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摘要：本文通过分析苏州轨道交通一号线电力监控系统的接口类型及通信规约，总结了目前轨道交通电力监控系统接口通信所面临的问题，提出了IEC61850新技术标准在未来城市轨交通电力监控系统应用中的优越前景。
关键词:城市轨道交通 电力监控 通信规约 IEC61850
1苏州轨道交通1号线电力监控概况
苏州轨道交通1号线供电系统采用110/35kV两级集中供电方式，设6个供电分区。东西设有专用的 2 座110/35kV主变电所，采用35kV中压网络向全线所有牵引降压混合变电所、降压变电所和跟随所供电。电力监控系统是由设置在控制中心的电力监控调度系统，设置在地铁沿线变电所综合自动化系统以及联系它们的通信通道构成。在车辆段综合基地供电车间调度室内还设置电力监控系统复示终端，以监视全线供电系统的运行情况。其中控制中心的电力调度系统、电力监控系统复示终端作为子系统纳入综合监控系统（ISCS），由综合监控专业实现其硬件、软件配置。
变电所综合自动化系统采用分层分布式系统结构，由站级管理层、网络通信层、间隔设备层组成。系统以供电设备为对象，通过网络将所内的35kV/400V交流保护测控单元、1500V直流保护测控单元、交直流电源系统监控单元等间隔层设备连接起来。
2 變电所综合自动化系统接口类型及通信规约分析
影响电力监控系统安全、稳定运行的一个重要点是能否合理有效解决各种供电设备间的接口通信。以下为苏州轨道交通一号线变电所综合自动化系统接口类型及通信规约表：
表2.1：牵引降压混合变电所、降压变电所各间隔层设备与变电所综合自动化系统的接口类型及采用的通信规约表：
可以看出，轨道交通变电所综合自动化系统的底层接口类型多种多样，常用物理接口主要有串口数据接口、以太网数据接口、硬线接口等。站控层与间隔层设备的通信协议也较为复杂，比如常用的IEC103、CANBUS、Lonworks、ProfiBus、ModBus等协议。虽然间隔层设备型号多、厂家杂，而且各大厂商都有自己独立开发的通信协议，但是大部分的间隔层设备都能兼容ModBus协议。该协议为公开的免费协议，协议格式简单，编程容易，维修技术人员容易上手。ModBus协议既有支持串行接口的ModBus ASCII和ModBus RTU两种模式，又有支持以太网的ModBus TCP模式。随着以太网技术不断革新和变电所规模的日趋扩大，支持以太网的ModBus TCP模式已被广泛应用。
3 与综合监控系统的通信接口及通信规约分析
目前城市轨道交通工程包含多个自动化系统，系统集成便于资源共享，事故情况下统一指挥。因而，电力监控系统有必要集成于综合监控系统中。此时处理好电力监控系统与综合监控系统的关系及接口是十分重要的。
图3.1：典型车站变电所综合自动化系统与综合监控系统接口图示
由于城市轨道交通所监控的变电所数量较多，距离较远而供电可靠性要求非常高等特点，因此提高数据传输的速度和可靠性成为完成监控功能的关键，一号线电力监控系统采用的是光纤以太网通信技术。可以简单可靠地实现各个变电所综合自动化系统和综合监控系统调度主站系统的无缝连接。整个系统是一个在以太网基础上，基于客户/服务器体系结构的全分布式系统。控制中心调度主站系统作为整个系统的CLIENT端，各变电所综合自动化系统的通信管理机作为整个系统的SERVER端，以TCP/IP协议互相通信，构成标准的CLIENT/SERVER模式。各变电所内的通信管理机对下采集所内保护、测控、智能装置的实时数据，并转发来自调度主站系统或当地监控系统的控制命令，对上将采集到的实时数据通过通信通道上传给调度主站系统，并接受来自调度主站系统的控制命令。
有了高速传输的光纤以太网通信形式，还需采用合适的远动通信规约才能完成响应的通信。一号线变电所综自系统与综合监控系统接口采用了IEC60870-5-104通信规约(以下简称104规约)。104规约是IEC60870-5-101规约的网络版，作为远动网络化标准通信协议的一种，它既具有实时性好、可靠性高、数据流量大等优点，又具有便于信息量扩充、支持网络传输等优点。因此，利用104规约实现城市轨道交通中变电所综自系统与综合监控系统的集成通信是非常好的办法。它既保证了开放性，又能很好满足监控系统信息传输的实时性、可靠性等要求，有利于标准化的优势带来开发的便捷性。同时，基于104规约在实现网络通信上，可有效利用光纤通道的传输能力。有利于远动协议的标准化推广，对实现自动化系统组网和数据共享以及设备方便、迅速的维修提供了技术支持。但是，电力监控系统常常要求能够远方修改保护定值和保护动作信号进行远方复归，而这些在104规约中并没有相关定义，因此，还需要对104规约进行拓展。
