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1、电气化系统312011年第1期目前，我国高速铁路运营里程达8 358 km，其中，新建时速250 km及以上高速铁路5 149 km，既有线第六次大面积提速达到时速200250 km的线路有3 209 km。在建高速铁路1.7万km。到2012年，我国铁路营业里程将达到11 万km以上，其中新建高速铁路将达到1.3万km。随着高速电气化铁路建设规模的不断扩大，综合自动化系统得到广泛应用，并在电气化铁路安全可靠运行方面起到重要的保障作用，电气化铁路牵引供电综合自动化系统也逐渐成为铁路部门和电力部门关注的焦点。1 高速铁路牵引供电综合自动化系统在电气化铁路微机监控系统的发展过程中，随着计算机技术、
2、通信技术、网络技术和自动控制技术的发展，不同时期有不同的产品。第一代是继电器和晶体管保护装置+RTU；第二代是集成电路保护装置+RTU；第三代是微机保护装置+RTU；第四代是综合自动化系统。目前，我国已有几家生产综合自动化系统的厂商，在技术和应用方面都取得了一定成绩，但与国外相比，我国铁路牵引供电综合自动化技术水平还有一定差距。牵引变电所的自动化水平参差不齐，也没有统一的标准。1.1 综合自动化系统技术铁路牵引供电综合自动化系统主要包括3方面的关键技术内容。（1）综合自动化系统的组网结构。目前，我国牵引变电所综合自动化系统一图2 以供电臂为单元的组网结构我国高速铁路牵引供电综合自动化系统分析张
3、平 赵兴东般采用分层分布式综合自动化系统。一般将整个变电所设备分为3层：变电所层、间隔层和设备层。根据应用情况不同大致可分为对等站组网结构（见图1）和以供电臂为单元的组网结构（见图2）。（2）综合自动化系统牵引变图1 对等站组网结构电所的通信结构。在国内牵引变电所综合自动化系统中，采用现场总线网络有CAN，LonWorks，工业以太网等1。LonWorks现场总线（见图3）的特点有：支持双绞线、铜轴电缆、光纤、射频、红外线、电力调度员工作站模拟盘/投影打印/拷贝设备以太网打印机路由器远方通信接口终端服务器通信切换装置调制解调器视频通信处理器通信前置处理器网络数据库服务器通信通道直流电源系统智能
4、电度表视频通信处理器BUS视频通信处理器视频通信处理器变压器间隔单元并补间隔单元馈线间隔单元视频安全单元1#变电站自动化系统1#开闭所综合自动化系统 1#分区所综合自动化系统 视频安全单元屏蔽双绞线/光纤BUS光纤双环自愈环网2#变电所综合自动化系统后台机双以太网管理部门复视系统web服务器及远程维护调度员工作站模拟盘/投影打印设备服务器路由器远方通信接口复视终端打印机管理部门通信切换装置 调制解调器 视频通信处理器 通信前置处理器 网络数据库服务器 通信通道 RS232/RS485RS232/RS485 直流电源系统 智能电度表 视频通信处理器 GPSRS232/RS485 直流电源系统 智
5、能电度表 BUS 光纤双环自愈网视频通信处理器 变压器间隔单元并补间隔单元馈线间隔单元视频安全单元1#变电站自动化系统2#开闭所综合自动化系统 3#分区所综合自动化系统 视频安全单元BUS 屏蔽双绞线/光纤视频通信处理器 以太网后台机工作站双以太网电气化系统322011年第1期线等多种通信介质；网络协议LonTalk提供了一个固化在芯片内的网络操作系统，处理全部通信任务，提供给用户一个简单的网络应用接口，一帧最大数据为228个，LonTalk训址体系由域、子网、节点3级构成，节点还可编成组。采用域/子网/组/节点的编址方式，组网方式灵活，一个域的最大节点数=255（子网数）127（节点数）=3
6、2 385。远动管理机：收集间隔层装置的信息，并上送调度系统；转发调度系统的控制命令等。通信管理机：采用双机热备方式进行工作；收集间隔层信息并上送到变电站层；将变电站层的命令发送到间隔层装置。间隔层采用LON光纤双环自愈网，某一节点的损坏不会影响其他节点通信，同时相邻节点会给出报警信息。CAN总线为多主工作方式，任一节点任意时刻向其他节点发送信息。它采用总线仲裁技术，当网络出现冲突时，优先级高的节点可继续传输数据，优先级低的节点则主动停止传输，从而避免总线冲突。CAN总线的信号传输采用短帧结构（见图4）：每帧有效字节数为8个，传输时间短，受干扰的概率低，当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切
