新一代地铁变电所PSCADA系统组网方案探讨

徐钦炜 赖沛鑫 陆学文 廖权保 余龙

摘  要：通过挖掘现有地铁变电所综合自动化系统（PSCADA）系统组网方案存在的通信规约不统一、系统不开放、运维效率低等问题，结合电力系统自动化领域唯一的全球通用IEC 61850标准进行新一代PSCADA系统组网方案探讨。分别从网络结构框架、通信规约统一化、通信速率、故障弱化、运行维护等方面去对比新旧PSCADA系统组网方案的优劣，希望探讨出的新一代地铁变电所PSCADA系统组网方案能够更加可靠、高效、经济、智能。

关键词：地铁变电所;PSCADA;组网方案;IEC 61850

中图分类号：TN915.852;TP277       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）07-0056-03

Abstract：By digging out the problems of inconsistent communication protocol，the system not open and low operation and maintenance efficiency existing in the existing PSCADA system networking scheme for Metro substations，the new generation PSCADA system networking scheme is discussed in combination with the only universal IEC61850 standard in the field of power system automation. The advantages and disadvantages of the new and old PSCADA system networking schemes are compared from the aspects of network structure framework，unification of communication protocols，communication rate，fault weakening，operation and maintenance. It is hoped that the new generation of PSCADA system networking schemes for metro substations can be more reliable，efficient，economical and intelligent.

Keywords：subway substation;PSCADA;networking scheme;IEC61850

0  引  言

近二十年來，计算机、网络通信、传感器（物联网）技术取得了突飞猛进的发展，技术的进步促进了很多行的产业结构的更新换代。而随着城市化进程的发展，地铁在城市轨道交通中扮演的角色也越来越重要，它的安全、稳定、经济的运行，直接关系到人民的生命财产安全。但是，由于地铁线路的增加、延长，运维成本的上升，原来的地铁变电所PSCADA越来越不能满足地铁供电的新需求，急需进行技术创新，探索出更可靠、更高效、更经济、更智能的PSCADA系统。

1  地铁变电所PSCADA系统概述

地铁变电所综合自动化系统（PSCADA），主要是对地铁车站、停车场、车辆段、主变电站和变电所35kV中压交流系统、1500V（750V）直流供电系统、0.4kV交流系统、接触网系统进行监控[1]。它的主要功能有：数据采集和处理;遥测、遥信、遥控、遥调;界面显示;事故和预告告警;故障录波和事故追忆等，达到实施监视控制，保证供电稳定的目的。随着信息技术的发展，PSCADA系统的技术方案在不断地寻求进步和完善，良好的组网方式及设备选型对PSCADA系统的安全可靠提高十分关键。

2  现有地铁变电所PSCADA系统组网方案

地铁变电所综合自动化系统目前采用总控式的网络结构，其网络结构图如图1所示。

整个组网方案可以分成三部分组成：（1）35kV交流室的继电保护测控装置与所内的公用测控装置直接通过网口（103规约）接入到网口交换机;（2）1500V直流室继电保护测控装置与负极柜通过串口汇集到一个串口服务器，转换成网口通信后接入到网口交换机;（3）其余分散的串口通信装置（如：温控器、交直流屏装置、0.4kV开关柜、轨电位、电度表）则直接接入到通信管理装置进行规约转换。

从数据流向来看，整个PSCADA系统的中心是“通信管理装置”。一方面，它向下通过交换机和串口通信端子采集变电所内数据;另一方面，它向上接入车站级综合监控系统局域网与中央级OCC系统通信，负责数据的上传与下达[2]。此外，它还负责所内PSCADA系统的人机界面数据处理。所有的数据处理都由“通信管理装置”进行采集、规约转换、上传下达，这样的网络结构不满足设计的故障弱化原则。当它出现问题时，不管是所内PSCADA监控还是OCC监控都将失效，整个地铁变电所将处于无监控状态，操作只能在开关柜上就地进行，增加了运行风险。

另外，现有的“通信管理装置”不但有RTU功能，还集成了规约转换的功能，这使得网络变得更加复杂，现场施工布线难度大。而且将远传、当地监控、规约转换集中到一台装置上来实现，导致现场任何一个与之相关的改动，都会对“通信管理装置”进行操作。这对日常的运行维护或者后期改造升级工作来说，都将扩大工作影响范围，也让变电所在进行“通信管理装置”维护工作时处于了无监控状态。

从通信介质来看，现有的网络结构，除了35kV交流室的继电保护测控装置采用网络103规约通信外，其余装置的还是采用90年代的串口通信。整个网络数据存在传输速率慢，上传数据不完全等问题。这也导致现有的PSCADA系统无法进行一些面向运维的高级功能扩展，无法降低地铁变电所的运维成本。同时，整个系统也存在着多个通信规约，无法简单便捷地与其他系统进行数据交换，造成信息孤岛。所有的数据需要经过“通信管理装置”进行规约转换，这就导致了现有地铁变电所PSCADA系统的开放性较差，在后期改造、扩展上难度很大。

