城市轨道交通电力监控SCADA系统总结

中心议题：
    *  城市轨道交通调度主站系统介绍
    *  变电站综合自动化系统概述
    *  所间通信通道分析
解决方案：
    *  所间通信通道采用冗余方案

前言       

城市轨道交通的电力系统主要由提供机车电力驱动的变电站和车站供电的变电站组成。电力系统的监控通过SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统，即“数据采集和监控”系统来实现。      

城市轨道交通SCADA系统通常包括调度主站系统，变电站综合自动化系统和所间通信通道三部分构成。其中控制中心调度主站系统通过通信专业提供的通信通道与变电所主控单元进行信息交换；变电所综合自动化系统通过所内通信网与所内IED装置通信，通过通信通道与调度主站进行通信，变电所综合自动化系统由站控主单元和所内通信网及其他厂家IED装置组成。

1 调度主站系统       

城市轨道交通调度主站系统，是个十分复杂的分布式软件系统。      

除了要求系统能安全、可靠的运行外，还需根据轨道交通建设的特点，充分考虑其扩展性：在系统构成上，应采用开放式网络体系架构以及成熟的国际标准规约，确保系统更新（包括软硬件的升级换代、运营模式的调整以及容量的扩充与功能的增加等）时，尽可能保护利用原有的硬件资源与软件成果，不为系统结构限制。同时考虑既有的与再建扩建系统的衔接与扩充。      

开放的调度主站系统应能够支持各种硬、软件平台。例如：硬件平台支持各种64位RISC结构CPU的高端计算机，Intel 32位CISC结构奔腾CPU的PC机（Intel 64位EPIC结构安腾CPU的计算机即将进入应用）。操作系统平台支持各种64位Unix和32位Windows（支持EPIC的64位Unix和Windows即将进入应用）。数据库平台支持各种主流商用数据库Oracle、Sybase等。       

以下以地铁六号线为例，对调度主站系统简要说明：       

如图1所示：沿着数据流的走向，城市轨道交通调度主站系统主要由如下几个子系统组成：数据采集和SCADA服务器，数据库服务器，操作员工作站，WEB服务器等，它们通过冗余100M以太网连接。

这里需要做个简单说明：一般情况下数据库服务器单独配置机器，SCADA同数据采集可合到一块，统称为SCADA服务器，调度员界面单独配置机器。   
 
其中：      

数据采集和SCADA服务器利用隔离的数据采集网，接收被控站通过通信系统专用透明以太网络通道上传的生数据，将其处理成熟数据后，从SCADA服务器后端的双网提供给全系统其他节点机使用。 

安装了商用数据库服务器的机器叫做数据库服务器，它的功能是负责把系统的所有YC、YX、KWH、通道、厂站、接点的参数存储到硬盘上，负责把所有的历史数据存储到硬盘上，历史服务器一般冗余配置两台。为保证双机数据库的绝对一致性，可配置共享磁盘阵列。历史数据库保存报表、曲线的历史数据和事件、操作的历史记录。有时还保存实时处理的描述参数。      

调度员工作站（OPU），顾名思义就是供调度员进行数据监视，浏览的工作站，操作员工作站子系统为操作员提供友好的全图形操作人机界面。各种典型操作的过程和模式总结积累行业经验，符合行业习惯。一般调度员工作站只运行图形界面的程序用以监视实时数据。      

运行WEB程序的节点叫做WEB服务器。WEB服务器为实时系统之外的人士提供浏览实时画面的方便手段。本企业的人士可以通过企业网宽带，使用I.E.浏览器方便地浏览实时画面。远程人士可以通过电话拨号网浏览实时画面。

2 变电站综合自动化系统       

变电所综合自动化不仅可以完成传统的RTU功能，还可以实现变电所各种设备的监控功能：包括各个设备的电流、电压、功率、电度采集和电气一次设备的控制、监视、联动、联锁、闭锁功能、自动投切等。

变电所综合自动化系统的系统结构由站控层（站控主单元），间隔层（每个电力设备IED装置）和所内通信网三部分组成。      

站控主单元是整个变电所综合自动化系统的核心，它负责从间隔层获取来自现场不同类型的实时数据，并通过所间通道（通信专业提供）向控制中心调度主站发送变电所操作、事故、预告等信息，接收来自调度或当地维护计算机下发的控制命令并送达间隔层执行。变电站内先进的网络架构，使得通信技术扮演起重要角色。在通信中，站控主单元为通信主站，微机保护装置为通信从站。在常用的站控层单机方案中，通信呈现一主多从模式。      

间隔层设备通常由保护装置组成，一般通信接口物理层为RS485，应用层多采用各种现场总线规约，如MODBUS，也有一些通信功能较强的保护装置支持标准电力远动规约，如DNP3.0或IEC60870-5-103等。      

所内通信网由信号屏侧的交换机和开关柜侧的以太网转换设备组成。目前先进的所内通信网通常采用光纤以太交换网，配置一台模块式纯光纤100M以太网交换机，在所内通信的带宽和抗干扰能力上明显提高。交换机具有用于连接不同设备群的光纤以太网接口，满足变电所综合自动化系统控制、测量、保护的通信技术要求；在开关柜侧配置以太网转换装置。转换装置与开关柜内微机保护和IED设备的接口为标准RS485。以太网转换装置的网络拓扑优化设计，能够将传统的多个装置串接的共享式总线网，提升为每个装置直接上联的独享式辐射网。高实时性并行联网方案中任何装置的实时数据更新周期将提高数倍。      

下表是上海部分运营线路的技术数据：

3 所间通信通道      

所间通信通道采用冗余方案，通信软件采用冗余线程，保证系统的可靠性。目前流行的所间通信主干网结构如图2所示：     

目前上海轨道交通已实施方案中的所间骨干网的性能比较如下：       

从上表中可以看出：方案1或方案2使用通信系统提供的串口，方案3采用的是IP over SDH，方案4是真正的城域以太网技术，通信系统仅提供传输介质。      

从通信质量上来看，方案1或方案2使用通信系统提供的串口时，可以直接发现误码，比较直观；在方案3或方案4中，应用软件采用TCP建链，保证在以太网通讯中获得可靠数据，通信传输系统的通信质量问题转化为以太网通讯的稳定性问题。这些可以通过以太网测试仪的测试数据得知。      

笔者观察到：在方案3中，当通信传输设备通信质量较差时，以太网的连续ping丢包。丢包严重程度甚至从1/10到1/2不等，甚至有时在2-3天期间，某个网一直处于不可用状态。随着城域以太网设备，标准，协议各方面技术的成熟，城域以太网技术正以其布设简单，带宽可扩展以及内部开销低等特点进入基础主干网，其高性价比发挥了越来越多的优势，使得方案4受到市场的青睐。      

目前在上海轨道交通六号线，八号线均采用了方案4的技术，网络拓扑结构为环网。

结语      

伴随着快速发展的计算机技术和工业以太网络通信技术，今后可以结合相互关联的其他辅助监控系统，考虑平台一致性、网络架构最优化、系统安全性和开放性，制定一个适合中远期的发展体系结构。