7、断该节点和总线的联系，使总线上其他节点的通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。存在的问题是：对大容量的综合自动化监控信息，必须进行多包传输才能完成。工业以太网经过若干年发展，技术上已十分成熟。它具有数据传输速度快、系统开放性好、网络拓扑结构灵活、支持多种通信媒介、系统互操作性高、可移植性、安全可靠等特点2。工业以太网也可以组成光纤双环自愈网（见图3）。保护、测量装置的以太网通信速率为10 Mb/s，在光纤环网上的速率为图3 光纤双环自愈LON现场总线网络图4 CAN总线网络100 Mb/s，远远大于LonWorks总线1.25 Mb/s的速率；现场总线通信网络采用IEC 60870-5-103规
8、约的查询方式进行通信，而以太网通信网络采用IEC 60870-104规约的主动上送方式，采用TCP协议保证传输的可靠性。另外，也可组成星型以太网结构（见图5）。牵引供电系统各变电所、分区所、开闭所沿铁路线分布，其通信线路也具有相应的分布性。铁路牵引供电综合自动化系统通道为适应这种特点，大多采用环型结构、总线型结构，有时也包含星型结构。对于环型结构，必须考虑信号的中继转发、实时性及误码累积等问题，这在星型结构中无需特别考虑。（3）综合自动化系统通信协议。间隔层：通信管理机和保护测控装置使用103协议，按照查询方式。变电站层：通信管理机和监控系统采用的协议有TCP方式，使用104协议，主动上送，U
9、DP方式，按照101查询方式。远动通信：变电站和调度端，将103协议数据转以太网 后台机 与调度主站备用通道通信 RS232/RS485 RS485 RS232 直流电源系统 智能电度表 当地监控系统调度中心GPSCAN ACAN B微机通信管理装置间隔层保护测控装置网络通信服务器间隔层其他智能IEDHUB变电站层信息管理系统.电气化系统332011年第1期换为101协议数据，调度端不需要所有综合自动化系统数据。智能设备通信：其他厂家设备接入综合自动化系统，采用标准或自定义协议。1.2 综合自动化系统特点分层分布式牵引变电所综合自动化系统的特点主要有以下几点3：功能综合化；分层分布化结构；操作
10、监视屏幕化；运行管理智能化；通信手段多元化；测量显示数字化。与传统的微机保护+RTU自动化系统相比，综合自动化系统具有以下优点4：（1）简化设计：变电所二次回路大大简化，设计工作量明显减少。（2）工厂化施工：智能化保护测控单元可嵌入一次设备，在工厂完成大部分安装调试工作，现场施工期可显著缩短，建安费用也随之降低。（3）无人值班：高速可靠的间隔层通信网络和完备的安全监控系统，为无人值班创造了条件，值班人员的大幅裁减将带来小型集成化，高集成化可使装置通信、数据存储及处理能力更强，降低成本，减少故障率，有利于实现统一的运行管理。数字化是指综合自动化系统的整体数字化、信息化及与电力整体的协调操作。随着
11、一次设备智能化，如智能开关设备、光电式电压和电流互感器和各类智能电子装置的出现和应用，综合自动化系统将进入数字化阶段，有利于改进和优化现有的保护和控制功能。综合自动化系统逐步向标准化方向发展，具体表现在：产品基本功能设计和要求的标准化及产品的对外接口和通信协议的标准化；牵引变电所内不同厂家的设备可以做到互换互连，从而增加了用户选择各类设备和更换设备的自由度。（2）智能化的一次设备。一次设备检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，牵引变电所二次回路中常规继电器及其逻辑回路被可编程序控
12、制器代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。（3）网络化的二次设备。牵引变电所内常规的二次设备，如继电保护装置、测量控制装置、远动通信装置、故障录波装置及正在发展中的在线状态检测装置等，全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速网络通道。二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。2 高速铁路牵引供电综合自动化系统存在的不足（1）系统功能不强，未达到智能化，设备监控不足。目前国内铁路牵引供电综合自动化系统还缺乏相应的数据统计图5 星型以太网结构可观的经济效益。（4）减少
