中小运量轨道交通电力监控集成方式探讨

■ 李志辉 李斌

1 概述

早期的轨道交通电力监控系统独立设立，随着自动化技术发展，综合监控与电力监控系统集成度逐渐加深，综合监控系统面对线网规模不断扩大、不同运营体制、不同轨道交通制式的用户需求，面临着人工智能、大数据应用的新技术挑战。如何利用现有轨道交通综合监控规范体系，构建和设计面向未来的综合信息化运营调度平台（见图1），仍然是当前面临的重大课题。尤其是如何与其他机电自动化系统集成问题，关系到运营日常操作的安全、便捷、高效。

因此，总结过往轨道交通建设以及运营中一些实践体会，针对新制式——中小运量轨道交通，重新梳理电力监控系统集成面临的选择十分必要。

图1 综合运营调度指挥平台应用构架

2 电力监控系统及其实时性

城市轨道交通电力监控系统通常包括调度主站系统、变电站综合自动化系统（子站）和底层测控装置3部分。其中控制中心调度主站系统实现中心调度和全部管理功能，包括对所有车站的监视、远动、登录管理、趋势、报表、查询、时钟同步、自检等所有功能；变电所综合自动化系统（子站）根据权限管理具备系统部分功能。独立的轨道交通电力监控系统结构与综合监控系统（ISCS）系统结构类似，但其规模较小，实时数据库通常仅支持到10 000点左右。

《地铁设计规范》（简称《规范》）要求ISCS应当与电力监控（PSCADA）系统集成，集成后的系统功能也应当满足性能要求，特别是系统实时性的要求。PSCADA与ISCS的深度集成很好地解决了遥控命令传送时间不大于3 s的要求。控制命令数据流由中心/车站操作员站→中心/车站服务器→通信控制器（FEP）→底层设备顺序流转，理论计算见表1、图2。

另外，《规范》中还要求遥控命令在ISCS系统中的传输时间应小于2 s，对于与PSCADA系统深度集成的ISCS系统，通过合理配置设备、优化软件完全可以满足该指标要求。

独立设置的PSCADA系统虽然其工作站传输至FEP的过程与ISCS传输到FEP的过程相同，但独立的PSCADA系统规模较小，系统配置（包括服务器内存、CPU性能）较低，软件结构简单，因此造成服务器、FEP对遥控命令的处理时间较长。通过系统配置选择，则可以满足《规范》中要求遥控命令传送时间不大于 3 s。

通过车站ISCS与变电站综合自动化系统（子站）接口，实现ISCS与PSCADA数据互联的系统，ISCS中央级或车站级操作员站监控全线或本站的供电设备，变电站综合自动化系统（子站）管理现场供配电设备。对于这种接口方式，其控制命令需要在2个软件系统中分别执行，即控制命令数据流由中心/车站操作员站→中心/车站服务器→通信控制器（FEP）→变电站综合自动化系统（子站）→底层设备。与深度集成的ISCS系统相比，满足遥控命令传送时间不大于3 s的要求难度很大。此外，《规范》中还规定了控制命令的反馈时间、遥测数据量的采集时间。互联的PSCADA系统同时满足这些条件受FEP的配置条件、接入子站的PSCADA软件设计、底层装置及结构、巡检周期等的影响很大。

3 深度集成的综合监控系统

ISCS分为中央级、车站级和现场级，深度集成的ISCS系统是采用同一软件平台将被集成的子系统完全集成在一起，被集成系统的所有功能在ISCS平台上实现，被集成子系统通过开放的数据接口实现系统间的数据交换。中央和车站监控工作站通过模块化的软件部署及权限管理实现各专业岗位的监控功能隔离和授权操作。简言之，深度集成系统是一个结构、功能和性能的全面集成。

