鐵路電力自動化系統組網方式研究

摘要：對鐵路通信系統選用的通信形式及系統制度構架進行講解，通信系統進步與鐵路電力自動化的進步緊密聯系，兩者相互促進發展。文章敘述當今新建鐵路中廣泛采用的新型組網方案，如音頻專線組網、現場總線組網及以太網組網等方案，同時對其進步和發展空間寄予厚望。

關鍵詞：鐵路電力；自動化系統；通信系統；音頻專線組網；以太網組網；數字通道 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM76 文章編號：1009-2374（2017）11-0169-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.086

由于鐵路行車發展趨向于高速、大密度，要求鐵路電力體系的供電需要具備更高的可靠性，傳統監視控制的方式，比如電話調度、人工調度等不能更好的滿足行車的安全性需求，因此當今鐵路電力體統的必然發展趨勢是采取自動化電力體系。鐵路自動化電力體系原理是采用自動檢查和調控、計算機通信、軟硬件和網絡技巧，對體系內的各項步驟，如線路信號電源、變配電所及電氣集中供電電源等，實施集中監控。完成自動化調理，提升管理水準，并實時處理障礙，縮減事故停電范圍，快速復原供電，以免停電造成虧損，確保列車穩定安全運營。

1 音頻專線組網方式

音頻傳送接入系統的網絡即鐵路專用音頻傳送網絡，包含音頻共線專用通道和鐵路程控電話交換網。多數車站都設在鐵路沿線，信號電源和車站開關是每個車站具備的設備。采用線狀布設的特征，可用最實用的環形組網形式來完成調控數據的傳送。要有一個可中繼的通信裝備在環形組網形式里，目的是為把數據傳送出去。終端裝備接到報文，依照報文的詳細信息來選取數據，確保自身地址信息與其統一，則接受實行相應的管理，相反則不進行管理。其優勢在于能有效節約信道能源，穩定性高，但同時音頻專線組網方式實時性差，信號延時大，在線路故障后可經過其他方位傳送。由于當前鐵路通信系統的迅猛發展，所以這種組網形式基本上很少被采用。

2 現場總線組網方式

在作業里的全數字化、多節點及雙向的數字通信體系統稱為現場總線。它的功能是變配電所內部確保單元間及局部范圍內FTU、RTU、STU間的通信。現場總線的優點有以下三個方面：

2.1 能夠有效節省硬件的數量及投資

在作業中分散的智能裝備可以直接進行報警、調控、丈量、傳感、計算機等功能，還可縮減變器的數量，無需進行單獨的計算單元、調節器，更不用對DCS的系統信號進行隔離、復雜連接、轉換、調理等，并且可以采用工控的PC機進行操作，實施有效調控在硬件投資等層面上，也縮減了調控室的占地面積。

2.2 安裝費用的節省

作業實際總線組網形式的連接系統較為檢查，一條電纜或一對雙絞線上可實現多個設備的掛接，有效減少橋架、槽盒、端子、電纜的用量，降低接頭校對和連接設計等工作。如果需要增加實際調控裝備，也無需再增設新的電纜，可與原有電纜實施接連工作，不僅減少了設計工作，還有效降低了其安裝工作量和投資成本。

2.3 系統的可靠性及準確性得到提高

與模擬信號相比較，現場總線組網方式更數字化、智能化，讓控制及測量的精準度得到有效保證，讓其傳送誤差得到控制。場總線組網方式系統結構較為簡單，其內部功能也增加到一個階段，減弱信號往返傳送的情況，讓其工作穩定性得以提高。因它的標準化裝備，功能模塊化，所以還具有設計簡易、便于重構等特性優點。其調控體系（FCS）改良了傳統DCS模擬數字通信依賴一對一設置布線、混合進行信號傳輔、體系比較閉塞的缺陷，成為工業調控技能的進步方式之一，由于從測試裝備到監察計算機的全數字通信網絡的出現，正好配合了調控網絡的進步需求。專為在現場處境而設計的FCS，成為底層網絡在場地裝備前端，可供應光纜、雙絞線、射頻電纜、同軸電纜、電力線及紅外線，具備抗干預力極強特點，達到安全指標的同時可用兩線制完成通信和送電。現場總線組網方式具備布線簡易、牢靠性高、數據傳送優先級調控、開放通信協議、適宜嵌入式運用等特性?，F如今國內外的實際總線有大約60多種標準，常見的有AN總線、RS-485總線、CLonWorks總線等，但因其互不相容，所以延緩了現場總線的發展腳步。

3 以太網組網方式

以太網正逐漸滲入到數據通信的邊緣，席卷了工業自動化范圍，是當今信息網絡范疇中最為普遍的局域網。工業以太網就是技能上與其準則（IEEE802.3）兼容。鐵路系統現已普遍選取工業以太網通信技能，即選用工業交換機，經過通信體系的各級通道組架成工業以太網，使裝備間的通信達成。以太網組網方式的優勢如下：

