城市軌道交通電力監(jiān)控控制中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

　　摘　要　針對(duì)城市軌道交通自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展, 提出了電力監(jiān)控控制中心系統(tǒng)應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)與技術(shù)問(wèn)題, 旨在保證系統(tǒng)健壯性及應(yīng)用開放性。
關(guān)鍵詞　城市軌道交通,供電系統(tǒng),電力監(jiān)控,控制中心系統(tǒng),監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集
電力監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)城市軌道交通全線各種變電所、接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制、監(jiān)視及測(cè)量,處理供變電系統(tǒng)的各種事故及報(bào)警事件,實(shí)現(xiàn)供變電系統(tǒng)的運(yùn)行、維修調(diào)度管理自動(dòng)化,提高供電質(zhì)量,保證供電系統(tǒng)安全、可靠。
在軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,控制中心監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的核心節(jié)點(diǎn)。控制中心監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)通信通道與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息交換,變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)所內(nèi)通信網(wǎng)與所內(nèi)各智能化電氣裝置( IED) 通信。因此控制中心監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可用性、健壯性、開放性、拓廣性與可維護(hù)性極為關(guān)鍵。本文通過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)方案論述了部分設(shè)計(jì)思想與技術(shù)要素。
1 　系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
(1) 開放性設(shè)計(jì)原則
從今后軌道交通企業(yè)信息網(wǎng)發(fā)展的全局考慮, 控制中心監(jiān)控系統(tǒng)位于承上啟下的中間環(huán)節(jié)。為此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮其應(yīng)用擴(kuò)展性及與其它系統(tǒng)的互連性。開放性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵要素,要應(yīng)用成熟的國(guó)際與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)構(gòu)成上,采用并設(shè)計(jì)開放式的系統(tǒng)支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用平臺(tái)結(jié)構(gòu)。兩平臺(tái)應(yīng)為分離架構(gòu)。
(2) 分布式系統(tǒng)原則
按照不同的功能要求,將不同的應(yīng)用及其數(shù)據(jù)駐留于空間上分布于不同位置的工作站節(jié)點(diǎn)。按功能進(jìn)程分劃,將處理能力分布到所需之處,包括硬件/ 軟件/ 功能/ 處理/ 數(shù)據(jù)的分布等。網(wǎng)上客戶/ 服務(wù)器分布式模式是一種優(yōu)化模式,提供了所必需的靈活性。它不僅僅是客戶/ 服務(wù)器在網(wǎng)上的物理連接與通信,而且其優(yōu)化的核心在于應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)和處理任務(wù)按功能進(jìn)程在網(wǎng)上分劃,并使故障清晰隔離;并以響應(yīng)/ 請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)通信模式構(gòu)成分布技術(shù)支持,從而成為規(guī)模優(yōu)化的性價(jià)比高的構(gòu)架方案。
(3) 網(wǎng)絡(luò)互連原則
以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)志,如TCP/ IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、U2 N IX 等操作系統(tǒng)和迅速發(fā)展的全球Internet 網(wǎng),形成軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)有效集成,從而可使各個(gè)分布網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享。從總體應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟饬x上講, 這些分布系統(tǒng)的綜合將更為有效地保證軌道交通各監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行,減少系統(tǒng)集成的復(fù)雜性及高成本,使數(shù)據(jù)共享的意義大為增值。
2 　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于以上原則所設(shè)計(jì)的一個(gè)軌道交通的電力監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA) 整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。控制中心與被控站之間采用通信系統(tǒng)專用透明以太網(wǎng)絡(luò)通信通道。控制中心監(jiān)控系統(tǒng)利用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)端口與各變電所自動(dòng)化系統(tǒng)之間構(gòu)成共享總線式以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式。