4 目前电力监控系统接口通信面临的问题
4.1接口通信协议繁多，且需经数次转换，面临大量接口测试工作
在城市轨道交通电力监控系统中，变电所内间隔层各智能保护设备一般采用分别招标施工的方式。以苏州轨道交通为例，35kV、1500V、400V保护测控设备采用三个不同厂家设备，再加之交直流系统、轨电位限制装置等，一个车站级变电所内具有多达数十种间隔层设备。各个设备厂家往往采用不同的接口协议，即使采用同一标准协议，在实际工程实现时，各个设备厂家往往也对该标准协议有各自的解释方式和优化升级。再加之，变电所综合自动化系统和综合监控系统分别采用的国电南自和国电南瑞的设备，间隔层各设备数据按表2.1、表2.2通信协议经南自通信服务器WTS-65转换成南自IEC103规约后，经由南自通信管理机WTX-65，通过IEC104规约转发至南瑞通信管理机C306后，再转换成DNP规约送至车站级服务器处理。数据经过多级协议转换，造成了电力监控系统通信管理单元需要进行定制处理，又伴随着大量的接口测试、调试工作，对工作的实施极为不利。系统投运后，协议的多样性也会对运营人员提出了较高的要求，对维护工作带来困难。
4.2 通信方式多样，可靠性不足
采用不同厂家的设备也造成了通信链路方式的多样，以苏州轨道交通一号线为例，间隔层设备有以太网、串口等多种通信方式，这就对通信管理单元提出了同时具备这些通信方式的高标准、高要求。而通信管理单元，是电力监控系统通信处理的中枢，在完成这些通信方式要求的同时，其自身的稳定性、可靠性就成了问题。通信方式转换设备、通信管理单元对日后运营人员的维护工作造成了麻烦。
因此，要从根本上解决接口问题，就只有要求各厂家采用一个标准通信接口和通信协议，以支持不同制造厂商生产的智能电子设备具有互操作性和互换性。
5 IEC61850标准在城市轨道交通电力监控系统中的发展前景
现今，最新技术IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电所自动化系统唯一国际标准。它提出了实现“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打开了一扇面向未来、面向新技术的大门。
5.1 IEC61850标准的特点：
1）定义了变电所的信息分层结构
IEC61850除了将变电所综合自动化系统分成变电站层、间隔层和过程层之外，每个物理装置又由服务器和应用组成，将服务器（SERVER）分为逻辑装置—逻辑节点—数据对象—数据属性，物理装置内包含服务器（SERVER）和应用。从应用方面来看，服务器包含通信网络和I/O。由IEC61850来看，服务器包含逻辑装置、逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性。从通信的角度来看，服务器通过子网与站网相连，每1个IED即可扮演服务器角色，也可扮演客户的角色，这种分层，需要有相应的抽象服务来实现数据交换。
2）网络独立性
IEC 61850 标准总结了变电所内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ASCI）。在 IEC61850-7-2 中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型。客户通过 ACSI，由专用通信服务映射（SCSM）映射到所采用的具体协议栈，例如制造报文规范（MMS）等。IEC 61850标准使用 ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动SCSM，而不需要修改ACSI。
3）面向对象的数据自描述
IEC61850之前所有规约都是面向点的，传输信息必须事先将传输的变电所远动设备的信息与主站系统数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确的反映现场设备的状态。当智能电子设备间要交换的信息越来越多，越来越复杂时，面向点的规约的局限性就越来越明显了。采用面向对象自我描述方法就可以适应这种形式发展的要求，不受预先约定的限制，什么样的信息都可以传输。采用面向对象自我描述方法，传输到主站的数据都带有说明，马上可以建立数据库，使得现场验收的验证工作大大简化，数据库维护工作量也大为减少。IEC61850还规定了描述智能电子设备本身结构、通信系统结构、开关间隔功能机构及他们之间关系的文件格式（基于可扩展标记语言，extensible markup language,XML），XML其描述的方法使文件中的数据能够在不同厂家的设备工程工具和系统工程工具以兼容的方式进行交换。
4）数据对象统一建模
