城市軌道交通電力監控SCADA系統總結

中心議題：
* 城市軌道交通調度主站系統介紹
* 變電站綜合自動(dòng)化系統概述
* 所間通信通道分析
解決方案：
* 所間通信通道采用冗余方案

前言

城市軌道交通的電力系統主要由提供機車(chē)電力驅動(dòng)的變電站和車(chē)站供電的變電站組成。電力系統的監控通過(guò)SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統，即“數據采集和監控”系統來(lái)實(shí)現。

城市軌道交通SCADA系統通常包括調度主站系統，變電站綜合自動(dòng)化系統和所間通信通道三部分構成。其中控制中心調度主站系統通過(guò)通信專(zhuān)業(yè)提供的通信通道與變電所主控單元進(jìn)行信息交換；變電所綜合自動(dòng)化系統通過(guò)所內通信網(wǎng)與所內IED裝置通信，通過(guò)通信通道與調度主站進(jìn)行通信，變電所綜合自動(dòng)化系統由站控主單元和所內通信網(wǎng)及其他廠(chǎng)家IED裝置組成。

1 調度主站系統

城市軌道交通調度主站系統，是個(gè)十分復雜的分布式軟件系統。

除了要求系統能安全、可靠的運行外，還需根據軌道交通建設的特點(diǎn)，充分考慮其擴展性：在系統構成上，應采用開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )體系架構以及成熟的國際標準規約，確保系統更新（包括軟硬件的升級換代、運營(yíng)模式的調整以及容量的擴充與功能的增加等）時(shí)，盡可能保護利用原有的硬件資源與軟件成果，不為系統結構限制。同時(shí)考慮既有的與再建擴建系統的銜接與擴充。

開(kāi)放的調度主站系統應能夠支持各種硬、軟件平臺。例如：硬件平臺支持各種64位RISC結構CPU的高端計算機，Intel 32位CISC結構奔騰CPU的PC機（Intel 64位EPIC結構安騰CPU的計算機即將進(jìn)入應用）。操作系統平臺支持各種64位Unix和32位Windows（支持EPIC的64位Unix和Windows即將進(jìn)入應用）。數據庫平臺支持各種主流商用數據庫Oracle、Sybase等。

以下以地鐵六號線(xiàn)為例，對調度主站系統簡(jiǎn)要說(shuō)明：

如圖1所示：沿著(zhù)數據流的走向，城市軌道交通調度主站系統主要由如下幾個(gè)子系統組成：數據采集和SCADA服務(wù)器，數據庫服務(wù)器，操作員工作站，WEB服務(wù)器等，它們通過(guò)冗余100M以太網(wǎng)連接。

這里需要做個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)明：一般情況下數據庫服務(wù)器單獨配置機器，SCADA同數據采集可合到一塊，統稱(chēng)為SCADA服務(wù)器，調度員界面單獨配置機器。

其中：

數據采集和SCADA服務(wù)器利用隔離的數據采集網(wǎng)，接收被控站通過(guò)通信系統專(zhuān)用透明以太網(wǎng)絡(luò )通道上傳的生數據，將其處理成熟數據后，從SCADA服務(wù)器后端的雙網(wǎng)提供給全系統其他節點(diǎn)機使用。

安裝了商用數據庫服務(wù)器的機器叫做數據庫服務(wù)器，它的功能是負責把系統的所有YC、YX、KWH、通道、廠(chǎng)站、接點(diǎn)的參數存儲到硬盤(pán)上，負責把所有的歷史數據存儲到硬盤(pán)上，歷史服務(wù)器一般冗余配置兩臺。為保證雙機數據庫的絕對一致性，可配置共享磁盤(pán)陣列。歷史數據庫保存報表、曲線(xiàn)的歷史數據和事件、操作的歷史記錄。有時(shí)還保存實(shí)時(shí)處理的描述參數。

調度員工作站（OPU），顧名思義就是供調度員進(jìn)行數據監視，瀏覽的工作站，操作員工作站子系統為操作員提供友好的全圖形操作人機界面。各種典型操作的過(guò)程和模式總結積累行業(yè)經(jīng)驗，符合行業(yè)習慣。一般調度員工作站只運行圖形界面的程序用以監視實(shí)時(shí)數據。

運行WEB程序的節點(diǎn)叫做WEB服務(wù)器。WEB服務(wù)器為實(shí)時(shí)系統之外的人士提供瀏覽實(shí)時(shí)畫(huà)面的方便手段。本企業(yè)的人士可以通過(guò)企業(yè)網(wǎng)寬帶，使用I.E.瀏覽器方便地瀏覽實(shí)時(shí)畫(huà)面。遠程人士可以通過(guò)電話(huà)撥號網(wǎng)瀏覽實(shí)時(shí)畫(huà)面。

