城市轨道综合控制电力SCADA系统应用研究

2016-01-06孙田星

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2015年4期

关键词：城市轨道

孙田星

(沈阳职业技术学院电气工程学院，辽宁沈阳 110136)

摘要：对城市轨道综合控制电力SCADA系统进行了研究与设计，重点探索了SCADA系统网络的硬件集成思路以及软件开发方案，对系统功能进行了综合论述，为SCADA系统运用于城市轨道交通综合控制提供了参考。

关键词：城市轨道；SCADA；电力控制

收稿日期：2015-07-30

作者简介：孙田星(1959-)，男，辽宁沈阳人，副教授。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.009

中图分类号：U239.5

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)04-0332-06

Abstract：The integrated electrical control SCADA of urban railway was designed and explored in this paper,especially the SCADA network,its' hardware integration and software development programming.On the basis of comprehensive research about the system's function,the application of SCADA in railway transportation integrated control was expounded.

数据采集与监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)是城市轨道交通电力控制系统的重要组成部分。SCADA系统由计算机网络和相关软硬件系统组成，综合控制系统用于实现现场数据采集、控制信息通信传输、电力设备遥测及控制和事故报警等系统功能。系统侧重实现对城市轨道综合电力系统的远程监测与控制。

1SCADA系统原理

电力综合自动化系统集控制、测量和监视等功能于一身，采用面向对象的设计思想，将轨道交通电力设备(包括控制、信号、测量、自动装置、远程通信装置)经过功能重新组合和优化，基于计算机和网络，实现对轨道交通电力主要设备和输配电线路的自动控制、自动监视、软件逻辑联锁、闭锁、电流、电压、功率测量、电度计量以及与综合监控系统通信等综合性的自动化功能。电力综合自动化系统采用分层、分布式结构，设备采用集中与分散相结合的布置方式。整个系统由站级管理层、网络通信层和间隔设备层构成。

1)站级管理层

站级管理层实现本车站变电设备的控制、监视、报警功能，并负责变电所内通信管理、规约转换以及变电所综合自动化系统与综合监控系统之间的数据交换。设置在变电所综控屏内的智能测控单元、监控单元和监控工作站为站级管理层。智能测控单元可通过输入、输出模块与基础设备的二次无源接点连接，采集基础设备的数据或向其发送控制指令。监控单元完成所内通信网络的管理，与各测控保护单元及有关IED(智能电子设备)进行数据通讯，将所辖供电设施的运营信息实时地传送至综合监控系统，同时下达综合监控系统的控制、调整、查询及诊断等命令。

2)间隔设备层

间隔设备层实现对基础设备数据的采集、测量等功能，包括安装在各基础设备内的微机保护装置或智能单元等设备。综合自动化系统的间隔层设备包括：GIS 综合保护测控单元；直流开关柜综合保护测控单元(牵引降压混合变电所内)；开关柜智能信息采集单元；上网/越区电动隔离开关(牵引降压混合变电所)；排流柜(牵引降压混合变电所内)；交直流电源装置监控单元；整流器监控单元/整流变压器温控器(牵引降压混合变电所)；配电变压器温控器；框架保护装置柜综合测控单元(牵引降压混合变电所内)；钢轨电位限制装置等。

2SCADA控制系统的实现

2.1系统结构

系统采用分层分布式结构，由中央控制中心(OCC)、车站级监控系统及现场设备监控单元组成。

控制中心采用冗余交换式以太网络，网络传输速率采用100 M，采用TCP/IP协议、C/S网络结构。中央控制中心配置冗余系统服务器，用于服务整个系统工作，系统配备SCADA操作电力调度总站、维护工作站、历史和系统服务器等。

OCC建立在双冗余交换以太网基础上，配置冗余的高端系统服务器和1台磁盘阵列，完成对数据的实时采集和处理等工作。冗余实时服务器能自动进行切换，采用多用户、多任务的操作系统，每个实时服务器通过以太网接口与中央连接。

OCC的系统服务器为全线信息的中心，负责将整个城轨系统变电站、车辆段的电力信息实时存入系统数据库。系统设置操作员工作站，监管各个电力控制区域功能，实现SCADA组成功能。控制系统的历史服务器完成历史数据处理、存储和查询功能。

系统在OCC中设置维护系统工作站，对整个网络系统计算机进行组态和维护，支持系统扩展维护功能。在城轨中心设置1套复示工作站，对全线供电系统进行远程监视。

在OCC中央控制中心设立电力控制中心(SCADA操作员站)设2个SCADA操作员站，每站功能相同，实现双屏显示。电力控制中心的人机接口软件用于实现SCADA对底层设备直接操作的要求，实现电力中心的遥控、遥信、遥测和压板投退功能等。

