常用通讯协议在轨道交通PSCADA系统中的应用

常用通讯协议在轨道交通PSCADA系统中的应用

郝苗

（深圳地铁运营集团有限公司518040）

摘要：电力监控系统(PSCADA)作为地铁系统中承担供电监控任务的重要子系统，为整个地铁的安全运行提供保障。为实现PSCADA系统通信一体化，近年国际电工委员会(IEC)颁布了IEC61850标准。本文针对轨道交通PSCADA系统中的几种常用通讯协议展开讨论，研究各规约的优缺点，使其在PSCADA系统中得到最优应用。

关键词：通讯协议；轨道交通；PSCADA

一、背景

目前，随着我国城镇化进程的逐步加快，地铁建设成为我国经济快速、持续、稳定、健康发展的强力助推剂。近年，我国地铁建设开始进入大发展时期，自动控制技术和计算机技术的快速进步，带动了地铁综合监控系统(ISCS)有了很大发展。电力监控系统(PSCADA)作为承担地铁供电监控任务的子系统，是ISCS中关键的组成部分。

A．轨道交通PSCADA系统国内发展现状

在当今社会高速发展时期，铁路系统提升系统内部的管理组织效能、减少运维修成本成为大趋势。由此，兰州铁路局需要根据信息共享，调度集中原则，设计并建设一套统一规划、统一平台的铁路供电PSCADA系统，满足既有线和远期新建铁路的接入。目前，兰州铁路局装备有的四套远动系统兼容性差、产品型号复杂、信息不能共享、功能重叠、资源浪费的现状，扩展性差，管内新建和改建的电气化项目的接入时往往需要分散接入到多个远动系统，才能满足调度管理。当调度台管辖范围发生变更时，多套调度系统的调整繁琐复杂，并重新组织调试，费时费力成本高。

B．轨道交通PSCADA系统的一般应用模式

依据国家《中长期铁路网规划》，充分考虑远期扩展需求，铁路供电PSCADA系统的总体架构应采用整体性、先进性、开放性、可靠性等设计原则，以满足现阶段的建设和运行需求。铁路供电PSCADA系统的总体架构需充分考虑中国铁路“N+1”调度指挥模式的需要，铁路总公司调度中心及各个铁路局的调度所的系统均应采用统一的硬、软件技术框架和平台，满足不同建设时期的监控调度指挥的需求。

C．通讯规约在PSCADA系统的作用与意义

目前，地铁变电所自动化系统中远动规约多采用国际电工委员会(IEC)专门为远动通信制定的IEC60870-5-104规约标准。而所内传统继电保护测控装置常用IEC60870-5-103规约作为信息接口配套标准，同时，为了适应地铁变电所自动化系统通信一体化的发展要求，目前一些地铁保护设备厂家开始生产支持IEC61850规约的新型继保装置。除了保护和测控装置以外，地铁变电所中还应包括交直流屏、排流柜等诸多辅助设备，它们多采用ModBus规约或者厂家自定义规约作为通信规约。

二、常用通讯协议在PSCADA系统中的应用介绍

通信管理机处于地铁变电所自动化系统中的站控层，对上通过IEC104规约同远方调度中心进行通信，将采集和汇总的数据传输给远方调度中心，同时接收远方调度中心的遥控命令并且转发给本地设备。对下通过ModBus和IEC103规约同变电所自动化系统中的本地设备进行通信，定时采集各个设备的信息，并且及时转发调度中心的遥控命令实现对设备运行状态进行控制。

IEC60870-5-104规约标准规定了调度中心和变电所之间以“客户端一服务器”模式进行数据传输的报文格式。C60870-5-104规约根据实际应用需要将开放式的OSI7层通信模型改为5层，在应用层以下使用TCP协议进行通信，协议端口号通常规定为2404。

ModBus是OSI模型中第7层应用层的报文传输协议，采用请求/应答的主从通信技术，通过提供功能码规定的服务，实现不同设备之间的串口通信。主机通过创建ModBus应用数据单元(ADU)启动ModBus事务处理请求，ADU中的功能码指示从机将执行哪种操作，数据字节包括该操作的具体内容。从机在收到主机请求报文后，通过识别错误校验码是否正确，判断报文是否出现丢帧。从机根据主机的请求，按ModBus协议规定回复响应结果，其中，功能码域指示了该响应是正常响应还是某种差错响应，数据字节包含具体响应内容。

三、以上规约在PSCADA系统中的优缺点对比

文中的通信管理机选取ModBus规约和IEC103规约作为变电所传统IED通信规约。由于IEC103规约和IEC104规约类似，报文的应用数据单元大体都是采用IEC101规约的ASDU数据单元结构，只有信息体标识符的表述方式不同(IEC103规约采用“功能类型FUN+信息序号INF”组合作为信息体标识符，IEC104规约直接采用“信息对象地址IOA”作为信息体标识符)，因此IEC103规约和IEC104规约之间不需要做过多的数据映射工作。而ModBus规约的应用数据单元(ADU)和IEC104规约的ASDU存在较大差异，因此数据映射复杂一些。

从目前地铁变电所装置大量采用的通信规约分析，IEC60870-5系列通信规约和运用场合灵活、限制较低的ModBus通信规约在地铁变电所自动化系统中占据了主要地位。IEC60870-5-104规约作为国际电工委员会(IEC)专门为远动通信制定的规约标准，在地铁远动通信中应用广泛。地铁变电所自动化系统中本地通信规约则根据设备接口类型的不同，分为网口通信规约和串口通信规约。选用地铁变电所自动化系统中常用的IEC60870-5-103继电保护规约作为本地网口通信规约同所内继保装置进行通信。

四、未来PSCADA系统规约前瞻

IEC61850标准是国际电工委员会(IEC)近年来发布的最重要的国际标准，也是迄今为止关于变电站自动化的最新通信标准。IEC61850标准实质上是采用制造报文规范(MMS)实现通信，它通过特定服务映射(SCSM)将IEC61850的数据对象和服务向MMS中的数据对象和服务进行映射。IEC61850是基于以太网的通信标准，采用OSI七层网络参考模型。

IEC61850标准主要包括“发布方-订阅者”和“客户端-服务器”两种通信模式。在通信中，采样值SV和GOOSE这两种实时性要求比较高的通信服务多采用“发布方-订阅者”通信模式，而MMS通信服务则采用“客户端一服务器”通信模式。IEC61850标准的通信模型采用面向对象的分层结构，从下到上依次是:数据属性DA-数据对象DO-逻辑节点LN-逻辑设备LD-服务器SEVER-装置IED。

结束语：

综上所述，本文结合目前地铁变电所现场实际情况，选用IEC104规约、ModBus规约、IEC103规约和IEC61850规约作为本文的研究对象。通过对不同通信规约进行分析，充分讨论各通信规约的优缺点及在PSCADA系统中的应用。最后，对最新标准IEC61850规约进行介绍，为今后的研究指明了方向。

参考文献：

[1]陈宝军,汤旻安.城市轨道交通综合监控系统中数据库软件模块的设计与分析[J].科技创新与应用,2016(34):48-49.

[2]孙陈勇.城市轨道交通供电系统综合联调项目研究[J].城市轨道交通研究,2017,20(5):74-78.

[3]万斌.轨道交通电力监控系统设计与应用研究[J].城市建设理论研究(电子版),2016,23(22):74-75.