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《西南交通大学》 2007年
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高速铁路牵引供电自动化网络通信系统研究

王牣  
【摘要】: 我国铁路建设进入了一个高速发展阶段,高速铁路的设计、建设正在进一步展开。面对日、德、法等先进技术的竞争,研究具有自主知识产权高速铁路牵引供电自动化系统(TPSAS,Traction Power Supply Automatic System)是十分有意义的。控制自动化、管理信息化的TPSAS是高速铁路供电系统可靠运行的基础,可以替代进口,节省外汇和国家投资,同时也是高速铁路急需的重大技术装备。实现TPSAS的关键是通信,通信问题已成为牵引供电自动化系统研究和开发的核心问题。 现在运行的供电调度系统(PSDS,Power Supply Dispatching System)、牵引变电所自动化系统(TSAS,Traction Substation integrated Automation System)、牵引供电管理信息系统(PSMIS,Power Supply Management Information System)、接触网工区、检测车、牵引供电维修管理中心、路局管理部门等通信接口复杂,信息流混乱,要求不清,很难实现真正意义上的管控一体化,同时存在“信息化孤岛”问题。在考虑系统的安全性和可靠性的前提下,按照管理和控制分流的原则,对TPSAS每个子系统的输入输出信息流进行了规范,提出了每个子系统的接口和要求,规划了TPSAS完整的信息流。按照铁路信息规范化要求,研究了相应的信息数据词典。按照TPSAS信息流对通信的要求,在现有通信网络的基础上,提出了TPSAS网络通信架构的解决方案。 TPSAS系统实时性主要是TSAS网络以及PSDS控制网络的实时性。通过深入研究以太网技术,结合高速铁路对TSAS实时性要求,提出了一种新的工业控制以太网解决方案:分布交换式双环光纤自愈以太网。针对该方案,展开了研究:①详细设计了通信单元和TSAS中智能电子装置(IED,Intelligent Electric Device)的接口硬件。②提出了基于实时数据通道、最短路径表的最短路径算法,提高了通信的实时性。③提出了通信故障自愈和定位算法,使通信更易于维护,易于实现无人职守的TSAS,同时该方案也满足工业以太网对网络中断时间的要求。④利用最短路径的思想,给出了基于标准以太网的PSDS通信网络的实现方案。⑤考虑到现场环境,研制了相应的工业级分布交换式网络通信单元。该方案大大提高了PSDS控制网络实时性、可靠性,实现了PSDS与TSAS之间真正意义上的无缝连接。 利用排队论,讨论了通信CPU处理能力与输入缓冲区大小的关系,输入报文到达率与缓冲区大小的关系,得到了通信接口硬件的设计原则,为工业以太网通信接口硬件设计中CPU的选择提供了依据。 利用OPNET,对TSAS采用总线式、交换式、分布交换式以太网方案进行系统仿真,在相同的条件下,仿真结果表明,分布交换式以太网优于总线式和交换式以太网,且改进了以太网数据时延确定性,避免了冲突。利用故障树分析法,在元件可靠度相同的条件下,比较现有的PSDS网络结构和本文提出的2路双环SDH网络结构的可靠性,结果表明2路双环SDH网络可靠性优于现有的PSDS网络结构;比较了TSAS中采用交换式和分布交换式以太网的可靠性,结果表明分布交换式以太网可靠性大大高于交换式以太网。综上所述,PSDS采用2路双环SDH网络结构,TSAS采用分布交换式双环光纤自愈以太网,采用最短路径、故障自愈和故障定位算法,将是高速铁路TPSAS通信的一个较好的选择。 基于本文所提出的分布交换式工业以太网架构,论文研究了IEC61850标准在TSAS的实现过程,从IED建模、数据对象和服务建立,GOOSE/GSSE特殊映射,MMS应用,实时操作系统,到硬件设计(IEC61850标准对硬件是有特殊要求的),IED和变电站层配置软件研究。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U238;U223

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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6 记者 矫阳;我今年将开工建设4100公里高速铁路[N];科技日报;2008年
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7 陈宏;高速铁路软基处理中CFG桩间距合理布置研究[D];西南交通大学;2008年
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9 刘频;基于工业以太网、嵌入式系统的远动工作站设计与实现[D];西南交通大学;2008年
10 吴帆;基于实测数据的牵引变电所运行特性仿真及评价[D];西南交通大学;2009年
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