目前IEC TC57的各种标准都是根据各种特定应用，对各种对象建模，不能做到完全一致。要将各种协议连接起来，或者和SCADA数据库连接起来，就要进行转换。在采用网络技术的情况下，这种状况很难适应发展的需要。IEC TC57规定IEC61850的任务就是从SCADA数据库到过程的对象统一建模。
5.2 IEC61850标准在城市轨道交通电力监控系统发展优势
1）城市轨道交通各变电所相对地方电力系统来说，分布地域范围小。且一般一条线路单独一套电力监控系统，系统结构相对独立，为IEC61850标准初期的調试和组网提供便利。同时，目前城市轨道交通广泛采用的高速光纤以太网通信通道，更是为IEC61850标准提供了一个充分展现的舞台。
2）面向对象的数据自描述方式，传输到控制中心的数据都带有自我说明，不需要在进行数据物理量对应、标度转换工作。数据库可自动建模、自动更新，不受预先定义的限制，对于数据量大的城市轨道交通电力监控系统来说，使得现场验收的验证工作大大简化，数据库维护工作量也大为减少。
3）通信管理装置随着间隔层设备采用IEC61850标准，将不复存在。间隔层设备通过支持IEC61850标准的光纤以太网交换机，直接接入到通信主干网中，由控制中心的服务器直接完成数据采集与控制。而交换机作为成熟工业产品，其稳定性和可维护性远高于通信管理装置。从而提高整个城市轨道交通的稳定性，减少维护工作量。
6 结束语
目前为止，国内还没有在轨道交通变电站中使用IEC61850的实例，但地方电网变电站正积极推出基于IEC61850标准的数字化变电站。相信，随着国内电力行业IEC61850标准技术的不断发展成熟，城市轨道交通通信接口标准化、通信规约统一化的迫切需要，不久的将来，IECC61850标准将成为城市轨道交通电力监控系统的选择。
参考文献：
1、陈章宝，陈少华，陶涛，IEC61850到IEC60870通信规约的映射研究。陕西电力，2008.36（6）：78-81
2、王军平，赵赫男，王存毅，IEC61850标准在城市轨道交通电力监控系统中的应用前景分析。自动化博览，1003-0492（2008）03-0080-04
3、董常，城轨交通电力监控系统架构极其通信规约浅析。现代城市轨道交通2010/2
作者简介：顾宁斐，1985年1月出生，女，汉族，学士，助理工程师，现供职于苏州轨道交通有限公司、从事城市轨道交通电力监控系统、变电站综合自动化系统研究。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:城市轨道交通 电力监控 通信规约 IEC61850
1苏州轨道交通1号线电力监控概况
苏州轨道交通1号线供电系统采用110/35kV两级集中供电方式，设6个供电分区。东西设有专用的 2 座110/35kV主变电所，采用35kV中压网络向全线所有牵引降压混合变电所、降压变电所和跟随所供电。电力监控系统是由设置在控制中心的电力监控调度系统，设置在地铁沿线变电所综合自动化系统以及联系它们的通信通道构成。在车辆段综合基地供电车间调度室内还设置电力监控系统复示终端，以监视全线供电系统的运行情况。其中控制中心的电力调度系统、电力监控系统复示终端作为子系统纳入综合监控系统（ISCS），由综合监控专业实现其硬件、软件配置。
变电所综合自动化系统采用分层分布式系统结构，由站级管理层、网络通信层、间隔设备层组成。系统以供电设备为对象，通过网络将所内的35kV/400V交流保护测控单元、1500V直流保护测控单元、交直流电源系统监控单元等间隔层设备连接起来。
2 變电所综合自动化系统接口类型及通信规约分析
影响电力监控系统安全、稳定运行的一个重要点是能否合理有效解决各种供电设备间的接口通信。以下为苏州轨道交通一号线变电所综合自动化系统接口类型及通信规约表：
表2.1：牵引降压混合变电所、降压变电所各间隔层设备与变电所综合自动化系统的接口类型及采用的通信规约表：
可以看出，轨道交通变电所综合自动化系统的底层接口类型多种多样，常用物理接口主要有串口数据接口、以太网数据接口、硬线接口等。站控层与间隔层设备的通信协议也较为复杂，比如常用的IEC103、CANBUS、Lonworks、ProfiBus、ModBus等协议。虽然间隔层设备型号多、厂家杂，而且各大厂商都有自己独立开发的通信协议，但是大部分的间隔层设备都能兼容ModBus协议。该协议为公开的免费协议，协议格式简单，编程容易，维修技术人员容易上手。ModBus协议既有支持串行接口的ModBus ASCII和ModBus RTU两种模式，又有支持以太网的ModBus TCP模式。随着以太网技术不断革新和变电所规模的日趋扩大，支持以太网的ModBus TCP模式已被广泛应用。
