地铁变电所综合自动化系统冗余机制研究

陈洪茹 傅 强

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司 100037 北京;2.国电南瑞科技股份有限公司 210062 南京)

地铁供电系统是城市轨道交通网络的生命线，轨道交通的安全平稳运行离不开供电系统;供电系统担负着地铁运行所需一切电能的供应与传输，是地铁安全可靠运行的重要保证。变电所综合自动化系统PSCADA(power supervisory control and data acquisition system)作为城市轨道交通监控系统中的一个重要组成部分，直接服务于轨道交通供电系统，其可靠性直接关系到列车的安全、稳定运行。为了增强系统的可靠性，PSCADA系统通常会采用冗余设计，尤其是核心设备(如前端处理器)。目前，虽然在国内很多工程项目中采用了硬件设备的冗余设置，但由于应用软件功能设计不够全面，未能完全发挥冗余设备的功能，或是冗余工作状态不透明，给系统运行和维护带来不便。下面重点分析PSCADA系统冗余机制的具体实现、存在的问题及优化方案。

1 PSCADA系统结构及冗余方案

1.1 PSCADA 系统结构

____目前，国内城市轨道交通PSCADA系统大多采用分层分布式结构，系统分散布置、集中管理。系统结构分为3层:站级管理层、网络通信层、间隔设备层。站级管理层设备包括前端处理器(front end processor)、一体化监控计算机，网络通信层设备包括交换机、光纤接口设备、通信线缆(光纤、双绞线等)，间隔设备层是分散安装于供电设备就地的微机保护测控、信息采集等装置，图1给出了典型变电所自动化系统的结构。可以看出，为了提高系统可靠性，作为自动化系统核心的前端处理器(FEP)和以太网交换机均采用了冗余配置。下面对FEP与间隔层保护测控设备等智能电子设备IED(integrated electronics drive)间的通信功能及冗余切换机制进行分析。

图1 典型变电所综合自动化系统的结构

1.2 间隔层设备冗余分析

1.2.1 以太网接口的间隔层设备

目前在地铁供电系统中，交流35 kV/10 kV保护测控、直流1500 V/750 V保护测控与自动化系统的数据交换大多可以支持单网双链路方式，即保护测控设备的以太网接口与自动化系统的一台交换机相连，两台冗余的FEP可以同时与保护测控设备建立通信链路交换数据。因此，二者之间既可以通过FEP主备机冗余切换实现冷备方式，也可以是两台FEP同时与之通信的双主机热备方式。显然，在间隔层保护测控设备支持两条以上链路并存的前提下，双FEP热备方式无疑是更好的通信模式。在此模式下，两台FEP之间可以省去冗余状态的交互，通信模式简单可靠，更为重要的是可以省去大量双机间的实时数据同步工作。

1.2.2 串行接口及现场总线间隔层设备

在地铁变电所综合自动化系统中，有部分间隔层设备(主要有交直流电源、整流器、变压器等)的通信接口采用串行接口或现场总线，其中应用较多的是采用RS485/422接口，通信协议包括IEC60870－5－103或Modbus－RTU等。对此类设备，任意时刻通信总线上只有一个主机(master)存在，其余设备均为从机(slave)，因此自动化系统的两台FEP 一般采用主-备冗余的方式来实现通信功能，即在任何时刻，FEP双机中只有一台处于激活的工作状态(主机)，另一台则处于待激活的工作状态(备机)。FEP主机采集间隔层设备的数据信息，并通过FEP主备机间的数据交互进行数据同步及冗余切换。

1.3 冗余机制

变电所综合自动化系统FEP冗余机制按数据采集和存储的不同，可分为数据集中式冗余(以FEP整机为切换单位)和数据分布式冗余(以FEP中某一端口为切换单位)。

1.3.1 集中式冗余

集中式冗余是长期以来综合自动化系统应用较多的冗余方式，实现机制简单，双机之间只需交互冗余状态信息来实现主、备机切换，而不需实现双机间实时数据的同步功能(见图2)。但在此种方式下，一旦某一间隔层设备通信故障，将导致主备FEP切换，切换过程将产生短时的数据丢失;如果主备FEP接入设备均有不同种类的设备通信故障，则系统将缺失部分设备的监控数据。在此种方式下，系统的稳定性受间隔层设备的影响较大，给系统稳定运行造成不必要的波动。

图2 典型ISCS与牵引供电系统变电站综合自动化系统网络结构

1.3.2 分布式冗余

顾名思义，分布式冗余就是FEP与间隔层的通信接口及数据存储可以分布在两台FEP上。从间隔层看，两台FEP是完全平等的，没有主备机之分，只存在逻辑上的通信接口软件模块的主备之分。显然，在此种方式下，系统中的冗余状态信息由集中式冗余时的一个状态细分为每一个通信接口均有独立的冗余状态信息。因此，分布式冗余的特性决定了它较之集中式冗余具有更高的可靠性，即使发生交叉故障也不会导致数据丢失。同时，单个端口或设备的故障引起的主备切换只限于单个端口和通信软件模块本身，对FEP上其他接口和功能无任何影响，这无疑是保证系统连续稳定运行所需要的重要特性。当然，分布式冗余方式的软件实现(如冗余状态信息交互、实时数据及控制命令同步等)具有较高的复杂度和实现成本。

2 冗余机制改进

从上述两种冗余机制的分析和比较可以看出，针对地铁PSCADA系统间隔层以太网及串行接口设备的特点，采用分布式冗余方式是具有更高可靠性的选择。但是在实际应用中，如何更好地发挥设备的功能，实时地反映冗余设备或端口的工作状态，使故障能在第一时间反映给系统维护人员并得到及时解决，是确保系统中冗余设备发挥作用、提升系统可靠性所必须解决的问题。