3  新一代地铁变电所PSCADA系统组网方案

从目前地铁工程建设实施的经验以及国内外变电所设备运行维护的经验来看，新一代地铁变电所综合自动化系统的关键在于实现通信接口标准化、提高设备间的互操作性、研发面对运维的高级应用功能这三方面进行[3]。最终，构建出一个开放、安全、稳定、高效、经济、智能的新一代地铁变电所综合自动化系统。

IEC 61850规约于2003年由国际电工委员会发布，已成为国际先进标准。它通过对变电所自动化系统中的对象进行统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口（ACSI），并支持TCP/IP协议，是一个开放的，代表了未来变电所综合自动化技术发展方向的通信协议，IEC 61850标准强调了变电站自动化系统中信息的数字化，包括在站控层和间隔层实现基于高速以太网的实施通信，也包括在过程层实现基于网络的通信。这种基于以太网的通信架构的采用，统一了通信系统的物理介质，减少了因为不同的物理介质而导致的互联问题，同时在过程层中采用以太网进行二次电气量的数字化传输，将大大减少变电站的接线工作，方便工程设计和维护[4]。

同时，国内电网行业于2004年将IEC 61850标准作为电力行业标准并开始在智能变电站中运用，该标准对电网智能化变电站技术进行了规范和统一，新建和改造了大量的新一代变电所，为地铁变电所综合自动化的发展积累了大量的经验。基于IEC 61850规约，考虑现有的PSCADA系统网络结构存在的问题以及地铁变电所运行维护的需要，构建新一代地铁变电所PSCADA系统组网方案，结构如图2所示。

变电所内装置采用IEC 61850规约（非IEC 61850规约装置将由“规约转换装置”转换成IEC 61850规约装置），通过网线直接接入系统，站控层通信规约统一为IEC 61850。数据汇集到开放的网口交换机，各个客户端软件可以直接通过网线接入到交换机与所内二次装置通信，获取数据，无需通过规约转换。由于所内监控后台与“RTU远动装置”都可以直接通过交换机获取数据，实现了所内PSCADA系统与OCC监控系统的解耦。这种通信方式取消了通信管理机这个中间环节，数据采集更直接，实时性更好。同时，因为采用IEC 61850规约通信，二次保护装置需要建模，通信获得的数据更全面，故障定位模块化，同时也会对数据的有效性进行判断，减少误报情况。站内数据的采集还可以扩展到对过程层网络（网络化保护）的通信状态GOOSE信息（保护闭锁、跳闸、通信状态等），可以对保护之间的配合回路与动作过程进行监视，避免因电缆虚接、断裂、绝缘降低等原因出现拒跳、误跳情况。

基于IEC 61850规约的PSCADA系统，不但在数据采集、网络简化、功能应用上具有优势，而且对于工程建设、调试、改造、扩建更加方便快捷。通过配置系统描述文件SCD，可以做到自动生成数据库，保证装置、后台、远动等系统的信号保持一致，缩短现场调试工作量。

4  结  论

基于IEC 61850规约的新一代地铁变电所PSCADA系统组网方案，它能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了PSCADA系统使用期间的灵活性。它解决了变电所综合自动化系统产品的互操作性和协议转换问题，还使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用的特性，极大地方便了系统的集成，降低了变電站综合自动化系统的工程费用，可以在地铁行业进行工程尝试推广。

参考文献：

[1] 王惠.浅谈地铁电力监控系统 [J].工业控制计算机，2013，26（10）：35-36.

[2] 靳东.铁路供电PSCADA系统数据流分析及方案设计 [D].成都：西南交通大学，2015.

[3] 王文怡.基于IEC 61850标准的地铁变电所综合自动化设计方案探讨 [J].城市轨道交通研究，2013，16（4）：54-57+91.

[4] 刘卫东，林彦凯.IEC 61850标准在地铁变电站自动化系统的应用 [J].电气化铁道，2008（1）：37-39.

作者简介：徐钦炜（1988-），男，汉族，江西赣州人，工程师，本科，主要研究方向：城市轨道交通供电系统;赖沛鑫（1988-），男，汉族，广东揭阳人，工程师，本科，主要研究方向：轨道交通智能变电站运维系统应用;陆学文（1988-），男，布依族，贵州都匀人，工程师，本科，主要研究方向：城市轨道交通供电管理技术;廖权保（1990-），男，汉族，广东梅州人，工程师，本科，主要研究方向：轨道交通智能变电站数字化电流保护应用;余龙（1981-），男，汉族，四川眉山人，高级工程师，硕士，主要研究方向：城市轨道交通供电系统。