铁路智能配电一体化平台设计

2018-09-11

电气化铁道 2018年4期

0 引言

随着铁路运营速度的不断提高及现代工业的不断进步和发展，铁路电气设备控制的智能化和自动化要求越来越高，对供电可靠性、电能质量以及服务质量也提出了更高的要求。传统的铁路配电管理手段和管理方法已难以满足目前的发展要求，配电系统的自动化、智能化是大势所趋。

由于铁路供配电系统馈出多，支路数量大，在统一实现智能化方面投资成本较高，技术上也有一定难度。目前，多种铁路配电自动化系统的调度、管理平台均为分系统各自实现，包括铁路电力远动调度系统、温度监控系统、电能质量监控系统、线路安全监测系统、火灾自动报警系统等。每套系统均有各自独立的设备和通讯层，其通讯硬件和通讯协议大部分都不相同，数据不能相互融合，致使配电系统存在数据壁垒；多个系统独自生产制造、安装调试，使用维护成本很高[1～4]。目前，低压配电室大多为无人值守，当设备或线路出现故障时，各个工作系统都有相应的故障记录，但比较分散，无法有效掌握所有故障信息，不利于对故障进行判断[1]。

为解决上述难题，需研究并设计铁路智能配电一体化平台系统，整合铁路配电中各自动化系统，实现多个系统之间的信息融合；对电量参数进行实时监测，跟踪记录设备运行状况，及时掌握运行信息，实现调度的实时化、线路保护和漏电温度保护的自动化。近年来，自动化技术、通讯技术、计算机技术都取得了长足进步，足以通过一体化系统实现上述所有功能，集中解决铁路各独立系统在成本和数据共享方面存在的问题。

1 智能配电一体化平台概述

智能配电一体化平台由数据采集层、通讯管理层和就地监控主站层构成。3层独立结构既保证数据的实时稳定，又具有一定的经济性[5]。

数据采集层的终端设备是智能配电室的“黑匣子”，记录并保存运行数据，可用于事故后期分析。低压配电室大部分处于无人值守状态，通过该层设备实时监测配电室内设备的各参数量和设备运行状态，如出现异常，可将信息通过有线或无线方式上传至监控主站层，使管理人员可根据系统各部分采集和保留的信息判断并排除故障。

通讯管理层采用工业以太网与现场总线相结合的通讯模式，将设备室作为配电柜智能监控网关。就地监控层与通讯管理层之间的通讯采用网络方式，即利用由交换机组成的局域网进行数据传输；通讯管理层和终端设备（即数据采集层）之间采用CANbus总线，保证数据的实时性。

就地监控主站层中，每一个配电柜为一个最小管理单元，通过通讯层的配电柜智能监控网关实现各系统（铁路远动、漏电后台、能源管理等）数据的整理和转发，以及配电柜其他相关数据的监测。该层是策略存储、分析、管理、执行层，是实现配电信息数字化、信息共享标准化、通信平台网络化的保障。

2 平台主要设备

2.1 数据采集层设备

数据采集层设备主要包括供电回路的智能型远程终端单元（RTU）、智能断路器等。RTU综合测控单元完成电参量监测电力远动功能，设备为面板式安装，体积小巧、安装方便，带有TFT液晶显示，可以在现场直接观测到采集信息及部分记录曲线，其结构如图1所示。

图1 智能型RTU装置结构

智能型RTU装置的CPU采用意法半导体（ST）公司研发的STM32F103系列芯片，该芯片采用了专门设计的ARM Cortex-M3内核，以满足嵌入式应用对高性能、低功耗、低成本芯片的要求，其最高工作频率可达72 MHz。芯片集成了丰富的片上资源，如增强I/O口、高速存储器、多个USART通信接口等，可独立完成AD采样、数据上传、数据处理等功能。

同时，装置采样频率通过定时器设置为3.2 kHz，即每周波采样64个点，以供电回路或出线柜抽屉为单位，对每单位的三相电压和电流进行不间断采样，将铁路传统远动、电参数测量（三相电压/线电压，有功功率）、部分电能质量功能（电压/电流不平衡度、频率）、电能计量、漏电测量、电缆接头温度测量、变压器温度测量、低压微机保护和线路保护、断路器参数整定等多功能集于一体，节约大量材料成本，降低施工的复杂程度，降低后期产品和维护成本。具体检测流程如图2所示。装置选择低压配电系统广泛采用的三相四线式接线方式，如图3所示。通讯使用CAN或RS-485接口，采用自定义或Modbus RTU协议；接线端子分别为Can+（485A），Can-（485B）；传输介质为屏蔽双绞线。

图2 智能RTU的检测流程

图3 智能RTU的接线方式

2.2 通讯管理层设备

通讯管理层设备主要包括配电柜智能监控网关、工业交换机等。通讯管理层为整个平台的“咽喉”，是就地监控层设备与数据采集层设备进行数据交换的枢纽，主要实现底层设备数据集中、规约转换、接口转换、数据初步处理及响应监控层设备发出的指令等功能，并进行相关操作。

