王军平（1971－）
男，河南人，毕业于河南焦作矿业学院，工程师，现就职于广州市地下铁道总公司，长期从事轨道交通供电系统管理工作。

Abstract: In this paper, the state of art of PSCADA (Power Supervisory Control and Data Acquisition) technology is reviewed by analyzing the features and applications of the new technology of IEC61850. It is concluded that the technology of IEC61850 is suitable for application in urban transit PSCADA system. IEC61850 can overcome the disadvantages of previousl technology and improves the performance of whole system, which shows great advantages in engineering debugging, test and operation maintenance process. As a newly introduced technology, this paper points out that the IEC61850 can be widely applied in urban transit system based on ongoing research and practical application experience.

Key words: IEC6850；urban transit；PSCADA；communication processing unit

1  引言

    随着我国国家经济的不断提高，我国城市轨道交通行业得到了飞速的发展，北京、广州、深圳、天津、成都、重庆、大连、武汉等全国大型城市轨道交通项目纷纷上马进行建设。在这些大城市中，一条条地铁、城铁构成了城市中新的交通脉络。为城市的运转提供了强有力的支持。

    具有现代化技术特点的城市轨道交通自动化系统是控制这些脉络的核心与中枢。其引导着国内大型综合自动化系统的技术潮流和方向。其中最具代表的就是具有城市轨道交通特色的电力监控系统。它运用国内外最新的通讯控制技术，改进其通讯系统结构，升级演化出具有鲜明特点的电力监控系统。现今代表国际最新技术IEC61850标准提出了实现“即插即用”，在工业控制通信上实现“一个世界、一种技术、一个标准”为城市轨道交通电力监控系统指明了未来发展的方向。

2  城市轨道交通电力监控系统的特点

    现代化的城市轨道交通电力监控系统有其鲜明的特点。其中最突出的特点是分层分布式的构成方式、大量快速的数据传输与处理、频繁且有规律的控制、多样的间隔层设备通讯接口方式,以及无人值守的运营方式。

    2.1 全线电力监控系统构成方式：分层分布式

图1 全线电力监控系统的构成

    变电所内电力监控系统也采用分层分布式方式，由所内管理层、间隔层通讯网络、间隔层设备构成。所内管理层内设置通讯管理单元通过所内通讯网络完成对间隔层设备的监控。通讯管理单元可提供以太网、串行总线等多种通讯方式。

    2.3 大量的数据信息以及更快速的传递方式

    城市轨道交通电力监控系统需要大量的数据对本线路内各车站和供电区间的供电情况、用电情况、事故信息、故障处理等进行分析和紧急处理，同时其使用的间隔层设备大都是采用业内最新技术的智能设备，本身可采集和运算产生大量的数据信息，供监控系统进行数据分析。通常一个典型牵引降压混合变电所具有1500~2000点的数据量，一个典型降压所有1000~1200点的数据量。如广州地铁三号线工程电力监控系统全线就有35000点以上的物理点传输。大量的数据传输，运算分析，以及事故的快速应变处理决定了轨道交通电力监控系统比传统的电力系统具有更加快速的传递处理方式和处理能力。

    2.4 频繁的操作以及有规律的操作方式

    和传统的电力监控系统不同，城市轨道交通电力监控系统每天几乎都要进行大量的操作，如夜间停车后全线接触网要停电操作，轨道内进行日常检修工作，早上发车前全线接触网要进行送电操作。这些操作频繁而有规律，在城市轨道交通电力监控系统中大量使用了程控操作方式，每张程控卡片可批量进行开关控制，同时也具备控制条件运算等多种功能。大量且频繁的操作决定了轨道交通电力监控系统具有更强的准确性。

    2.5 多样的间隔层设备单元和通讯方式

    轨道交通电力监控系统间隔层设备大多采用业内最新的数字电力技术的智能保护监控单元，其通讯方式及采用规约也多种多样，如IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、部颁CDT（DL-45-91），Modbus，Canbus，Spabus，Profibus等。间隔层设备多种多样的规约和通讯方式，要求管理层通讯管理机具有强大的接入功能和处理能力。目前一般采用两种方式来处理该问题。一种是对间隔层设备设置通讯转换单元进行转换成统一的接口方式接入到管理层通讯处理单元；还有一种是管理层通讯处理单元提供各种通讯接口直接接入间隔层设备。