2 變電站綜合自動(dòng)化系統

變電所綜合自動(dòng)化不僅可以完成傳統的RTU功能，還可以實(shí)現變電所各種設備的監控功能：包括各個(gè)設備的電流、電壓、功率、電度采集和電氣一次設備的控制、監視、聯(lián)動(dòng)、聯(lián)鎖、閉鎖功能、自動(dòng)投切等。

變電所綜合自動(dòng)化系統的系統結構由站控層（站控主單元），間隔層（每個(gè)電力設備IED裝置）和所內通信網(wǎng)三部分組成。

站控主單元是整個(gè)變電所綜合自動(dòng)化系統的核心，它負責從間隔層獲取來(lái)自現場(chǎng)不同類(lèi)型的實(shí)時(shí)數據，并通過(guò)所間通道（通信專(zhuān)業(yè)提供）向控制中心調度主站發(fā)送變電所操作、事故、預告等信息，接收來(lái)自調度或當地維護計算機下發(fā)的控制命令并送達間隔層執行。變電站內先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )架構，使得通信技術(shù)扮演起重要角色。在通信中，站控主單元為通信主站，微機保護裝置為通信從站。在常用的站控層單機方案中，通信呈現一主多從模式。

間隔層設備通常由保護裝置組成，一般通信接口物理層為RS485，應用層多采用各種現場(chǎng)總線(xiàn)規約，如MODBUS，也有一些通信功能較強的保護裝置支持標準電力遠動(dòng)規約，如DNP3.0或IEC60870-5-103等。

所內通信網(wǎng)由信號屏側的交換機和開(kāi)關(guān)柜側的以太網(wǎng)轉換設備組成。目前先進(jìn)的所內通信網(wǎng)通常采用光纖以太交換網(wǎng)，配置一臺模塊式純光纖100M以太網(wǎng)交換機，在所內通信的帶寬和抗干擾能力上明顯提高。交換機具有用于連接不同設備群的光纖以太網(wǎng)接口，滿(mǎn)足變電所綜合自動(dòng)化系統控制、測量、保護的通信技術(shù)要求；在開(kāi)關(guān)柜側配置以太網(wǎng)轉換裝置。轉換裝置與開(kāi)關(guān)柜內微機保護和IED設備的接口為標準RS485。以太網(wǎng)轉換裝置的網(wǎng)絡(luò )拓撲優(yōu)化設計，能夠將傳統的多個(gè)裝置串接的共享式總線(xiàn)網(wǎng)，提升為每個(gè)裝置直接上聯(lián)的獨享式輻射網(wǎng)。高實(shí)時(shí)性并行聯(lián)網(wǎng)方案中任何裝置的實(shí)時(shí)數據更新周期將提高數倍。

下表是上海部分運營(yíng)線(xiàn)路的技術(shù)數據：

3 所間通信通道

所間通信通道采用冗余方案，通信軟件采用冗余線(xiàn)程，保證系統的可靠性。目前流行的所間通信主干網(wǎng)結構如圖2所示：

目前上海軌道交通已實(shí)施方案中的所間骨干網(wǎng)的性能比較如下：

從上表中可以看出：方案1或方案2使用通信系統提供的串口，方案3采用的是IP over SDH，方案4是真正的城域以太網(wǎng)技術(shù)，通信系統僅提供傳輸介質(zhì)。

從通信質(zhì)量上來(lái)看，方案1或方案2使用通信系統提供的串口時(shí)，可以直接發(fā)現誤碼，比較直觀(guān)；在方案3或方案4中，應用軟件采用TCP建鏈，保證在以太網(wǎng)通訊中獲得可靠數據，通信傳輸系統的通信質(zhì)量問(wèn)題轉化為以太網(wǎng)通訊的穩定性問(wèn)題。這些可以通過(guò)以太網(wǎng)測試儀的測試數據得知。

筆者觀(guān)察到：在方案3中，當通信傳輸設備通信質(zhì)量較差時(shí)，以太網(wǎng)的連續ping丟包。丟包嚴重程度甚至從1/10到1/2不等，甚至有時(shí)在2-3天期間，某個(gè)網(wǎng)一直處于不可用狀態(tài)。隨著(zhù)城域以太網(wǎng)設備，標準，協(xié)議各方面技術(shù)的成熟，城域以太網(wǎng)技術(shù)正以其布設簡(jiǎn)單，帶寬可擴展以及內部開(kāi)銷(xiāo)低等特點(diǎn)進(jìn)入基礎主干網(wǎng)，其高性?xún)r(jià)比發(fā)揮了越來(lái)越多的優(yōu)勢，使得方案4受到市場(chǎng)的青睞。

目前在上海軌道交通六號線(xiàn)，八號線(xiàn)均采用了方案4的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構為環(huán)網(wǎng)。

結語(yǔ)

伴隨著(zhù)快速發(fā)展的計算機技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，今后可以結合相互關(guān)聯(lián)的其他輔助監控系統，考慮平臺一致性、網(wǎng)絡(luò )架構最優(yōu)化、系統安全性和開(kāi)放性，制定一個(gè)適合中遠期的發(fā)展體系結構。