铁路电力自动化系统组网方式研究

Gabriele80

摘要：对铁路通信系统选用的通信形式及系统制度构架进行讲解，通信系统进步与铁路电力自动化的进步紧密联系，两者相互促进发展。文章叙述当今新建铁路中广泛采用的新型组网方案，如音频专线组网、现场总线组网及以太网组网等方案，同时对其进步和发展空间寄予厚望。
关键词：铁路电力；自动化系统；通信系统；音频专线组网；以太网组网；数字通道 文献标识码：A
中图分类号：TM76 文章编号：1009-2374（2017）11-0169-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.086
由于铁路行车发展趋向于高速、大密度，要求铁路电力体系的供电需要具备更高的可靠性，传统监视控制的方式，比如电话调度、人工调度等不能更好的满足行车的安全性需求，因此当今铁路电力体统的必然发展趋势是采取自动化电力体系。铁路自动化电力体系原理是采用自动检查和调控、计算机通信、软硬件和网络技巧，对体系内的各项步骤，如线路信号电源、变配电所及电气集中供电电源等，实施集中监控。完成自动化调理，提升管理水准，并实时处理障碍，缩减事故停电范围，快速复原供电，以免停电造成亏损，确保列车稳定安全运营。
1 音频专线组网方式
音频传送接入系统的网络即铁路专用音频传送网络，包含音频共线专用通道和铁路程控电话交换网。多数车站都设在铁路沿线，信号电源和车站开关是每个车站具备的设备。采用线状布设的特征，可用最实用的环形组网形式来完成调控数据的传送。要有一个可中继的通信装备在环形组网形式里，目的是为把数据传送出去。终端装备接到报文，依照报文的详细信息来选取数据，确保自身地址信息与其统一，则接受实行相应的管理，相反则不进行管理。其优势在于能有效节约信道能源，稳定性高，但同时音频专线组网方式实时性差，信号延时大，在线路故障后可经过其他方位传送。由于当前铁路通信系统的迅猛发展，所以这种组网形式基本上很少被采用。
2 现场总线组网方式
在作业里的全数字化、多节点及双向的数字通信体系统称为现场总线。它的功能是变配电所内部确保单元间及局部范围内FTU、RTU、STU间的通信。现场总线的优点有以下三个方面：
2.1 能够有效节省硬件的数量及投资
在作业中分散的智能装备可以直接进行报警、调控、丈量、传感、计算机等功能，还可缩减变器的数量，无需进行单独的计算单元、调节器，更不用对DCS的系统信号进行隔离、复杂连接、转换、调理等，并且可以采用工控的PC机进行操作，实施有效调控在硬件投资等层面上，也缩减了调控室的占地面积。
2.2 安装费用的节省
作业实际总线组网形式的连接系统较为检查，一条电缆或一对双绞线上可实现多个设备的挂接，有效减少桥架、槽盒、端子、电缆的用量，降低接头校对和连接设计等工作。如果需要增加实际调控装备，也无需再增设新的电缆，可与原有电缆实施接连工作，不仅减少了设计工作，还有效降低了其安装工作量和投资成本。
2.3 系统的可靠性及准确性得到提高
与模拟信号相比较，现场总线组网方式更数字化、智能化，让控制及测量的精准度得到有效保证，让其传送误差得到控制。场总线组网方式系统结构较为简单，其内部功能也增加到一个阶段，减弱信号往返传送的情况，让其工作稳定性得以提高。因它的标准化装备，功能模块化，所以还具有设计简易、便于重构等特性优点。其调控体系（FCS）改良了传统DCS模拟数字通信依赖一对一设置布线、混合进行信号传辅、体系比较闭塞的缺陷，成为工业调控技能的进步方式之一，由于从测试装备到监察计算机的全数字通信网络的出现，正好配合了调控网络的进步需求。专为在现场处境而设计的FCS，成为底层网络在场地装备前端，可供應光缆、双绞线、射频电缆、同轴电缆、电力线及红外线，具备抗干预力极强特点，达到安全指标的同时可用两线制完成通信和送电。现场总线组网方式具备布线简易、牢靠性高、数据传送优先级调控、开放通信协议、适宜嵌入式运用等特性。现如今国内外的实际总线有大约60多种标准，常见的有AN总线、RS-485总线、CLonWorks总线等，但因其互不相容，所以延缓了现场总线的发展脚步。
3 以太网组网方式
以太网正逐渐渗入到数据通信的边缘，席卷了工业自动化范围，是当今信息网络范畴中最为普遍的局域网。工业以太网就是技能上与其准则（IEEE802.3）兼容。铁路系统现已普遍选取工业以太网通信技能，即选用工业交换机，经过通信体系的各级通道组架成工业以太网，使装备间的通信达成。以太网组网方式的优势如下：
3.1 确保系统的牢靠性
可组建环形冗余网络。选用以太网方式组网的电力体系，复原速度极快，在重复方式也上极易达成。