    2.6 无人值守的运营方式

    在城市轨道交通电力监控系统中，全部车站变电所均采用了无人值守的运营方式，系统长期运行，由运营人员定期进行检查维护。采用该种运营方式决定了城市轨道交通电力监控系统具有更强的稳定性和免维护性。

3  城市轨道交通电力监控系统的不足之处

    综合城市轨道交通电力监控系统现状，从系统构成和运营方式来说，其已经构成了成熟稳定体系，但是从工程的实施、调试以及长期运营维护角度来说，还是存在一些不足。

    3.1 间隔层设备接口协议多样

    在城市轨道交通电力监控系统中，各间隔层智能保护设备一般采用分别招标施工的方式，如高压保护设备采用一个厂家的设备，直流保护设备采用另外一个厂家的设备，一个车站变电所内具有10种左右的间隔层设备。而各个厂家设备往往采用不同的接口协议，或者即使是采用标准协议各个厂家也对该标准协议有各自的解释方式和优化升级。协议的不同造成电力监控系统通讯处理单元要进行定制处理，其又伴随了大量的测试、调试工作，对工程的实施极为不利。系统投运后协议的多样也对运营人员能力提出了较高要求，对维护工作造成了困难。

    3.2 间隔层设备通讯方式多样

    采用不同厂家的间隔层设备也造成了通讯链路方式的多样，往往一个车站变电所间隔层具有以太网、串行总线、DP总线、CAN总线等多种通讯总线方式，这就对通讯处理单元提出了同时具备这些总线方式的高标准、高要求。而通讯处理单元是变电所通讯处理的中枢，通讯处理单元在完成这个要求的同时，其自身的稳定性、可靠性就成了一个问题。也就对日后运营人员的维护工作造成了麻烦。

    3.3 面向测点的数据描述方式

    现今城市轨道交通电力监控系统仍是采用面向点的数据描述方式，在信息传输时，数据收发双方对数据格式和语义进行约定，才能正确反映现场设备状态，要增加或删除某些信息需要对传输协议数据进行更改。城市轨道交通电力监控系统中数据点大大多于同等规模的电力监控系统，且车站调试和中心调试由于建设的分期性往往分开进行，也就意味着同等数据量往往要调试2~3遍。而车站建成后往往马上通车试运行，控制中心和车站的联合调试工作就只能晚间请令进行。所以面向点的数据描述方式制约了工程实施和调试的进度，而投运监控系统数据库的维护工作也给运营人员增加了难度。

    3.4 大量数据的传输和性能要求较高

    城市轨道交通电力监控系统中有大量的数据传输和频繁的控制操作，其性能要求也比传统的电力监控系统要高。在变电所系统为处理各间隔层设备接口而设置的通讯处理设备，协议转换设备等，进行接口方式转换和数据处理也要占用一定的时间和资源，这对监控整体性能是个制约。同时也给维护工作添加了新的故障点。

    综上这些因素城市轨道交通电力监控系统要想得到更快、更稳定、更开放、更统一的系统性能，就必须进行新的尝试，代表国内外最新技术IEC61850标准可以弥补这些不足，提高系统性能。

4  IEC61850标准的制定和特点

    4.1 标准的制定

    IEC61850是国际电工委员会TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，为基于网络通信平台的变电站自动化系统国际标准，也是国家电力行业最新相关标准的基础。IEC61850制定的思路是:节约带宽，工程实现方便；面向设备；满足应用技术迅猛发展要求；应对通信技术和网络技术发展的挑战。

    自从1994年，德国国家委员会提出统一通讯协议的设想，1998年IEC、IEEE和美国EPRI达成共识，由IEC牵头，以美国UCA2.0为基础，制定一个全世界通用的变电站自动化标准, 其后IECTC95工作组研究IEC61850及其数据模型。1999年IECTC57京都会议和2000年SPAG会议上都提出IEC61850作为无缝通信标准。1999年8月IEC SB1成立配电自动化工作组, 指出要开展无缝通信, 统一数据建模,更多配电专家参与标准制定。在IECTC57工作组2002年北京会议上，指出今后的工作方向为：追求现代技术水平的通信体系，实现完全的互操作性，体系向下兼容，基于现代技术水平的标准信息和通信技术平台, 在IT系统和软件应用通过数据交换接口标准化实现开放式系统，例如变电站通信标准用于所有类型的分布式SCADA系统。IEC61850不仅用于变电站内通信，而且用于变电站和控制中心通信。

    IEC61850标准经过多年的酝酿和讨论于2003年内正式发布部分内容。IEC61850标准定义为变电站网络通信标准，也将成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化无缝自动化标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。当前, 生产相关产品的国外各大公司都在围绕IEC61850 开展工作，并提出IEC61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准”。