3 与综合监控系统的通信接口及通信规约分析
目前城市轨道交通工程包含多个自动化系统，系统集成便于资源共享，事故情况下统一指挥。因而，电力监控系统有必要集成于综合监控系统中。此时处理好电力监控系统与综合监控系统的关系及接口是十分重要的。
图3.1：典型车站变电所综合自动化系统与综合监控系统接口图示
由于城市轨道交通所监控的变电所数量较多，距离较远而供电可靠性要求非常高等特点，因此提高数据传输的速度和可靠性成为完成监控功能的关键，一号线电力监控系统采用的是光纤以太网通信技术。可以简单可靠地实现各个变电所综合自动化系统和综合监控系统调度主站系统的无缝连接。整个系统是一个在以太网基础上，基于客户/服务器体系结构的全分布式系统。控制中心调度主站系统作为整个系统的CLIENT端，各变电所综合自动化系统的通信管理机作为整个系统的SERVER端，以TCP/IP协议互相通信，构成标准的CLIENT/SERVER模式。各变电所内的通信管理机对下采集所内保护、测控、智能装置的实时数据，并转发来自调度主站系统或当地监控系统的控制命令，对上将采集到的实时数据通过通信通道上传给调度主站系统，并接受来自调度主站系统的控制命令。
有了高速传输的光纤以太网通信形式，还需采用合适的远动通信规约才能完成响应的通信。一号线变电所综自系统与综合监控系统接口采用了IEC60870-5-104通信规约(以下简称104规约)。104规约是IEC60870-5-101规约的网络版，作为远动网络化标准通信协议的一种，它既具有实时性好、可靠性高、数据流量大等优点，又具有便于信息量扩充、支持网络传输等优点。因此，利用104规约实现城市轨道交通中变电所综自系统与综合监控系统的集成通信是非常好的办法。它既保证了开放性，又能很好满足监控系统信息传输的实时性、可靠性等要求，有利于标准化的优势带来开发的便捷性。同时，基于104规约在实现网络通信上，可有效利用光纤通道的传输能力。有利于远动协议的标准化推广，对实现自动化系统组网和数据共享以及设备方便、迅速的维修提供了技术支持。但是，电力监控系统常常要求能够远方修改保护定值和保护动作信号进行远方复归，而这些在104规约中并没有相关定义，因此，还需要对104规约进行拓展。
4 目前电力监控系统接口通信面临的问题
4.1接口通信协议繁多，且需经数次转换，面临大量接口测试工作
在城市轨道交通电力监控系统中，变电所内间隔层各智能保护设备一般采用分别招标施工的方式。以苏州轨道交通为例，35kV、1500V、400V保护测控设备采用三个不同厂家设备，再加之交直流系统、轨电位限制装置等，一个车站级变电所内具有多达数十种间隔层设备。各个设备厂家往往采用不同的接口协议，即使采用同一标准协议，在实际工程实现时，各个设备厂家往往也对该标准协议有各自的解释方式和优化升级。再加之，变电所综合自动化系统和综合监控系统分别采用的国电南自和国电南瑞的设备，间隔层各设备数据按表2.1、表2.2通信协议经南自通信服务器WTS-65转换成南自IEC103规约后，经由南自通信管理机WTX-65，通过IEC104规约转发至南瑞通信管理机C306后，再转换成DNP规约送至车站级服务器处理。数据经过多级协议转换，造成了电力监控系统通信管理单元需要进行定制处理，又伴随着大量的接口测试、调试工作，对工作的实施极为不利。系统投运后，协议的多样性也会对运营人员提出了较高的要求，对维护工作带来困难。
4.2 通信方式多样，可靠性不足
采用不同厂家的设备也造成了通信链路方式的多样，以苏州轨道交通一号线为例，间隔层设备有以太网、串口等多种通信方式，这就对通信管理单元提出了同时具备这些通信方式的高标准、高要求。而通信管理单元，是电力监控系统通信处理的中枢，在完成这些通信方式要求的同时，其自身的稳定性、可靠性就成了问题。通信方式转换设备、通信管理单元对日后运营人员的维护工作造成了麻烦。
因此，要从根本上解决接口问题，就只有要求各厂家采用一个标准通信接口和通信协议，以支持不同制造厂商生产的智能电子设备具有互操作性和互换性。
5 IEC61850标准在城市轨道交通电力监控系统中的发展前景
现今，最新技术IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电所自动化系统唯一国际标准。它提出了实现“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打开了一扇面向未来、面向新技术的大门。
5.1 IEC61850标准的特点：
1）定义了变电所的信息分层结构
