铁路电力自动化系统组网方式探讨

王 雪 王典洪

（中国地质大学工程学院，武汉 430074）

1 概述

随着铁路行车向高速、大密度的迅速发展，与行车安全密切相关的铁路电力系统的供电可靠性要求越来越高。传统的监视控制方法，如人工调度、电话调度等方式，已经不能满足行车安全的要求。采用先进的电力自动化技术，实施远程自动监控和调度管理，是铁路系统电力管理部门和运行单位的共识，也是铁路电力系统必然的发展趋势。

铁路电力自动化系统（SCADA）就是利用先进的计算机软硬件技术、自动检测和控制技术、计算机通信和网络技术，对铁路电力系统的各个环节，如变配电所、信号电源、线路开关和电气集中供电电源等，进行集中监视和控制。实现自动化调度和管理，以提高运行管理及维护水平，保证铁路电力系统的安全、经济运行，并能及时进行故障处理，缩小故障停电范围，迅速恢复供电，减少停电损失，提高供电可靠性，为列车安全、可靠地运行提供保障。

2 铁路电力自动化系统的组网方式

2.1 现场总线方式

现场总线是应用在生产现场的全数字化、实时、双向和多节点的数字通信系统。现场总线控制系统（FCS）改变了传统DCS模拟数字通信混合、依靠一对一布线实现信号传辅、系统相对封闭等缺陷，成为工业控制技术的发展趋势之一，形成了从测控设备到监控计算机的全数字通信网络，顺应了控制网络的发展要求。FCS作为底层网络工作在现场设备前端，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频电缆、红外线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安全要求。现场总线通信具有布线简单、全数字化、可靠性高、实时性好、数据传输优先级控制、通信协议公开、适合嵌入式应用等优点。但是到目前，国内外的现场总线标准有60多种，而且互不兼容，大大延缓了现场总线的发展速度，常见现场总线有RS-485总线、CAN总线、LonWorks总线等。

现场总线主要用于变配电所内部保护单元之间，以及局部范围内RTU、STU和FTU之间的通信，如图1所示。

2.2 音频专线方式

铁路专用音频传输网络是指基于音频传输接入系统的铁路专用网络，主要包括铁路程控电话交换网（Z接口）以及音频共线专用通道（模拟二／四线接口）。铁路沿线有多个车站，每个车站都有信号电源、车站开关。利用铁路成线状分布的特点，可以采用更加经济的环形组网方式来实现控制数据的传输。在环形组网方式中需要一个可以中继的通信设备，他的作用就是把数据传递下去，直至最后一个单元。终端设备在接收到报文时，根据报文的地址信息来决定数据的取舍，对于与自身地址相同的，则接受并进行相应的处理，否则不处理该报文，如图2所示。

环形组网方式主要特点：节省信道资源，信号延时较大，实时性差，线路故障后数据可通过另一方向传输，可靠性高，只能采用轮训式规约。由于目前铁路通信系统发展较快，通道容量已经不是制约因素，所以此种组网方式已经基本淘汰。

2.3 数字通道方式

数字通道方式是通过通信传输接入系统所提供的数字接口实现电力自动化系统组网，通信接口一般采用RS-232/V.24/V.35等。组网方式类似于音频专线方式的星型组网方式，只是增加了一个多路串口机。由于这种方式存在一些缺陷，比如接口采用串口，通信距离很近。在采用直接连接的情况下，通信设备和电力设备之间距离不能超过15 m，大于这个距离时需要增加一对MODEM来延长传输距离。接口速率有限，多数只能传输64 kbit/s数据。正是由于这些特点，目前新建的铁路电力自动化系统已经不采用此种方式，部分已经采用这样方式的系统，也在近几年升级改造为其他方式。

2.4 以太网方式

以太网是当今信息网络领域应用最为广泛的局域网，正在逐步渗透到数据通信的每一个角落，也包括工业自动化领域。工业以太网就是技术上与以太网标准（IEEE 802.3）兼容，但设计和包装用于工业控制应用的要求和苛刻条件的以太网。铁路电力自动化系统现在已经广泛采用工业以太网通信技术，即采用工业交换机，通过通信系统的各种通道组成工业以太网，实现各设备之间的通信。

以太网方式主要特点如下。

（1）带宽大，传输速度快。

由于采用了以太网构架，在传送带宽上可以保证和普通以太网一致，完全能够满足需要。

（2）可以组成环形冗余网络，保证系统的可靠性。

采用工业以太网方式组网的电力自动化系统，在冗余方式上实现起来简单，故障情况下恢复速度快。

（3）良好的扩展性能。

在以太网组成的系统中，网络不仅用于控制数据的传输，同时也可以作为视频和语音的传输平台。摄像机的视频、语音、控制信号都可以通过编码器转换成符合以太网标准的信息接入网络中，从而实现数据、视频、语音“三网合一”功能。

（4）基于TCP应用层的协议。

ModBus/TCP是基于TCP/IP的ModBus协议，它在传输层选用标准的传输控制协议TCP，能在收到经网络传来的错误数据的情况下，通过应答与重传机制来保证数据的可靠传输。ModBus是一个开放的协议，众多的供应商都支持。网络层采用IP协议，用户只需了解控制设备的IP地址即可实现设备之间通信，而与低层网络地址和硬件无关，对于用户来说，整个网络可以看成一个透明结构。

由于采用了以太网方式组网，这种模式下的铁路电力自动化系统组网结构相对比较灵活，可以采用星型、环形甚至网状方式组网。结合铁路的特点，目前路内电力自动化系统的组网方式多采用环形方式，典型组网方式结构如图3所示。

其中“通信专业提供的专用通道”可以是多种类型，包括直接提供光纤和通信专用虚拟通道。如果采用光纤可在路由器上配置传输光口，根据光口的性能不同可提供几公里到几十公里不等的传输距离；如果采用通信专用虚拟通道，可通过传输系统提供的2 M通道或以太网通道实现连接，传输距离不受限制，只要附近有通信设备就可以实现接入，在铁路系统中，一般需要通信专业提供通道的电力节点附近都会设置通信机房,预留通信设备的安装位置。

3 结束语

SCADA系统在电气化铁道远动系统的应用技术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。由于电气化铁道与电力系统有着不同的特点，在SCADA系统的发展上与电力系统的道路并不完全一样。

铁路电力自动化系统有着重要的意义，铁路电力线路沿铁路线狭长分布，供电距离长，环境恶劣，事故多发，维修困难。所以提高现有铁路电力系统自动化水平非常必要。

铁路电力自动化系统对通信组网方式提出的第一要求就是安全可靠，正是基于这个要求，目前的铁路电力自动化系统大量采用专用通道组网，未来的发展方向也一定是向着可靠性更高的方向努力，同时组网的灵活性也会越来越高。

综上所述，铁路电力自动化系统组网方式将会向高可靠性、多经路迂回路由、更大的网络规模方向发展。

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