铁路电力调度自动化系统探究

Julian86H

[摘要] 铁路电力系统由铁路沿线变配电所、10KV贯通/自闭电力线路、站场高低压配电系统及配套电力设施组成，担负着为铁路沿线信号电源、通信系统、电气集中、计算机系统、红外轴温探测、TMIS系统等一系列与行车密切相关的主要负荷，以及沿线各生产、工作和生活片区等负荷的供电任务。近年来，铁路部门广泛采用电力调度自动化技术，对电力设施实施自动化监控。该文首先介绍了铁路电力调度自动化系统的基本概念、硬件组成，重点讨论了调度自动化系统的软件组成，并结合新建向莆铁路线的实际情况提出了一种基于E1接口的2M环型通信系统的设计思路，最后根据运营单位的需求指出调度自动化系统应在SCADA的基础上逐步增加生产管理功能，向着管控一体化的方向发展。
[关键词] 铁路电力调度自动化系统 通信系统 管控一体化
1 概述
铁路电力调度自动化系统，也称SCADA系统，即监视控制与数据采集系统，国内习惯上称为“电力远动”系统，由调度主站、站端系统及设备、通信系统组成。它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，对铁路电力系统的重要环节，如变配电所、信号电源（双电源）、贯通自闭线路分段开关等，进行自动监视和控制，保证铁路电力系统的安全、经济运行，为铁路运输的安全提供可靠的电力保障。
2 硬件系统
调度自动化硬件系统包括主站系统、站端系统及设备、通信系统三部分。如图1所示。
2.1 主站系统
主站系统安装在电务段（或供电段）电力调度中心，向调度人员提供图形化界面，完成基本的远程监视和控制、变配电所监控和管理、信号电源监控及线路故障管理等功能。
主站一般由调度工作站、数据库服务器、Web服务器、前置通信处理机（简称前置机）、计算机网络设备、多串口服务器、通信适配器以及打印机、UPS等外围设备组成。其中的关键设备，如调度工作站、前置机、数据库服务器等，可以双机冗余配置。
2.2 站端系统及设备
站端系统及设备安装在监控现场，负责变配电所、控制柜、信号电源、车站线路开关等的监控，主要包括变配电所微机保护及综合自动化系统、RTU（Remote Terminal Unit，远方终端单元）、STU（Semaphore Terminal Unit，信号电源终端单元）、FTU（Feeder Terminal Unit，线路终端单元）等。
站端设备负责采集现场电力生产数据和信息，向主站发送数据，接收并执行主站下发的各种控制命令。
2.3 通信系统
通信系统是自动化数据的传输通道，是自动化系统的重要组成部分。在调度自动化技术和产品日益成熟的今天，通信系统的性能优劣、可靠与否成为铁路电力调度自动化系统建设能否成功的关键。
3 软件系统
电力调度自动化软件是调度自动化系统的核心和灵魂，主要包括系统软件和应用软件两部分。
3.1 系统软件
系统软件包括操作系统、数据库等。目前，国内常用的操作系统有微软公司的Windows NT、2000以及Unix等。
Windows NT、2000操作系统专门为部门用户和企业用户设计，具有良好的系统稳定性和运行性能，能够承担复杂、繁重和严格的企业任务，而且建立在该平台的各种软件工具非常丰富，使用方便，是目前在国内外使用最为广泛的操作系统。但正是由于它的易操作性和普及性，Windows操作系统也是受到病毒攻击最严重的，很容易造成系统死机或瘫痪。
Unix操作系统是世界上性能最稳定、最可靠、扩展最方便的操作系统，而且不易受病毒干扰。但它有使用复杂、支持开发的工具少、各厂家提供的版本不统一等缺点，限制了大规模推广使用，一般适用于重要用户或要求特别严格的大企业用户。
综合Unix和Windows各自的特点，可以构造Unix和Windows NT/2000混合平台，即服务器选用稳定可靠的Unix操作系统,而客户端工作站则选用界面友好、容易操作的Windows操作系统。
3.2 应用软件
调度自动化应用软件由SCADA支撑软件和应用功能软件组成。
3.2.1 支撑软件
支撑软件是介于操作系统和应用功能软件之间的桥梁，它屏蔽了操作系统的复杂性，丰富和扩充了操作系统的服务和功能，为应用软件提供更灵活、更强有力的数据处理、数据操作、数据交换、数据存储的综合服务机制。
SCADA支撑软件一般由实时数据库、图形管理系统、报表程序、前置机通信等几部分组成。
1）实时数据库
实时数据库基于内存共享技术，实时数据常驻内存，以满足数据的实时性要求；同时，借鉴关系型数据库设计原理描述参数和实时数据，使得实时数据的管理更方便，增加和扩充更容易；另外，提供统一的数据访问接口，供其他应用程序使用，完成各种二次开发工作。