3.2 带宽大，传送速率快
因选用以太网组成，在传送带宽上与平常以太网确保一致，满足电力系统需求。
3.3 扩展性能优良
在以太网架构的体系里，网络适用于调控数据的传送，也能成为语音和视频的传送媒介。摄像机的视频、语音、调控信号都可由编码器转变成适当的以太网指标的信息传送至入网络中，达成视频、数据、语音“三网合一”。
3.4 鉴于TCP应用层的协议
ModBus/TCP是基于TCP/IP的ModBus协议，它在传送层采取标准的传送调控协议TCP，能在接入到有误数据时，利用重传机制和应答来确定数据传送的稳定性。ModBus是多数供应商都支持的开放式的协议。网络层选取IP协议，用户只要对调控装备的IP地址了解便可达成装备间通信，与硬件及低层网络地址不存在关联，对用户而言整个网络都是个透明组成。
以太网组网形式下的铁路系统组网架构较为变通，可选用链状、环形、树型、星型等形式组网。（1）链状组网：链状组网是利用多级分光器完成组网的一种方式，将分光器布置于不同的ONU位置，而每个ONU的主光为10%，把剩下的90%分送至下一级，常用于带状或链状的10KV线路；（2）星形组网：从结构上来说星型组网结构是最典型的多路分光器结构，结构不用进行光衰耗计算，清晰简单的结构形式，可以在供电区域比较密集的地方应用；（3）环形组网：这种组网方式是配电网通信组网中最常用到一种方式，利用多级分光器进行组网。多级串联成环，与其他组网结构相比，其链路保护机制更为完善，可以有效降低通道一点断开、单点冗余失效等情况，让通信网络的可靠性得到保证，同时也保证铁路本自动化系统的业务更加安全；（4）树型组网：所谓的树型组网就是对链状组网和星型组网进行整合后的一种组网方式，对多级分光器和多路分光器进行整合，再与实际电网结构完成紧密结合，这种组网方式不仅能够让建造施工量得到降低，还有利于后期进行配网的拓展工作。联系铁路的特征，当前大多选用环形。其可分为多种类别，包含直接供应光纤及通信专用虚拟通道。若用光纤可装配传输光口在路由器上，依照光口的不同性能可供应几十公里的传送间距；若用通信专用虚拟通道，不受传送间距制约，通过供应的2M通道或以太网通道完成接连，只要临近有通信装备便可完成接入，在铁路系统中，则需通信专业对应供给通道的电力节点临近布设的通信机房，提前确定通信装备的安装方位地点。
4 数字通道组网方式
数字通道形式即是运用传送接入体系对应的数字接口实现电力体系的组网，通信接口通常采用RS-232/V.24/V.35等。组网形式也类似于音频专线形式的星型组网方式，加入多路串口机。数字通道组网方式的优点在于：
4.1 让通信的保密性得到提高
通过A/D将语音信号转换，同进还能实现加密处理，之后再完成传输，而接受端再接到信号后对其进行解密处理，然后又通过A/D将其还原转换成模拟信号。
4.2 抗干扰能力得到提高
由于数字信号在传输的过程中有可能混入其他的杂音，此时可就能利用电子电路所构成的阀值对输入的信号电压进行衡量，只有电压达到某一幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲，因而数字通道传输可以用在距离较远的传输上，在性能比较差的线路上也能适用。
4.3 构建综合数字通信网
采用时分交换后，交换和传输统一起来，形成一个综合的数字通信网。同时数字通道组网方式同样存在一定的弊端，其弊端在于占用的频率较宽、接口选用为串口、通信距间距被缩短等。在直接连接里，电力装备及通信装备间距不能高过16m，超出此间距时需增加一对MODEM来延展传输间距。接口的有限速度，只能传送64kbit/s数据。因此铁路电力自动化系统已经很少采用数字通道组网的方式，之前采用此方式组网的系统，也已经在近几年改造中升级为其他的组网方式。
5 结语
伴随铁路系统网络的普遍运用，规模迅速扩大，网络安全问题屡见不鲜，很多地区都采用了预防措施进行维护，但仍存有诸多缺点。由于铁路线的细长分布、供电间距长、环境差、故障多发维护艰难等，所以提升现存铁路体系自动化水平尤为重要。铁路体系对通信组网方式指出的首当其冲的必要条件便是安全稳定，现阶段的铁路自动化电力体系大批量采取专用通道组网，未来的进步发展也朝着稳定性方向迈进，向着更大的网络规模方向发展。
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作者简介：李源源（1984-），男，山西朔州人，中国铁建国际集团有限公司中级工程师，研究方向：企业管理。
（责任编辑：王 波）