表1 深度集成综合监控系统控制命令时序表ms

图2 深度集成ISCS系统控制命令时序图

深度集成的ISCS系统以被集成子系统的实时数据为基础，可以建立起坚实的数字信息共享平台，所以在进行联动时可靠而迅捷。而且，深度集成的ISCS系统以被标准化的点表数据结构为基础，可以为今后ISCS系统数据的应用奠定基础。同时，此类系统不存在平台对接问题，调试、维护方便，系统扩展性好，从根本上保护了用户的投资利益。

深度集成的ISCS系统结构见图3，具有分层分布式系统结构、物理接口在底层设备、采用同一软件平台、响应实时性高、数据库便于开放的特点。已被大多数城市轨道交通线路采用，如北京、深圳、广州、天津等。除了深度集成的ISCS系统外，中心信息综合型、中心集成型ISCS系统也有采用。

4 系统结构的安全性、可靠性提升

4.1 ISCS软件内部结构

ISCS软件属大型监控软件，监控对象规模大于20万个实时点、5万个报警信号、4万个历史趋势、50台操作员站；性能需达到网络负荷不高于20%，系统响应时间＜1 s；而且需要实现几十种通用功能（如登录、权限管理、报表打印、检索、冗余切换等）。

ISCS软件通过多层次、标准化、结构化设计[1]，实现了大型监控软件的开发和测试，具有较高的可靠性和安全性，软件结构见图4。

4.2 软件系统安全性、可靠性

全面的分层、分块、分功能、性能的测试和验证，降低了对测试平台、测试场景复杂度的要求，使大量测试内容在实验室进行，现场仅对软硬件、控制对象实物以及控制逻辑进行一致性的验证。按照分块测试可以划分为：操作系统层面测试（支持Windows、Unix）、通用平台功能测试（包含商用+共享软件+系统软件包+应用软件包）、数据/脚本测试。通过充分、完整、全面的测试、验证和调试，保证了系统的安全性和可靠性[2]。

另外，ISCS系统与PSCADA系统相比，具有模块化分层、分布式软件架构，以及开放的软件平台，支持符合特定专业需求的应用扩展。另外，ISCS具备用户标识与鉴别、存取控制、视图机制、审计、数据加密等安全控制机制，具有更高的安全性。

北京地铁燕房线TIAS系统、深圳地铁11号线、成都地铁10号线、昆明地铁3号线等ISCS项目的测试、验证和调试实践都表明：

图3 深度集成ISCS系统结构

图4 ISCS软件结构

（1）标准化、规范化测试方法避免了现场修改代码带来的版本管理的混乱和随意，软件的可靠性大大提高。

（2）分层、分块的测试验证方法提高了调试版软件的可用性，使版本控制、配置管理更加可行，提高了软件的安全性。

（3）具备用户标识与鉴别、存取控制、审计、数据加密等综合监控安全控制机制应用更加广泛。

5 深度集成系统结构面临的挑战

虽然深度集成系统在实时性、安全性、可靠性以及经济性上具有很大优势，但在规范中并没有推荐或强制要求采用何种集成方式，各城市轨道交通建设管理模式、招标界面的划分、运营的管理需要又不尽相同，特别是对中小城市的业主，受运营管理体制和投资的条件限制，提出简化车站级PSCADA系统功能或简单互联PSCADA子系统的集成建议，主要理由如下：

（1）供电的调度在中心单独设置岗位及操作界面，电调不查看其他子系统画面，车站不监视电力系统画面。正常情况下，可实现全线供电设备的操作，故障情况或维护维修时，操作人员通过现场子站（控制信号盘）操作设备。因此，位于车控室的车站级PSCADA系统监视画面可用性很小，与ISCS集成显得没有必要。

（2）按照《地铁设计规范》，PSCADA子系统属于供电专业管理[3]，深度集成需要确定详细的接口规格书和点表，对主管工程师的专业能力和协调能力要求高，互联的系统结构更方便设计、招标以及工程实施过程中的管理。