系統(tǒng)集成架構(gòu)應(yīng)基于系統(tǒng)不同的應(yīng)用層次綜合考慮不同節(jié)點(diǎn)的配置。如核心與骨干計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)可采用64 位RISC Unix 服務(wù)器。其中數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用部門級(jí)服務(wù)器和共享磁盤陣列方案,數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)采用主流的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系型商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),從而提高系統(tǒng)可用性與可靠性指標(biāo)。
由于以太網(wǎng)使用基于競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制,應(yīng)考慮通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分層及分段來(lái)分割沖突域。應(yīng)注意的是,為減少網(wǎng)流負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)性能所建立的網(wǎng)絡(luò)互連構(gòu)件應(yīng)以交換機(jī)為主,以區(qū)別采用路由分段2003 年
的不同。局域網(wǎng)(LAN) 交換機(jī)可用于對(duì)多個(gè)同/ 異類LAN 的分段。如同類交換機(jī)透明地將一個(gè)單一LAN 分成多段,每段代表一個(gè)獨(dú)立的不連續(xù)單元,成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的客戶/ 服務(wù)器族。每一族中客戶與服務(wù)器等同地位于同一交換機(jī)上,從而平滑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 　電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)均采用客戶/ 服務(wù)器模式,將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理工作分配給SCADA 服務(wù)器端。而將人機(jī)界面部分集中至客戶端,實(shí)現(xiàn)信息資源的高度共享,提高系統(tǒng)整體性能。此外,這種分布式結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的配置(硬件與任務(wù)) 靈活,系統(tǒng)擴(kuò)充和升級(jí)方便;同時(shí),開放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)可保證系統(tǒng)資源得到充分共享。
控制中心監(jiān)控系統(tǒng)主要包括冗余SCADA 服務(wù)器、冗余數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、操作員工作站、統(tǒng)計(jì)報(bào)表工作站、維護(hù)工作站、網(wǎng)關(guān)等主要節(jié)點(diǎn)。其中冗余數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用共享磁盤陣列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高度一致共享,采用RA ID5 邏輯磁盤組實(shí)現(xiàn)磁盤冗余備份。系統(tǒng)采有冗余100 Mbit 以太網(wǎng)雙網(wǎng)體系結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為TCP/ IP 。正常情況下,兩個(gè)LAN 網(wǎng)同時(shí)工作,傳送不同的系統(tǒng)信息。當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常或故障時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)將全部需傳送的信息切換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。
SCADA 服務(wù)器利用隔離的數(shù)據(jù)采集網(wǎng),接收被控站通過(guò)通信系統(tǒng)專用透明以太網(wǎng)絡(luò)通道上傳的生數(shù)據(jù),將其處理成熟數(shù)據(jù)后,從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器后端的雙網(wǎng)提供給全系統(tǒng)其它節(jié)點(diǎn)機(jī)使用。
位于停車場(chǎng)的供電復(fù)示系統(tǒng),通過(guò)通信系統(tǒng)提供的透明以太網(wǎng)通道與控制中心監(jiān)控系統(tǒng)通信。供電復(fù)示系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器作為路由,從采集網(wǎng)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器享受后端主網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。
3 　軟件設(shè)計(jì)
控制中心系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)城市軌道交通被控單元分布特性,以及集中控制與分布控制相結(jié)合的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)考慮。在此僅列舉某些要素。
基于開放式支撐平臺(tái),并采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的分組分層分塊式,中間層為構(gòu)件塊的軟件體系結(jié)構(gòu)(如圖2 所示) 。此分層平臺(tái)體系設(shè)計(jì)旨在保證平臺(tái)的中性結(jié)構(gòu),支持應(yīng)用層面上多樣性的各應(yīng)用系統(tǒng)。
系統(tǒng)中的所有軟件功能,如應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)處理與通信任務(wù)等按功能進(jìn)程都基于客戶/ 服務(wù)器結(jié)構(gòu)在網(wǎng)上相對(duì)分劃,分布于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)中任何一節(jié)點(diǎn)都可在線同時(shí)訪問(wèn)到系統(tǒng)中的所有功能, 實(shí)現(xiàn)完全意義上的功能分布。
跨平臺(tái)的電力監(jiān)控自動(dòng)化一體化解決方案中, 如設(shè)計(jì)一個(gè)可視化及圖形用戶接口( GU I) 子平臺(tái), 一次性GU I 設(shè)計(jì)及繪圖,多平臺(tái)(各種Unix 、Win2 dows 、Web 瀏覽器) 調(diào)用,可實(shí)現(xiàn)可視化效果的一致性、調(diào)圖實(shí)時(shí)性及良好的可維護(hù)性。