2.2系统安全措施

为实现OCC实时性、安全性和可靠性，OCC主站系统采用安全方案如下：

1) 主站系统采用双系统服务器，双网结构。双机热备用，双网热备用，可以保证系统可靠运行。

2)系统采用磁盘阵列存储关键数据。磁盘镜像技术实现数据冗余存储，保证控制信息数据准确率；系统采用双服务器分别独立配置相应磁盘阵列。实现数据库、系统程序在线切换。

3)内部系统网络连接通过在交换器上设置VLAN实现隔离。

4)系统采取措施确保数据存取的安全性。

2.3控制中心系统构成

控制中心系统硬件包括服务器、工作站、交换机、UPS和打印机等设备。其中服务器是整个系统数据处理和任务执行的核心。

1)系统服务器

系统服务器用于SCADA系统的网上节点资源分配、SCADA服务和系统任务管理等。

2)网络管理服务

管理并维护系统网络的全局配置文件，接收来自网内各其它节点的平安信息，在响应复示终端的数据请求时，对大容量的数据要求进行处理，以支持慢速复示通道上的快速实时响应。

3)SCADA服务

遥控处理、遥信处理、遥测处理、模拟量处理、脉冲量处理、服务和系统任务管理等。

4)磁盘阵列

磁盘阵列提供企业级光纤通道 RAID 的存储特性、功能和灵活性。

5)网络设备

控制中心网络采用客户机/服务器方式，用两台双以太网以太网交换机组成局域网。正常时双网同时运行，可实现自动平衡网络负荷，任一网络发生故障时，系统发出报警信息，并自动切换至正常网络保障数据传输准确。

图1　城市轨道综合控制电力SCADA系统

6)调度员工作站

系统配置调度员工作站2套，工作站通过双以太网口分别连接在系统双网络交换机上，通过100 MB以太网适配器与网络相连，每台独立、并行工作。

调度员工作站设计为MMI(Man Machine Interface)人机交互方式，同时具备多级安全操作口令设置功能。各调度员工作站用于对供电设备的监控及实时的数据监视以便对全线供电设施进行全面的监控，能实时监测地铁沿线相关牵引供电及电力供电设施的运行、线路带电状态及有关数据，并完成对所辖的供电系统调度管理。

7)打印机

系统在控制中心大厅配置配置1套彩色激光打印机，用于系统的报表打印和画面打印。

8)复示系统设备

系统在城轨控制中心设置1套复示工作站，对全线供电系统进行远程监视，但是不具有控制权限。工作站设备配置与调度员工作站相同。

3SCADA系统软件构成

城轨电力监控系统控制中心系统软件由三部分组成：

1)系统软件

操作系统，网络底层协议以及X-WINODWS窗口协议等。

2)支持软件

SYBASE商用数据库管理系统等。

3)应用软件

核心监控软件：实时分布式环境；实时/商用一体化数据库；人机界面含报警/曲线/实时报表；数据采集与规约处理软件；在线带电计算与着色；数据库生成维护监视工具；画面编辑组态工具软件；GPS时钟同步软件；UPS接入与在线监视；日常远动运行管理软件；历史数据维护、再使用应用软件；数据转发；综合维修软件；系统维护(包括远程维护)、测试、诊断软件等。

电力调度中心主要有权限管理、工程组态、数据采集(遥测、遥信、电度)、远程控制(包括单控和程控)、数据处理、人机界面显示、大屏数据转发、实时报警管理、运行状态管理、日志查询、曲线浏览、报表管理、历史数据处理、与其他专业的接口等。

4SCADA系统功能设计

1)遥控功能

电力控制中心及变电站对接入设备实现遥控合、分动作。

2)顺控功能

顺控分为单所停送电、区间紧急停电、全线停送电3种。

3)遥信功能

遥信分为位置遥信和保护遥信。

4)遥测功能

完成对电力测量目标的交流电流，零序电压，交流相/线电压，直流电流，零序电流，有功、无功电度，直流电压，功率因数，有功、无功功率，变压器温度，蓄电池电压、等电气量送至调度中心。