IEC61850除了将变电所综合自动化系统分成变电站层、间隔层和过程层之外，每个物理装置又由服务器和应用组成，将服务器（SERVER）分为逻辑装置—逻辑节点—数据对象—数据属性，物理装置内包含服务器（SERVER）和应用。从应用方面来看，服务器包含通信网络和I/O。由IEC61850来看，服务器包含逻辑装置、逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性。从通信的角度来看，服务器通过子网与站网相连，每1个IED即可扮演服务器角色，也可扮演客户的角色，这种分层，需要有相应的抽象服务来实现数据交换。
2）网络独立性
IEC 61850 标准总结了变电所内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（ASCI）。在 IEC61850-7-2 中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型。客户通过 ACSI，由专用通信服务映射（SCSM）映射到所采用的具体协议栈，例如制造报文规范（MMS）等。IEC 61850标准使用 ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动SCSM，而不需要修改ACSI。
3）面向对象的数据自描述
IEC61850之前所有规约都是面向点的，传输信息必须事先将传输的变电所远动设备的信息与主站系统数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确的反映现场设备的状态。当智能电子设备间要交换的信息越来越多，越来越复杂时，面向点的规约的局限性就越来越明显了。采用面向对象自我描述方法就可以适应这种形式发展的要求，不受预先约定的限制，什么样的信息都可以传输。采用面向对象自我描述方法，传输到主站的数据都带有说明，马上可以建立数据库，使得现场验收的验证工作大大简化，数据库维护工作量也大为减少。IEC61850还规定了描述智能电子设备本身结构、通信系统结构、开关间隔功能机构及他们之间关系的文件格式（基于可扩展标记语言，extensible markup language,XML），XML其描述的方法使文件中的数据能够在不同厂家的设备工程工具和系统工程工具以兼容的方式进行交换。
4）数据对象统一建模
目前IEC TC57的各种标准都是根据各种特定应用，对各种对象建模，不能做到完全一致。要将各种协议连接起来，或者和SCADA数据库连接起来，就要进行转换。在采用网络技术的情况下，这种状况很难适应发展的需要。IEC TC57规定IEC61850的任务就是从SCADA数据库到过程的对象统一建模。
5.2 IEC61850标准在城市轨道交通电力监控系统发展优势
1）城市轨道交通各变电所相对地方电力系统来说，分布地域范围小。且一般一条线路单独一套电力监控系统，系统结构相对独立，为IEC61850标准初期的調试和组网提供便利。同时，目前城市轨道交通广泛采用的高速光纤以太网通信通道，更是为IEC61850标准提供了一个充分展现的舞台。
2）面向对象的数据自描述方式，传输到控制中心的数据都带有自我说明，不需要在进行数据物理量对应、标度转换工作。数据库可自动建模、自动更新，不受预先定义的限制，对于数据量大的城市轨道交通电力监控系统来说，使得现场验收的验证工作大大简化，数据库维护工作量也大为减少。
3）通信管理装置随着间隔层设备采用IEC61850标准，将不复存在。间隔层设备通过支持IEC61850标准的光纤以太网交换机，直接接入到通信主干网中，由控制中心的服务器直接完成数据采集与控制。而交换机作为成熟工业产品，其稳定性和可维护性远高于通信管理装置。从而提高整个城市轨道交通的稳定性，减少维护工作量。
6 结束语
目前为止，国内还没有在轨道交通变电站中使用IEC61850的实例，但地方电网变电站正积极推出基于IEC61850标准的数字化变电站。相信，随着国内电力行业IEC61850标准技术的不断发展成熟，城市轨道交通通信接口标准化、通信规约统一化的迫切需要，不久的将来，IECC61850标准将成为城市轨道交通电力监控系统的选择。
参考文献：
1、陈章宝，陈少华，陶涛，IEC61850到IEC60870通信规约的映射研究。陕西电力，2008.36（6）：78-81
2、王军平，赵赫男，王存毅，IEC61850标准在城市轨道交通电力监控系统中的应用前景分析。自动化博览，1003-0492（2008）03-0080-04
3、董常，城轨交通电力监控系统架构极其通信规约浅析。现代城市轨道交通2010/2
作者简介：顾宁斐，1985年1月出生，女，汉族，学士，助理工程师，现供职于苏州轨道交通有限公司、从事城市轨道交通电力监控系统、变电站综合自动化系统研究。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。