圖2 　控制中心系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)
采用商用數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),可同時(shí)滿足對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性管理和電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)具備開放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言訪問(wèn)接口,方便與外系統(tǒng)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享。客戶/ 服務(wù)器分布式處理及訪問(wèn)模式,數(shù)據(jù)源統(tǒng)一,從根本上保證數(shù)據(jù)的一致性。完善的觸發(fā)器處理機(jī)制,可保證相關(guān)數(shù)據(jù)的一致性、完整性。所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與描述參數(shù)庫(kù)有完備的映射關(guān)系。更改描述庫(kù)內(nèi)容時(shí),自動(dòng)更新實(shí)時(shí)庫(kù),保證一致性。應(yīng)采用“軟總線”應(yīng)用程序訪問(wèn)接口,支持各種實(shí)時(shí)應(yīng)用。系統(tǒng)應(yīng)支持不同類型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)或者同一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份,分布在不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上。分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)設(shè)定主值數(shù)據(jù)庫(kù)(參考庫(kù)) 、數(shù)據(jù)庫(kù)的備份(用于冗余服務(wù)器) 和鏡像(用于客戶端) 。同一數(shù)據(jù)庫(kù)的不同鏡像的數(shù)據(jù)要保證一致性。一幅畫面上的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可取自不同數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)。
網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)對(duì)服務(wù)器的寫訪問(wèn),均由分布式數(shù)據(jù)庫(kù)透明訪問(wèn)機(jī)制導(dǎo)向主備雙服務(wù)器。對(duì)服務(wù)器的讀訪問(wèn),均由分布式數(shù)據(jù)庫(kù)透明訪問(wèn)機(jī)制導(dǎo)向主服務(wù)器。簡(jiǎn)言之,全網(wǎng)均使用主服務(wù)器處理的結(jié)果為唯一數(shù)據(jù)源;備份服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)僅供熱備用,不提供使用。鏡像庫(kù)結(jié)點(diǎn)不處理,完全依照主服務(wù)器的實(shí)時(shí)庫(kù)進(jìn)行可靠同步。
提供針對(duì)高實(shí)時(shí)性應(yīng)用及突發(fā)性數(shù)據(jù)需專門開發(fā)瞬時(shí)同步大批量存儲(chǔ)技術(shù),使得本來(lái)適用于信息事務(wù)處理的商用數(shù)據(jù)庫(kù)能夠高速而有效地存取實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
網(wǎng)關(guān)機(jī)配有WEB 實(shí)時(shí)畫面發(fā)布服務(wù),以開放的方式向外系統(tǒng)提供最便利的anytime & any2 where 實(shí)時(shí)畫面瀏覽訪問(wèn)及遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)支持,還可有效地支持大屏幕系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)畫面瀏覽訪問(wèn)。設(shè)計(jì)矢量畫面技術(shù),保證WEB 畫面調(diào)用響應(yīng)與常規(guī)監(jiān)控界面接近。
4 　結(jié)語(yǔ)
本文涉及的城市軌道交通電力控制中心監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù),僅為快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)以及相關(guān)設(shè)計(jì)要素中的幾項(xiàng)。從今后軌道交通企業(yè)網(wǎng)發(fā)展的全局考慮,一個(gè)電力監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)包含諸多相互關(guān)連的部門應(yīng)用及設(shè)計(jì)屬性,例如電力監(jiān)控系統(tǒng)所處企業(yè)網(wǎng)系統(tǒng)的位置、與環(huán)境及其它輔助監(jiān)控系統(tǒng)的平臺(tái)一致性、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)安全性、數(shù)據(jù)優(yōu)先性、傳輸系統(tǒng)開銷等。重要的是,應(yīng)制訂一個(gè)適合的近、遠(yuǎn)期發(fā)展體系結(jié)構(gòu),以保證系統(tǒng)構(gòu)架的現(xiàn)實(shí)性、實(shí)用性、長(zhǎng)遠(yuǎn)性、經(jīng)濟(jì)性,可拓性以及技術(shù)持續(xù)先進(jìn)性的有機(jī)協(xié)調(diào)發(fā)展。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　王明俊等. 面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的開放式能量管理系統(tǒng). 北京:中國(guó)電力出版社,1997
2 　高鳴燕,陸文. 電力自動(dòng)化與信息化系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)展. 中國(guó)電力,1999 , (32) :11
3 　高鳴燕,陸文. 電網(wǎng)SCADA/ EMS/ DMS 平臺(tái)建設(shè)技術(shù). 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1999 , (23) :14