城市軌道交通電力監(jiān)控SCADA系統(tǒng)總結(jié)

中心議題：
    *  城市軌道交通調(diào)度主站系統(tǒng)介紹
    *  變電站綜合自動化系統(tǒng)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(tǒng)主要由提供機(jī)車電力驅(qū)動的變電站和車站供電的變電站組成。電力系統(tǒng)的監(jiān)控通過SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，即“數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控”系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。      

城市軌道交通SCADA系統(tǒng)通常包括調(diào)度主站系統(tǒng)，變電站綜合自動化系統(tǒng)和所間通信通道三部分構(gòu)成。其中控制中心調(diào)度主站系統(tǒng)通過通信專業(yè)提供的通信通道與變電所主控單元進(jìn)行信息交換；變電所綜合自動化系統(tǒng)通過所內(nèi)通信網(wǎng)與所內(nèi)IED裝置通信，通過通信通道與調(diào)度主站進(jìn)行通信，變電所綜合自動化系統(tǒng)由站控主單元和所內(nèi)通信網(wǎng)及其他廠家IED裝置組成。

1 調(diào)度主站系統(tǒng)       

城市軌道交通調(diào)度主站系統(tǒng)，是個(gè)十分復(fù)雜的分布式軟件系統(tǒng)。      

除了要求系統(tǒng)能安全、可靠的運(yùn)行外，還需根據(jù)軌道交通建設(shè)的特點(diǎn)，充分考慮其擴(kuò)展性：在系統(tǒng)構(gòu)成上，應(yīng)采用開放式網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)以及成熟的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，確保系統(tǒng)更新（包括軟硬件的升級換代、運(yùn)營模式的調(diào)整以及容量的擴(kuò)充與功能的增加等）時(shí)，盡可能保護(hù)利用原有的硬件資源與軟件成果，不為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制。同時(shí)考慮既有的與再建擴(kuò)建系統(tǒng)的銜接與擴(kuò)充。      

開放的調(diào)度主站系統(tǒng)應(yīng)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(jié)構(gòu)CPU的高端計(jì)算機(jī)，Intel 32位CISC結(jié)構(gòu)奔騰CPU的PC機(jī)（Intel 64位EPIC結(jié)構(gòu)安騰CPU的計(jì)算機(jī)即將進(jìn)入應(yīng)用）。操作系統(tǒng)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(yīng)用）。數(shù)據(jù)庫平臺支持各種主流商用數(shù)據(jù)庫Oracle、Sybase等。       

以下以地鐵六號線為例，對調(diào)度主站系統(tǒng)簡要說明：       

如圖1所示：沿著數(shù)據(jù)流的走向，城市軌道交通調(diào)度主站系統(tǒng)主要由如下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)采集和SCADA服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，操作員工作站，WEB服務(wù)器等，它們通過冗余100M以太網(wǎng)連接。

這里需要做個(gè)簡單說明：一般情況下數(shù)據(jù)庫服務(wù)器單獨(dú)配置機(jī)器，SCADA同數(shù)據(jù)采集可合到一塊，統(tǒng)稱為SCADA服務(wù)器，調(diào)度員界面單獨(dú)配置機(jī)器。   
 
其中：      

數(shù)據(jù)采集和SCADA服務(wù)器利用隔離的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，接收被控站通過通信系統(tǒng)專用透明以太網(wǎng)絡(luò)通道上傳的生數(shù)據(jù)，將其處理成熟數(shù)據(jù)后，從SCADA服務(wù)器后端的雙網(wǎng)提供給全系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)機(jī)使用。 

安裝了商用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的機(jī)器叫做數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，它的功能是負(fù)責(zé)把系統(tǒng)的所有YC、YX、KWH、通道、廠站、接點(diǎn)的參數(shù)存儲到硬盤上，負(fù)責(zé)把所有的歷史數(shù)據(jù)存儲到硬盤上，歷史服務(wù)器一般冗余配置兩臺。為保證雙機(jī)數(shù)據(jù)庫的絕對一致性，可配置共享磁盤陣列。歷史數(shù)據(jù)庫保存報(bào)表、曲線的歷史數(shù)據(jù)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(shù)。      

調(diào)度員工作站（OPU），顧名思義就是供調(diào)度員進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視，瀏覽的工作站，操作員工作站子系統(tǒng)為操作員提供友好的全圖形操作人機(jī)界面。各種典型操作的過程和模式總結(jié)積累行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，符合行業(yè)習(xí)慣。一般調(diào)度員工作站只運(yùn)行圖形界面的程序用以監(jiān)視實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。      