通讯管理层设备采用RTU-ASDU系列智能通讯网关，该系列通讯管理机采用通讯专用STM32F407ZE芯片，基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7 CPU微控制器、128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行，实现高达168 MHz的操作频率，并带有最多4个工业标准RS485、1个10 M/100 M自适应网络接口以及2路CAN通讯接口[6]，可以实现有线与有线之间或有线与无线之间的互联互通和数据传输。

同时，RTU-ASDU系列通讯管理机内置丰富的通讯规约库，支持IEC104、TCPMODBUS、MODBUS等规约，满足本平台对多种通讯方式的规约需求，实现了数据采集设备和系统主计算机间的信息传递、合成、编辑、管理和设备监控功能，适用于要求高、规模大的铁路智能配电系统平台。

在该平台中，通讯层将数据采集层采集的铁路传统远动参数、电参数、电能参数以及漏电和温度检测参数等数据进行整理、编辑及合并，并依据主站层的指令，遵从不同的通讯规约条件上传至主站层PC端，同时对数据采集层设备进行监控，保证系统运行的稳定性，实现配电系统的通信处理和设备管理功能。通讯层与数据采集层的物理连接如图4所示。

图4 通讯层和数据采集层的连接

在RTU-ASDU智能通讯网关的多种通讯方式中，该平台选择以RS-485通信为主，CAN通讯为辅的方式。RS-485转换芯片采用MAX485芯片，其原理电路如图5所示。

RS-485接口由平衡和差分接收器组合构成，接收器本身优良的抗噪声能力使RS485接口拥有良好的性能，其最高数据传输速率可达10 Mbps，可实现三相电压采样数据的即时上传。同时RS-485拥有扩展多个接口的能力，从总接口最多可分接出128个分接口，可以利用少量的RS-485接口简单快捷地组成设备网路，同时RS-485最大传输距离可达1 200 m，扩大了网络覆盖范围，实用性大大提高[7，8]。综上，RS-485优良的抗噪声干扰、多站点、较长的通讯距离等优点使其成为该平台首选的通讯接口。

除此之外，RTU-ASDU通讯管理机还支持远距离低功耗的Zigbee无线通讯方式，适用于现场无法对检测设备进行接线且距离较近的配电室内使用。

图5 MAX485芯片电路图

2.3 就地监控主站层设备

就地监控主站层以智能配电柜为基础平台，是3层中最重要的一层，主要设备包括高清大屏显示器、配电室智能监控主机（ASDU-LM）等，可以就地进行监控，是整个智能配电一体化平台的“大脑”。其主要功能是对通讯管理机上传的数据进行整理、分析、统计、可视化界面展示及转发，同时集成了开关控制功能，向通讯管理机及数据采集层发送相关数据采集和上传指令，实现对整个平台的监测和控制。主站层与通讯层的连接如图6所示。

图6 主站层与通讯层的连接

就地监控主站层也是配电平台与用户直接进行信息交互的媒介，通过可视化软件向用户传递所需信息。

针对该平台开发的软件是平台主站层的核心，它直接面对用户，是信息展示的媒介。该软件基于Java平台开发，具有界面友好、操作简单、画面美观等特点，并采用模块化设计理念，各项目管理模块（如铁路远动、能源管理、电气火灾监控、电能质量监测和分析、报警和事件管理、历史数据管理、报表管理、用户权限管理、第三方通讯等）均可独立运行，各模块之间互不影响，软件运行稳定可靠。

监控主站集成配电室内的用电设备监控、用电安全状态监视、能源管理统计、电能质量分析、环境监控等功能，采用智能监控模块和智能通讯管理机，汇总配电室内数据，转发所有数据（数据转移），为电力远动调度系统、消防安全系统、能源管理系统、BAS系统等其他管理系统提供相应数据，从而对配电状态进行更准确地分析。数据转移亦通过通讯设备来完成，故在监控主站层也需配备对外的通讯设备。

3 优势及应用前景

电力自动化行业的快速发展使市场竞争格局发生了重大变化，全球电力自动化容量约为1 000亿美元。而随着自动化技术的不断创新和发展，产品愈加成熟与智能化，国际国内市场对配电一体化、自动化的需求将呈现爆发式增长，市场应用前景广阔。

目前铁路配电所自动化系统可以实现遥控、遥测、遥调、遥信、遥视等功能，但对各系统之间的信息交互和信息管理，并不能做到统一，各接口难以互通，整合具有一定难度[9，10]。本文所述的智能配电一体化平台将信息化、数字化、网络化与配电柜融合，整合了铁路远动、漏电监测、温度管理、电量管理等独立系统，实现了信息采集、数据分析、信息上传、监控和实时调度，能够很好地解决上述问题。

在产业化方面，铁路智能配电一体化平台将配电一体化、自动化技术由实验研究转化为实际应用，对形成新的产业链具有促进作用，对形成新的产业格局也具有重大意义，符合国家产业发展方向和企业发展需求，将会产生明显的经济效益和社会效益。