摘要：本文通過分析蘇州軌道交通一號線電力監控系統的接口類型及通信規約，總結了目前軌道交通電力監控系統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控系統應用中的優越前景。
　　關鍵詞:城市軌道交通，電力監控，通信規約，IEC61850
　　1蘇州軌道交通1號線電力監控概況
　　蘇州軌道交通1號線供電系統采用110/35kV兩級集中供電方式，設6個供電分區。東西設有專用的2座110/35kV主變電所，采用35kV中壓網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。電力監控系統是由設置在控制中心的電力監控調度系統，設置在地鐵沿線變電所綜合自動化系統以及聯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控系統復示終端，以監視全線供電系統的運行情況。其中控制中心的電力調度系統、電力監控系統復示終端作為子系統納入綜合監控系統（ISCS），由綜合監控專業實現其硬件、軟件配置。
　　變電所綜合自動化系統采用分層分布式系統結構，由站級管理層、網絡通信層、間隔設備層組成。系統以供電設備為對象，通過網絡將所內的35kV/400V交流保護測控單元、1500V直流保護測控單元、交直流電源系統監控單元等間隔層設備連接起來。
　　2變電所綜合自動化系統接口類型及通信規約分析
　　影響電力監控系統安全、穩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接口類型及通信規約表：
　　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的接口類型及采用的通信規約表：
　　序號 接口設備名稱 接口類型 通信規約 備注
　　1 35kV開關柜保護測控單元 光纖以太網 MODBUS-TCP/IP 
　　2 1500V直流開關柜保護測控單元 光纖以太網 MODBUS-TCP/IP 降壓所不設
　　3 接觸網上網隔離開關 硬接點  降壓所不設
　　4 排流柜 硬接點  降壓所不設
　　5 0.4kV低壓開關柜監控單元（含跟隨所） 串口通信（RS485） MODBUS-RTU 
　　6 交直流電源裝置監控單元 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的接口類型及采用的通信規約表：
　　序號 接口設備名稱 接口類型 通信規約 備注
　　1 110kV主變保護 以太網 IEC60870-5-103 
　　2 110kVGIS測控單元 光纖以太網 IEC60870-5-104 
　　3 35kV開關柜保護測控單元 光纖以太網 MODBUS-TCP/IP 
　　4 交直流電源裝置監控單元 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的底層接口類型多種多樣，常用物理接口主要有串口數據接口、以太網數據接口、硬線接口等。站控層與間隔層設備的通信協議也較為復雜，比如常用的IEC103、CANBUS、Lonworks、ProfiBus、ModBus等協議。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的通信協議，但是大部分的間隔層設備都能兼容ModBus協議。該協議為公開的免費協議，協議格式簡單，編程容易，維修技術人員容易上手。ModBus協議既有支持串行接口的ModBusASCII和ModBusRTU兩種模式，又有支持以太網的ModBusTCP模式。隨著以太網技術不斷革新和變電所規模的日趨擴大，支持以太網的ModBusTCP模式已被廣泛應用。
　　3與綜合監控系統的通信接口及通信規約分析
　　目前城市軌道交通工程包含多個自動化系統，系統集成便于資源共享，事故情況下統一指揮。因而，電力監控系統有必要集成于綜合監控系統中。此時處理好電力監控系統與綜合監控系統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與綜合監控系統接口圖示
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　注：圖中箭頭代表數據流方向的指示。
　　 接口類型、位置及數量
　　接口編號 接口類型 接口分界 接口數量 接口用途
　　SCADA.01 光纖以太網；主/備通道光纜采用2根4芯室外直埋型鋼帶鎧裝光纜；IEC104規約 相鄰牽引降壓混合所車站綜合監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
　　綜合監控：每個站提供1處接口 實現變電所綜合自動化系統接入綜合監控系統。
　　由于城市軌道交通所監控的變電所數量較多，距離較遠而供電可靠性要求非常高等特點，因此提高數據傳輸的速度和可靠性成為完成監控功能的關鍵，一號線電力監控系統采用的是光纖以太網通信技術。可以簡單可靠地實現各個變電所綜合自動化系統和綜合監控系統調度主站系統的無縫連接。整個系統是一個在以太網基礎上，基于客戶/服務器體系結構的全分布式系統。控制中心調度主站系統作為整個系統的CLIENT端，各變電所綜合自動化系統的通信管理機作為整個系統的SERVER端，以TCP/IP協議互相通信，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、智能裝置的實時數據，并轉發來自調度主站系統或當地監控系統的控制命令，對上將采集到的實時數據通過通信通道上傳給調度主站系統，并接受來自調度主站系統的控制命令。
　　有了高速傳輸的光纖以太網通信形式，還需采用合適的遠動通信規約才能完成響應的通信。一號線變電所綜自系統與綜合監控系統接口采用了IEC60870-5-104通信規約(以下簡稱104規約)。104規約是IEC60870-5-101規約的網絡版，作為遠動網絡化標準通信協議的一種，它既具有實時性好、可靠性高、數據流量大等優點，又具有便于信息量擴充、支持網絡傳輸等優點。因此，利用104規約實現城市軌道交通中變電所綜自系統與綜合監控系統的集成通信是非常好的辦法。它既保證了開放性，又能很好滿足監控系統信息傳輸的實時性、可靠性等要求，有利于標準化的優勢帶來開發的便捷性。同時，基于104規約在實現網絡通信上，可有效利用光纖通道的傳輸能力。有利于遠動協議的標準化推廣，對實現自動化系統組網和數據共享以及設備方便、迅速的維修提供了技術支持。但是，電力監控系統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規約中并沒有相關定義，因此，還需要對104規約進行拓展。