2.1 存在的问题

1)在本文2.2.1中提到，很多间隔层设备可以提供以太网接口，并支持多链路的工作方式。PSCADA的两台FEP可以采用主备机工作方式与间隔层设备建立通信链路，也可以采用两台FEP双主机的工作方式与间隔层设备建立通信链路。无论采用哪种工作方式，在PSCADA系统数据库中，对于某一特定的间隔层设备，均会用一个数据点来表示其与PSCADA之间的通信工况。但是，对于FEP双主机工作方式，显然用一个数据点来表示的通信工况难以反映两台FEP与间隔层设备的真实通信状态。例如，当两台FEP中的某接口任务至少在其中一台处于正常工作状态时，系统中该接口的各项功能仍为正常，此时如果另一台FEP同一接口任务的软件或硬件出现故障，则系统均无法给出告警信息，原冗余系统实际已降级为单机运行，大大降低了系统可靠性。

2)对本文2.2.2中分析的串行接口设备，由于物理层并发访问的限制，两台FEP在分布式冗余机制下，其中一台FEP的接口任务处于值班(on duty)状态，另一台为备用(standby)状态。对于处于值班的接口任务，可以通过间隔层设备的通信工况来了解其工作状态;但对于处于备用的接口任务，PSCADA系统通常没有进行监视和检查，因而也就无从判断备用接口的软硬件是否能正常工作，造成系统维护人员监视上的盲点。同时，在分布式冗余机制下，如果未将各接口任务的实际主备状态信息实时传送给相关的维护系统，维护人员也很难开展有效的预防和维护工作。目前，通常的做法是:每隔一段时间，运行维护人员通过人为切换的方式启用处于备用的FEP或接口任务，以检查和确认设备的完好性。显然，这种做法不利于及时发现和消除故障隐患，不利于系统维护及稳定运行。

2.2 优化和改进的方法

无论是双主机模式下故障主机(或接口任务)状态不能及时发现，还是主备冗余模式下备用接口的工作状态无从判断，归纳起来就是系统自身的运行状态信息不够完整，系统缺乏对自身冗余设备的实时监视和自诊断。因此，笔者提出对运行状态信息进行完善以及对备用接口进行监视和诊断的优化改进的方法。

2.2.1 运行状态信息完善

1)对采用双主机方式的接口模块，PSCADA系统为每个间隔层设备分配两个独立的数据位，分别表示两台FEP各自与间隔层设备的通信工况。两台FEP以双主机方式，将本机通信间隔层设备的工况相互发送给对方，这样综合监控系统(ISCS)可以从任一台FEP上得到间隔层设备与两台FEP的通信情况。同时，在正常双主机的工作情况下，两台FEP间不进行相关实时数据的同步。但是，当出现图3所示的情况时，在FEP(A)机监视到FEP(B)机与间隔层通信故障后，FEP(A)可将本机实时数据中的相关部分同步到FEP(B)，这样对于ISCS来说FEP的冗余功能仍然完好，无论从哪台FEP均可以获取完整的间隔层实时数据。

图3 FEP双主机工作方式

2)对采用主备方式的接口模块，系统除原有间隔层的通信工况外，为每个串行接口任务增加了两位数据位，用来表示该任务在某个FEP值班或处于备用时相应的接口是否正常，具体含义如表1所示。

表1 串行接口主备工作状态定义

通过对PSCADA系统中各接口任务运行状态信息的增加和补充，使运行维护人员掌握的设备及接口状态信息、系统自诊断类信息更加明确和完整，这样就可以确保系统中存在的故障能在第一时间被发现并处理，增强了系统的可靠性和稳定性。同时，丰富而完整的运行状态信息可以使ISCS拥有更多的冗余优先级判断条件，有助于进一步提高ISCS整体的可靠性。

2.2.2 备用接口监视和诊断

在一般的FEP冗余交互中，通常两台FEP会周期性地互发设备运行状态信息，包括“心跳”、“接口设备状态信息”等，用于值班与备用FEP间的命令传递和切换判断。这种交互往往通过专用端口及软件来进行，无法实现对备用串行接口的监视。因此，只有通过其接口物理层与备用接口进行数据交换，才可能获得其接口软硬件的实际运行状态。目前，PSCADA系统与间隔层IED串口通信大多采用RS485(支持多点双向通信)，因此可以对该接口处于值班和备用的接口任务在物理上连接于同一串口总线，共同完成对同一串口总线上IED的监控任务。如图4所示，在原有设备的基础上，无需增加额外硬件，只需在FEP的相关接口任务软件中增加值班任务与备用任务间的周期性状态查询和响应，其数据流如图5所示。

图4 FEP串口任务备用接口监视及诊断

图5 FEP串口主备任务数据流

当传统方式FEP的串口任务处于值班时，只对间隔层IED进行查询和控制，而备用任务一般处于总线监听和空闲状态。在本优化方法中，值班任务将备用任务作为一个特殊的从机(slave)进行周期性的状态查询，备用任务则及时响应来自主机(master)的查询命令，这样值班任务就可以及时更新本接口的运行状态信息，方便系统维护人员在第一时间诊断出系统中存在的故障和隐患，提升系统的可靠性。

3 结语

目前，FEP的冗余配置已在国内地铁PSCADA系统中广泛应用，但是系统冗余功能的实现和可靠性的提升不仅依赖于硬件的冗余，更重要的是对冗余机制的完善和挖掘。笔者结合PSCADA系统的典型结构和冗余特性，分析了不同冗余方案的功能与特点，提出了存在的问题，并给出了优化和改进的方法。在北京地铁9号线PSCADA系统的冗余设计中，参考了本研究所提出的优化方法，对运行状态信息和备用接口监视功能进行了增加和完善，取得了初步的成果。

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