運(yùn)行WEB程序的節(jié)點(diǎn)叫做WEB服務(wù)器。WEB服務(wù)器為實(shí)時(shí)系統(tǒng)之外的人士提供瀏覽實(shí)時(shí)畫面的方便手段。本企業(yè)的人士可以通過企業(yè)網(wǎng)寬帶，使用I.E.瀏覽器方便地瀏覽實(shí)時(shí)畫面。遠(yuǎn)程人士可以通過電話撥號網(wǎng)瀏覽實(shí)時(shí)畫面。

2 變電站綜合自動化系統(tǒng)       

變電所綜合自動化不僅可以完成傳統(tǒng)的RTU功能，還可以實(shí)現(xiàn)變電所各種設(shè)備的監(jiān)控功能：包括各個(gè)設(shè)備的電流、電壓、功率、電度采集和電氣一次設(shè)備的控制、監(jiān)視、聯(lián)動、聯(lián)鎖、閉鎖功能、自動投切等。

變電所綜合自動化系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由站控層（站控主單元），間隔層（每個(gè)電力設(shè)備IED裝置）和所內(nèi)通信網(wǎng)三部分組成。      

站控主單元是整個(gè)變電所綜合自動化系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)從間隔層獲取來自現(xiàn)場不同類型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過所間通道（通信專業(yè)提供）向控制中心調(diào)度主站發(fā)送變電所操作、事故、預(yù)告等信息，接收來自調(diào)度或當(dāng)?shù)鼐S護(hù)計(jì)算機(jī)下發(fā)的控制命令并送達(dá)間隔層執(zhí)行。變電站內(nèi)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，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(jī)保護(hù)裝置為通信從站。在常用的站控層單機(jī)方案中，通信呈現(xiàn)一主多從模式。      

間隔層設(shè)備通常由保護(hù)裝置組成，一般通信接口物理層為RS485，應(yīng)用層多采用各種現(xiàn)場總線規(guī)約，如MODBUS，也有一些通信功能較強(qiáng)的保護(hù)裝置支持標(biāo)準(zhǔn)電力遠(yuǎn)動規(guī)約，如DNP3.0或IEC60870-5-103等。      

所內(nèi)通信網(wǎng)由信號屏側(cè)的交換機(jī)和開關(guān)柜側(cè)的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換設(shè)備組成。目前先進(jìn)的所內(nèi)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(jī)，在所內(nèi)通信的帶寬和抗干擾能力上明顯提高。交換機(jī)具有用于連接不同設(shè)備群的光纖以太網(wǎng)接口，滿足變電所綜合自動化系統(tǒng)控制、測量、保護(hù)的通信技術(shù)要求；在開關(guān)柜側(cè)配置以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換裝置與開關(guān)柜內(nèi)微機(jī)保護(hù)和IED設(shè)備的接口為標(biāo)準(zhǔn)RS485。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換裝置的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)鹘y(tǒng)的多個(gè)裝置串接的共享式總線網(wǎng)，提升為每個(gè)裝置直接上聯(lián)的獨(dú)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(shù)據(jù)更新周期將提高數(shù)倍。      

下表是上海部分運(yùn)營線路的技術(shù)數(shù)據(jù)：

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程，保證系統(tǒng)的可靠性。目前流行的所間通信主干網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)僅提供傳輸介質(zhì)。      

從通信質(zhì)量上來看，方案1或方案2使用通信系統(tǒng)提供的串口時(shí)，可以直接發(fā)現(xiàn)誤碼，比較直觀；在方案3或方案4中，應(yīng)用軟件采用TCP建鏈，保證在以太網(wǎng)通訊中獲得可靠數(shù)據(jù)，通信傳輸系統(tǒng)的通信質(zhì)量問題轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)通訊的穩(wěn)定性問題。這些可以通過以太網(wǎng)測試儀的測試數(shù)據(jù)得知。      

筆者觀察到：在方案3中，當(dāng)通信傳輸設(shè)備通信質(zhì)量較差時(shí)，以太網(wǎng)的連續(xù)ping丟包。丟包嚴(yán)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)。隨著城域以太網(wǎng)設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)簡單，帶寬可擴(kuò)展以及內(nèi)部開銷低等特點(diǎn)進(jìn)入基礎(chǔ)主干網(wǎng)，其高性價(jià)比發(fā)揮了越來越多的優(yōu)勢，使得方案4受到市場的青睞。      

目前在上海軌道交通六號線，八號線均采用了方案4的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為環(huán)網(wǎng)。

結(jié)語      

伴隨著快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，今后可以結(jié)合相互關(guān)聯(lián)的其他輔助監(jiān)控系統(tǒng)，考慮平臺一致性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最優(yōu)化、系統(tǒng)安全性和開放性，制定一個(gè)適合中遠(yuǎn)期的發(fā)展體系結(jié)構(gòu)。