3.1 確保系統的牢靠性

可組建環形冗余網絡。選用以太網方式組網的電力體系，復原速度極快，在重復方式也上極易達成。

3.2 帶寬大，傳送速率快

因選用以太網組成，在傳送帶寬上與平常以太網確保一致，滿足電力系統需求。

3.3 擴展性能優良

在以太網架構的體系里，網絡適用于調控數據的傳送，也能成為語音和視頻的傳送媒介。攝像機的視頻、語音、調控信號都可由編碼器轉變成適當的以太網指標的信息傳送至入網絡中，達成視頻、數據、語音“三網合一”。

3.4 鑒于TCP應用層的協議

ModBus/TCP是基于TCP/IP的ModBus協議，它在傳送層采取標準的傳送調控協議TCP，能在接入到有誤數據時，利用重傳機制和應答來確定數據傳送的穩定性。ModBus是多數供應商都支持的開放式的協議。網絡層選取IP協議，用戶只要對調控裝備的IP地址了解便可達成裝備間通信，與硬件及低層網絡地址不存在關聯，對用戶而言整個網絡都是個透明組成。

以太網組網形式下的鐵路系統組網架構較為變通，可選用鏈狀、環形、樹型、星型等形式組網。（1）鏈狀組網：鏈狀組網是利用多級分光器完成組網的一種方式，將分光器布置于不同的ONU位置，而每個ONU的主光為10%，把剩下的90%分送至下一級，常用于帶狀或鏈狀的10KV線路；（2）星形組網：從結構上來說星型組網結構是最典型的多路分光器結構，結構不用進行光衰耗計算，清晰簡單的結構形式，可以在供電區域比較密集的地方應用；（3）環形組網：這種組網方式是配電網通信組網中最常用到一種方式，利用多級分光器進行組網。多級串聯成環，與其他組網結構相比，其鏈路保護機制更為完善，可以有效降低通道一點斷開、單點冗余失效等情況，讓通信網絡的可靠性得到保證，同時也保證鐵路本自動化系統的業務更加安全；（4）樹型組網：所謂的樹型組網就是對鏈狀組網和星型組網進行整合后的一種組網方式，對多級分光器和多路分光器進行整合，再與實際電網結構完成緊密結合，這種組網方式不僅能夠讓建造施工量得到降低，還有利于后期進行配網的拓展工作。聯系鐵路的特征，當前大多選用環形。其可分為多種類別，包含直接供應光纖及通信專用虛擬通道。若用光纖可裝配傳輸光口在路由器上，依照光口的不同性能可供應幾十公里的傳送間距；若用通信專用虛擬通道，不受傳送間距制約，通過供應的2M通道或以太網通道完成接連，只要臨近有通信裝備便可完成接入，在鐵路系統中，則需通信專業對應供給通道的電力節點臨近布設的通信機房，提前確定通信裝備的安裝方位地點。

4 數字通道組網方式

數字通道形式即是運用傳送接入體系對應的數字接口實現電力體系的組網，通信接口通常采用RS-232/V.24/V.35等。組網形式也類似于音頻專線形式的星型組網方式，加入多路串口機。數字通道組網方式的優點在于：

4.1 讓通信的保密性得到提高

通過A/D將語音信號轉換，同進還能實現加密處理，之后再完成傳輸，而接受端再接到信號后對其進行解密處理，然后又通過A/D將其還原轉換成模擬信號。

4.2 抗干擾能力得到提高

由于數字信號在傳輸的過程中有可能混入其他的雜音，此時可就能利用電子電路所構成的閥值對輸入的信號電壓進行衡量，只有電壓達到某一幅度，電路才會有輸出值，并自動生成一整齊的脈沖，因而數字通道傳輸可以用在距離較遠的傳輸上，在性能比較差的線路上也能適用。

4.3 構建綜合數字通信網

采用時分交換后，交換和傳輸統一起來，形成一個綜合的數字通信網。同時數字通道組網方式同樣存在一定的弊端，其弊端在于占用的頻率較寬、接口選用為串口、通信距間距被縮短等。在直接連接里，電力裝備及通信裝備間距不能高過16m，超出此間距時需增加一對MODEM來延展傳輸間距。接口的有限速度，只能傳送64kbit/s數據。因此鐵路電力自動化系統已經很少采用數字通道組網的方式，之前采用此方式組網的系統，也已經在近幾年改造中升級為其他的組網方式。

5 結語

伴隨鐵路系統網絡的普遍運用，規模迅速擴大，網絡安全問題屢見不鮮，很多地區都采用了預防措施進行維護，但仍存有諸多缺點。由于鐵路線的細長分布、供電間距長、環境差、故障多發維護艱難等，所以提升現存鐵路體系自動化水平尤為重要。鐵路體系對通信組網方式指出的首當其沖的必要條件便是安全穩定，現階段的鐵路自動化電力體系大批量采取專用通道組網，未來的進步發展也朝著穩定性方向邁進，向著更大的網絡規模方向發展。

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作者簡介：李源源（1984-），男，山西朔州人，中國鐵建國際集團有限公司中級工程師，研究方向：企業管理。

（責任編輯：王 波）