因此，在轨道交通PSCADA系统项目实践过程中，形成了互联的PSCADA系统及深度集成的甚至是分立的PSCADA系统结构的现状。

6 中小运量轨道交通制式下的选择

云轨属于中小运量的交通制式，是对传统跨座式单轨的改进，具有更轻量化的特点，车辆、供电、轨旁设备更加简洁。因此，面对这种新趋势，云轨PSCADA系统的体系结构需要重新思考，与综合监控系统的集成方式也需要重新思考和定位，以满足在确保安全的前提下，方便运营使用和维护。

6.1 监控对象及监控需求的比较

由于云轨属于跨座式单轨制式，采用胶轮列车，不能利用钢轨回流，造成了接触轨牵引供电方式、轨电位限制，以及杂散电流系统防护需求的不同。主要供电设备电调监控需求的差异见表2。

6.2 功能需求比较

地铁与云轨相比，监控对象、整体需求大体一致；云轨的变电所通常采用箱式变电所，无人值守；由于车辆设置了电池、供电网络配置了后备储能电源，使供电系统可以采用单环网结构（更加简洁）。

虽然从总体看云轨供电系统相对比较简单，但是对电力底层控制保护装置以及监控系统的功能需求并没有降低（见表3）。

表2 主要供电设备电调监控需求的差异

表3 电力监控功能需求

6.3 系统主要性能参数需求比较

轨道交通PSCADA系统主要用于实现供电系统的远程操作和维护管理。由于运营环境中的监控对象、功能需求大体一致，因此其主要技术指标要求也基本一致[4]，具体要求见表4。

6.4 运营需求的适用性比较

通过对控制对象、功能需求和性能需求的比较发现，对于远程操作维护的电调值班人员来说，深度集成的系统结构更能满足实际需要，3类不同系统集成方式特点以及关键性能分析比较见表5。

6.5 项目总投资比较

对于目前市场上主流的综合监控和PSCADA系统方案来说，都具备对外开放的数据接口以及平台硬件支撑，是否集成、选用什么集成方案并不影响系统硬件的架构和成本。

表4 电力监控性能需求

综合监控系统是面向数据汇集（data gather）的系统，控制中心获得安全的数据和发出控制命令是在一个实时性和可靠性比控制网络低的通信介质上，因此系统配置了一个功能强大的分布式数据库。由于PSCADA系统数据量并不巨大，因此接入PSCADA系统并不改变数据库的规模。

对于应用开发和人机界面来说，通过深度集成的方式反而降低了项目成本。因为综合监控和PSCADA系统的绝大多数通用功能都一致，采用深度集成方式可以避免一些重复开发。

总之，采用何种集成方式项目总投资基本不变。

6.6 运营维护的比较

轨道交通运营管理体制模式一直是制约综合监控系统应用发展的瓶颈。具体来说，终端应用包括中心调度员、车站操作员、电力设备维护维修人员、机电设备维护维修人员等，不管是将综合监控交给机电、电力、还是专门的综合监控专业运维管理都有缺陷。

但是对于中小运量制式来说，整体的系统规模简化，对于统一管理会比地铁更加容易实行，也因此更加需要深度集成的方式。

表5 系统集成方式比较

7 结束语

虽然中小运量轨道交通的供电系统网络结构比较简单，但规范、用户需求并没有降低监控系统的功能和性能要求。设置ISCS系统的轨道交通工程，PSCADA与综合监控的集成既是必要的也是一种趋势。深度集成的系统结构可以更好地满足实时性要求，并且提高了可靠性、安全性和经济性。

另外，车辆、供电、信号系统的数据互联互通越来越迫切，通过车辆的牵引电流、信号行车模式、供电网络回路、总电流及开关状态的实时数据和历史数据共享，借助大数据分析实现轨道交通综合效益的提高变得越来越有可能，也使深度集成的综合监控系统越来越重要。

因此，深度集成是ISCS系统的必由之路，PSCADA子系统是其重要的拼图之一。对电力调度来说，深度集成提高了系统的实时性、安全性、可靠性，中小运量轨道交通的PSCADA系统应当与综合监控系统深度集成。