通过接收控制中心或通信系统车站级二级母钟发出的时钟信息，并按此时钟校准整个系统的时钟同步。考虑到以太网的通信容量大和TCP／IP规约的开放性好等优点，在网络层采用基于工业以太网的TCP/IP协议，应用层采用ICE60870-5-104（即104规约）必将成为趋势。GPS同步对时方式仍然不是城市轨道交通的最佳选择，结合通信规约和软对时、硬对时优点的综合对时方式应当作为今后的首选。相信，随着计算机技术、通信技术、网络技术的发展进步，电力监控系统及其对时方式也将与时俱进、改革创新，不断提高轨道交通系统管理的信息化水平。