5)遥调功能

可以对变电站内保护设备进行定值切换和压板投退。

6)操作员权限

系统按操作员权限实行安全管理，按操作员权限实行身份认证，确定操作者的操作范围。

7)信息的处理与显示

OCC接收各现场站点上位机监控元件信息，通过通信网络进行实时传递，调度指挥中心通过显示装置对大屏实现对电力设备运行状态的监视。

8)系统报警

系统具备声音报警、打印报警、文字报警、灯光报警、推画面报警等几种方式。

9)数据处理

系统将接收到的被控站上位监控传送的信息，通过算术及逻辑处理，将数据结果存储到系统的实时数据库和历史数据库中。

10)SOE事件记录

记录主要断路器和保护信号的状态、动作顺序及动作事件，形成动作顺序表。除显示于系统画面外，并可打印(召唤和自动打印)、存到历史数据库中，帮助调度运行人员判明系统事故起因和断路器跳闸顺序。

11)报表功能

实现日报报表、月报报表、事故跳闸统计、历史曲线查询功能等。

12)信息打印功能

实现所有操作、警报、报表信息打印功能。

13)趋势显示

系统提供全部模拟量由用户自定义趋势显示功能。

14)时间同步

OCC设GPS时钟，校准系统时间，误差小于 1ms。系统通过软对时与各工作站、服务器及站下综合自动化系统进行对时。

15)系统容错能力、自诊断功能

系统服务器互为热备份，各操作员站互为热备份。系统具有远方诊断功能，所有工作站均具有故障自诊断功能。

16)复示功能

实现对全线供电系统进行远程监视，但是不具有控制权限。复示系统通过信号专业提供的通信通道，和机房的服务器连接，进行数据交换。

17)图形编辑

系统实现用户画面，包括图形、图表、报表、曲线等各种图形表示方式。

5系统应用效果

系统部分功能应用于城轨系统中，取得了比较满意的效果：

1)控制中心调度系统的局域网络采用双以太网结构，互为热备用。网络结构采用总线型结构，配置以太网交换机，采用超5类双绞线，实现通信速率1000Mbps。系统网络实现了可扩展性，网络接点的增减，不对网络性能产生任何影响；控制中心调度系统根据各个通信节点站的位置、环境特点和性能要求，采用领先的工业级三层交换机，组成中心调度系统双冗余局域网络，极大地提高了系统的安全性。

2) 控制中心调度系统配置两台系统服务器，主要用于数据的后台处理，收集各个变电所综合自动化系统的实时数据，网上节点资源分配等，同时兼顾运营管理功能，完成调度文档管理，统计表生成制作等。两套服务器，采用冗余结构、互为热备用的工作方式，通过网络适配器与中心局域网络相连，当某台服务器发生故障时，主备机切换保证系统正常运行的时间不大于3 s。

3)复示系统对整个系统的变电所设备、接触网设备运行状况及对整个系统杂散电流实施了监测，保证电维护人员及时了解现场事故情况，提高了系统运行维护工作效率，缩短了检修停电时间。系统实现了控制中心远程通信功能，完成了维修调度作业计划的发送和接收功能，检修工作提供的可靠信息资料。

4) 35 kV、400 V、DC1500 V设备、整流器、变压器、排流柜等设备运行信息的采集分别由分散安装的保护及测控单元、PLC、智能电度表和温控器完成。综合自动化系统通过通讯接口方式实现了智能设备采集数据和设备运行信息的收集和处理。系统同时还要接入了直流屏设备，实现了对运行状况和运行参数的监控。系统实现对接触轨隔离开关、跟随所负荷开关和制动能量吸收设备的信号的采集由控制信号盘中的通用测控装置的采集。

5)SCADA系统软件具有良好的软件成熟度、应用成熟度以及支持二次开发的成熟度。综合监控系统的系统软件采用成熟的产品，可按用户需求进行二次开发的软件。系统软件基于开放系统软件结构和实时数据技术。上位机软件和数据库软件由一系列的基于服务器和基于工作站的软件模块组成，提供一种基于通用中间件的、标准的、先进的、客户/服务器(C/S)结构。

6)系统软件总体结构设计具有下列特点：

①高可靠性。单个模块的故障不引起数据的丢失和系统的瘫痪。

②采用通用的硬件和标准化的软件。

③高性能和可测量性。

④开放式系统。

⑤实现系统跨平台的无缝连接。

⑥易于扩展。

⑦被集成子系统作为ISCS 系统的子系统，其功能实现采用ISCS 系统同一软件平台，避免多个软件系统对接。

参考文献

[1]王华忠.监控与数据采集(SCADA)系统及其应用[M].北京：电子工业出版社,2010.

[2]梁梅.刘永强.袁明军.具有开放性的电能质量SCADA系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制,2010(11)：929-931.

[3]赵耀英.基于可靠性分析的城市轨道交通供电SCADA系统的设计与实现[D].上海：上海交通大学,2009.