    4.2 标准的特点

    IEC61850的主要特点是面向对象建模、抽象通信服务接口、面向实时的服务、配置语言、整个电力系统统一建模。

    其优点具体表现在：分层的智能电子设备和变电站自动化系统，满足实时信息传输要求的服务模型，采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射，以适应网络发展。采用对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开放互操作要求，采用配置语言，在信息源定义数据和数据属性，传输采样测量值。IEC61850系列标准还包括变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等。

    * 信息分层

    变电站通信网络和系统协议IEC61850标准草案提出了变电站内信息分层的概念，无论从逻辑概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口，如下图所示。

图3 信息分层的变电店自动化系统

图4 服务器中典型数氢模型分层结构

图5   IEC 61850 变电站自动化通信系统框架

5 IEC61850标准在城市轨道交通电力监控系统的作用分析

    到今日，IEC61850标准已经进入到一个快速普及发展的阶段，国内外相关厂家都在积极推出采用IEC61850标准相关产品，业内采用IEC61850标准变电所监控系统也相继落成，这些都为采用IEC61850标准构建大型监控系统提供了理论支持、实践经验以及设备保证。而城市轨道交通电力监控系统可为其提供最好的平台展示其强大功能。

    5.1 地域特点和系统构成方式为IEC61850标准提供了平台

    首先，国内城市的城市轨道大都每条线路建设一个单独的监控系统，其车站变电所更是分布在一个相对小的地域内，这对IEC61850标准应用初期的调试和组网提供了便利的条件，且其系统规模也十分适合于IEC61850标准的推广应用现状。

    IEC61850标准中没有明确规定其采用的通讯方式，但是要实现IEC61850标准的全部功能，使其优点得以充分体现，需要一个快速的传递通道。城市轨道交通电力监控系统采用光纤以太网通道进行数据传输，为IEC61850标准功能提供了一个完美展现的舞台。

    5.2 数据信息动态获取减少了数据的维护量，提高了正确性

    IEC61850标准采用面向对象的数据自描述方式，在数据源就对数据进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行物理量对应、标度转换等工作。支持IEC61850标准的监控系统数据库可根据数据源情况自动建模，自动跟新，不受预先定义的限制进行传输，简化了数据管理和维护工作，且提高了数据正确性。

    5.3 间隔层设备升级和接入方案

    IEC61850标准也是各变电所各间隔层设备厂家对产品进行实现和升级换代的目标，目前国外各大厂家如ABB，西门子等公司均推出了采用IEC61850标准的设备，只是在国内没有大量的应用。但其小范围应用的系统性能得到了业内的一致好评。 而城市轨道交通电力监控系统如采用了IEC61850标准，和变电所间隔层设备紧密地结合在一起，系统性能将得到提升。同时可减少接口众多所造成的开发、调试、维护工作量。

    在系统过渡期，变电所内仍可能存在不能采用IEC61850标准的间隔层设备，我们可采用配置协议转换单元进行转换、监控系统中采用公用数据库与各种协议数据库映射的方法进行设备接入，从而实现全系统一种标准的目标，提高监控系统性能，也促进间隔层设备的升级换代。

    5.4 通讯处理单元最终消失

    如果各车站变电所间隔层设备全部采用了IEC61850标准，变电所管理层通讯处理单元也就没有了实际存在的意义，可换成两台冗余的光纤以太网交换机，直接接入到骨干网中，由控制中心服务器直接完成数据采集与控制功能。而交换机作为成熟产品，其稳定性和可维护性无疑高于通讯处理单元，从而可提高整个城市轨道交通电力监控系统的稳定性，减少了运营人员的维护工作量。

6 结束语

    通过上述阐述，IEC61850标准可以与城市轨道交通电力监控系统的特点相结合，弥补其不足，提高其性能，十分适合于城市轨道交通电力监控系统，是城市轨道交通电力监控系统发展的方向。尽管这个标准的普及推广及完全基于其上的城市轨道交通电力监控系统的最终成型，还是需要一个时间过程，但随着业内在技术和认识方面普遍水平的提高，这个过程不会太长，相信不久之后我们就将迎来一个崭新的城市轨道交通电力监控系统。

作者信息：

    王军平（西南科技大学 信息工程学院，四川  绵阳  621002）

    赵赫男，王存毅（北京和利时系统工程股份有限公司， 北京  100096）