13、投资：高度集成化的设备可缩小占地面积，降低造价，减少投资。1.3 综合自动化系统发展趋势牵引变电所综合自动化系统经过多年发展，已达到一定水平。综合自动化系统大大提高了牵引变电所的现代化水平，降低了牵引变电所建设的总造价。随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的牵引变电所综合自动化系统产生深刻影响。基于IEC 61850全数字化综合自动化系统的主要特点有：（1）整个系统的数字化、集成化、规范化。当前，牵引变电所综合自动化系统的发展趋势朝着高集成化、数字化、标准化方向发展。随着集成电路和计算机技术的飞速发展，各种新型器件
14、的大规模集成电路将进一步应用在继电保护和测控装置上。这些新器件的应用将使保护和测控装置的电路板更加与调度主站备用通道通信 RS232/RS485 RS485 RS232 直流电源系统 智能电度表 GPS 以太网 后台机以太网 以太网 电气化系统342011年第1期分析、优化调度辅助、故障预测等功能，而完善的综合自动化系统功能应包括智能分析和预测、调度决策等功能。目前，牵引供电综合自动化系统在处理速度、容量、进度及事件记录的分辨率等方面得到了提高，但是远动终端、牵引变电综合自动化本身的自检及输入输出板的运行状态监视却没有得到发展。缺乏行业技术人员参与软硬件开发研制，使系统不能融汇铁路牵引供电技术
15、和运行经验，加上控制设备的稳定性和可靠性达不到要求，使得系统应用未能达到预期效果。（2）系统不开放。系统的软硬件供货商、生产厂家之间是封闭的、技术上互不开放，而铁路又是地域性的，相互之间缺乏竞争和交流，推动系统技术规范化、标准化的市场并未形成。系统不开放，通信协议、设备接口不标准等，使得用户不能随意选购设备，作出比较，以提高系统性能，因此制约了综合自动化系统技术的发展。（3）系统缺乏规范化、标准化。目前牵引供电综合自动化系统各个生产厂家都是按照各自的规范形成相对封闭的独立系统，系统之间的信息交换缺乏统一规划，没有一致的接口标准和传输技术5。同时，各个设备生产厂家的元件筛选、硬件配置、电路结构、
16、制造工艺、软件程序差别很大。这些差别导致设备的寿命、性能、抗干扰能力及管理与维护等相差甚远。3 有关建议 鉴于牵引变电综合自动化系统在铁路行业应用的特殊性，提出相关改进建议。（1）加大投入，系统升级。企业应高度重视先进技术的开发应用。企业应高起点规划设计，把原来功能单一的系统升级，与有实力、专业的开发商合作，开发新的、功能强大的牵引供电综合自动化系统。并借助已有的数据库，综合多学科专业人员开发牵引供电智能分析和预测系统，增强系统功能。（2）推广和应用新技术。采用开放式网络体系结构，应用数据共享、多系统配合、图形技术和多媒体技术增强系统功能。利用专家系统、模糊决策、神经网络等新技术模拟各种运行状
17、态，并开发相应的调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理最优化的运行方式或最有效的故障确定方法。推广面向对象技术、Internet技术及JAVA技术在铁路综合自动化系统中的应用。（3）制定系统专业技术标准与规范。要促进系统技术的发展，必须要有良好的竞争环境。而系统技术的不开放，功能要求不一，通信协议、接口不标准等都制约了良性竞争机制的形成，所以必须制定系统专业技术标准与规范，使牵引供电综合自动化系统的开发和使用有正式依据。为用户按一定尺度、标准去选择并衡量系统和产品提供了可能，有利于用户对系统的优化。4 结束语牵引供电综合自动化系统的应用，可提高牵引供电的整体功能和管理水平
18、，牵引供电综合自动化系统在铁路牵引供电行业的应用向着标准化、智能化、通用、可靠的方向发展。采用具有高可靠性、功能强大且自动化程度较高的牵引变电所综合自动化系统，将是我国牵引供电系统自动化技术发展的必然趋势。总之，我国相关企业和设备供应商、系统开发商也应为此携手并肩、共同努力，赶超国外先进水平。企业还必须依靠自己的力量，依托科研单位、大专院校，结合本企业情况，培养专业人才，不断总结、统计分析、测试，最终得出最佳生产调度方案，充分发挥系统功能，使牵引变电所的管理更现代化、更科学合理。5 参考文献1 李群湛，连级三，高仕斌.高速铁路电气化工程M.成 都：西南交通大学出版社，20062 姜春林.电气化客运专线牵引供电综合自动化系统方案 研究J.铁道工程学报，2004(12)：186-1903 张曙光.超大型工程系统集成理论与实践M.北京：科 学出版社，20074 谭秀炳.铁路电力与牵引供电系统继电保护M.成都：西南交通大学出版社，20075 王牣.铁路客运专线供电自动化系统关键技术研究J.学术动态，2006(1)：4-6 张 平：中国铁建电气化局集团北京中铁建电气化设计 研究院，工程师，北京，100043 赵兴东：中国铁建电气化局集团北京中铁建电气化设计 研究院，高级工程师，北京，100043责任编辑 王小红