　　4目前電力監控系統接口通信面臨的問題
　　4.1接口通信協議繁多，且需經數次轉換，面臨大量接口測試工作
　　在城市軌道交通電力監控系統中，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、軌電位限制裝置等，一個車站級變電所內具有多達數十種間隔層設備。各個設備廠家往往采用不同的接口協議，即使采用同一標準協議，在實際工程實現時，各個設備廠家往往也對該標準協議有各自的解釋方式和優化升級。再加之，變電所綜合自動化系統和綜合監控系統分別采用的國電南自和國電南瑞的設備，間隔層各設備數據按表2.1、表2.2通信協議經南自通信服務器WTS-65轉換成南自IEC103規約后，經由南自通信管理機WTX-65，通過IEC104規約轉發至南瑞通信管理機C306后，再轉換成DNP規約送至車站級服務器處理。數據經過多級協議轉換，造成了電力監控系統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。系統投運后，協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、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，是電力監控系統通信處理的中樞，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控系統中的發展前景
　　現今，最新技術IEC61850標準是基于通用網絡通信平臺的變電所自動化系統唯一國際標準。它提出了實現“即插即用”，在工業控制通信上實現“一個世界、一種技術、一個標準”，為城市軌道交通電力監控系統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—邏輯節點—數據對象—數據屬性，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點，邏輯節點包含數據對象、數據屬性。從通信的角度來看，服務器通過子網與站網相連，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數據交換。
　　2）網絡獨立性
　　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絡和應用層協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、邏輯節點模型、數據模型和數據集模型。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議棧，例如制造報文規范（MMS）等。IEC61850標準使用ACSI和SCSM技術，解決了標準的穩定性與未來網絡技術發展之間的矛盾，即當網絡技術發展時只要改動SCSM，而不需要修改ACSI。
　　3）面向對象的數據自描述
　　IEC61850之前所有規約都是面向點的，傳輸信息必須事先將傳輸的變電所遠動設備的信息與主站系統數據庫進行約定，并一一對應，這樣才能正確的反映現場設備的狀態。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，傳輸到主站的數據都帶有說明，馬上可以建立數據庫，使得現場驗收的驗證工作大大簡化，數據庫維護工作量也大為減少。IEC61850還規定了描述智能電子設備本身結構、通信系統結構、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據能夠在不同廠家的設備工程工具和系統工程工具以兼容的方式進行交換。
　　4）數據對象統一建模
　　目前IECTC57的各種標準都是根據各種特定應用，對各種對象建模，不能做到完全一致。要將各種協議連接起來，或者和SCADA數據庫連接起來，就要進行轉換。在采用網絡技術的情況下，這種狀況很難適應發展的需要。IECTC57規定IEC61850的任務就是從SCADA數據庫到過程的對象統一建模。
　　5.2IEC61850標準在城市軌道交通電力監控系統發展優勢
　　1）城市軌道交通各變電所相對地方電力系統來說，分布地域范圍小。且一般一條線路單獨一套電力監控系統，系統結構相對獨立，為IEC61850標準初期的調試和組網提供便利。同時，目前城市軌道交通廣泛采用的高速光纖以太網通信通道，更是為IEC61850標準提供了一個充分展現的舞臺。
　　2）面向對象的數據自描述方式，傳輸到控制中心的數據都帶有自我說明，不需要在進行數據物理量對應、標度轉換工作。數據庫可自動建模、自動更新，不受預先定義的限制，對于數據量大的城市軌道交通電力監控系統來說，使得現場驗收的驗證工作大大簡化，數據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標準的光纖以太網交換機，直接接入到通信主干網中，由控制中心的服務器直接完成數據采集與控制。而交換機作為成熟工業產品，其穩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，但地方電網變電站正積極推出基于IEC61850標準的數字化變電站。相信，隨著國內電力行業IEC61850標準技術的不斷發展成熟，城市軌道交通通信接口標準化、通信規約統一化的迫切需要，不久的將來，IECC61850標準將成為城市軌道交通電力監控系統的選擇。
　　
　　參考文獻：
　　1、陳章寶，陳少華，陶濤，IEC61850到IEC60870通信規約的映射研究。陜西電力，2008.36（6）：78-81
　　2、王軍平，趙赫男，王存毅，IEC61850標準在城市軌道交通電力監控系統中的應用前景分析。自動化博覽，1003-0492（2008）03-0080-04
　　3、董常，城軌交通電力監控系統架構極其通信規約淺析。現代城市軌道交通2010/2