2）图形管理系统
图形管理系统一般包括图元编辑器、图形编辑器、画面显示软件、颜色管理软件、设备管理软件、网络拓扑软件等部分，方便用户建立界面友好直观、操作简单方便、功能强大丰富的图形化人机交互界面。
3）报表程序
报表程序包括报表制作与管理软件、报表显示及打印软件，可以制作日报、周报、月报、季报、年报及事故追忆报表，报表中可进行各种复杂的数据统计和计算，报表可嵌入多种图形、文字、曲线等内容，形象地显示统计数据，报表系统产生的数据文件能与Excel文件或html文件格式兼容，以便广泛地被其他软件系统访问利用。
4）前置机通信
前置机主要提供内容丰富的通信规约库，支持多种常用远动通信规约，包括CDT、1801、IEC870.5-101/102/104等；而且可以根据用户要求修改旧的规约或增加新的规约，修改或增加规约可以在线完成，而不需要退出应用程序。
3.2.2 功能应用软件
功能应用软件具体完成铁路电力调度自动化的各项功能。主要包括：
1）常规SCADA功能
即远动功能，具体包括实时数据采集和处理、告警处理、SoE（Sequence of Event，顺序事项记录）、遥控遥调、系统对时、图形界面、报表、曲线、打印，及实时数据管理、历史数据管理、用户管理等，这是调度自动化系统的功能基础。
2）变配电所监控和管理
变配电所监控和管理是在常规SCADA功能的基础上，完成保护投退、保护信息查询、方式字整定、远程抄表、故障录波等功能，最终满足“无人值班”的技术条件。
3）信号电源监控
信号电源监控是对铁路信号电源进行自动化监视和控制，完成遥测越限告警、信号电源故障告警、故障录波、低压开关分合等功能。
4）线路故障管理
线路故障管理，又称线路自动化。主要以贯通、自闭电力线路分段开关为监控对象，在正常情况下完成SCADA功能，在线路故障时完成故障监测和故障点的自动定位，以及实现快速隔离故障和快速恢复供电等功能。
以上四项功能是铁路电力调度自动化的基本功能，在设计电力自动化系统方案时，应做到统筹规划，避免就事论事的设计技术方案，防止将变配电所自动化、信号电源监控、车站开关监控等功能割裂开来，出现多个“孤岛自动化系统”。
4 通信系统
既有通信系统多基于铁路电话网络，采用MODEM和电话专线构建。这种方式利用了铁路部门丰富的电话网络资源，具有成本低、简单易行的的特点。但是，基于模拟线路来传输数字信号的通道稳定性差、易受干扰、可靠性不高、带宽低。随着铁路通信的快速发展，新建线路采用数字网络作为调度自动化通信系统成为主流的发展趋势。
以新建向莆铁路线为例，沿线建有铁路专用SDH传输网络，总带宽达到2.5G，调度中心和铁路沿线预留了丰富的E1接口（G.703，2.048M），铁路电力调度自动化系统完全可以基于E1接口构建专用通信网络。
具体思路是，调度中心、车站均作为通信节点，每个通信节点向通信专业申请两个E1接口，经接入设备引入，组成2M环型通道。工作原理如图2所示。
该通信方案全部采用数字接口，具有中间转换环节少、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点；每个站端设备都有两个数据传输方向，当一个方向的通道故障时可以自动切换至另一个方向，在SDH自愈光纤网络的基础上，进一步组成基于E1的环型冗余通道，大大了通信系统的可靠性。
5 结论
铁路系统采用电力调度自动化技术替代传统的调度监视控制方法，符合铁路行车向着高速、大密度方向发展的客观需要，也是铁路电力系统发展的必然趋势。因此，探索如何建设性能稳定可靠、功能完善强大、开放性良好、容易扩展的电力调度自动化系统，是摆在每一个铁路电力工作者面前的一个重要课题。
今后还要进一步结合运营单位的实际需求，在实时监控的基础上逐步增加电力生产管理自动化功能，将实时监控与信息管理结合起来，实现包括调度自动化、图象管理、设备管理、地理信息管理、电力生产运营管理、用户管理、生产信息管理等“管控”一体化的管理方式，从而更好地为电力运营服务。
参考文献
[1] 中华人民共和国铁道部. 铁路电力设计规范（TB-10008-2005）. 北京：中国铁道出版社，2005.
[2] 翟纯玉等. 铁路电力自动化技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2006.
[3] 钱清泉. 电气化铁道微机监控技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2000.