城市軌道交通電力監(jiān)控控制中心系統(tǒng)設(shè)計研究

　　摘　要　針對城市軌道交通自動化技術(shù)的快速發(fā)展, 提出了電力監(jiān)控控制中心系統(tǒng)應考慮的設(shè)計與技術(shù)問題, 旨在保證系統(tǒng)健壯性及應用開放性。
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)完成對城市軌道交通全線各種變電所、接觸網(wǎng)設(shè)備運行的遠程實時控制、監(jiān)視及測量,處理供變電系統(tǒng)的各種事故及報警事件,實現(xiàn)供變電系統(tǒng)的運行、維修調(diào)度管理自動化,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)絡拓撲結(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、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)實時控制的核心節(jié)點。控制中心監(jiān)控系統(tǒng)通過通信通道與變電所綜合自動化系統(tǒng)進行信息交換,變電所綜合自動化系統(tǒng)通過所內(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)計的可用性、健壯性、開放性、拓廣性與可維護性極為關(guān)鍵。本文通過一個設(shè)計方案論述了部分設(shè)計思想與技術(shù)要素。
1 　系統(tǒng)設(shè)計準則
(1) 開放性設(shè)計原則
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)計應充分考慮其應用擴展性及與其它系統(tǒng)的互連性。開放性設(shè)計是關(guān)鍵要素,要應用成熟的國際與工業(yè)標準。在系統(tǒng)構(gòu)成上,采用并設(shè)計開放式的系統(tǒng)支撐平臺結(jié)構(gòu)與應用平臺結(jié)構(gòu)。兩平臺應為分離架構(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。按功能進程分劃,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)化的核心在于應用程序、數(shù)據(jù)和處理任務按功能進程在網(wǎng)上分劃,并使故障清晰隔離;并以響應/ 請求的網(wǎng)絡通信模式構(gòu)成分布技術(shù)支持,從而成為規(guī)模優(yōu)化的性價比高的構(gòu)架方案。
(3) 網(wǎng)絡互連原則
以工業(yè)標準為標志,如TCP/ IP 網(wǎng)絡協(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,從而可使各個分布網(wǎng)絡數(shù)據(jù)共享。從總體應用及網(wǎng)絡拓撲意義上講, 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)運行,減少系統(tǒng)集成的復雜性及高成本,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)計的一個軌道交通的電力監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA) 整體網(wǎng)絡拓撲結(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)絡通信通道。控制中心監(jiān)控系統(tǒng)利用兩個標準的獨立網(wǎng)絡端口與各變電所自動化系統(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)應基于系統(tǒng)不同的應用層次綜合考慮不同節(jié)點的配置。如核心與骨干計算機節(jié)點可采用64 位RISC Unix 服務器。其中數(shù)據(jù)庫服務器采用部門級服務器和共享磁盤陣列方案,數(shù)據(jù)庫平臺采用主流的標準關(guān)系型商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),從而提高系統(tǒng)可用性與可靠性指標。
由于以太網(wǎng)使用基于競爭的介質(zhì)訪問機制,應考慮通過網(wǎng)絡分層及分段來分割沖突域。應注意的是,為減少網(wǎng)流負荷、提高網(wǎng)絡性能所建立的網(wǎng)絡互連構(gòu)件應以交換機為主,以區(qū)別采用路由分段2003 年
的不同。局域網(wǎng)(LAN) 交換機可用于對多個同/ 異類LAN 的分段。如同類交換機透明地將一個單一LAN 分成多段,每段代表一個獨立的不連續(xù)單元,成多個相對獨立的客戶/ 服務器族。每一族中客戶與服務器等同地位于同一交換機上,從而平滑網(wǎng)絡結(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/ 服務器模式,將實時數(shù)據(jù)處理工作分配給SCADA 服務器端。而將人機界面部分集中至客戶端,實現(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) 靈活,系統(tǒng)擴充和升級方便;同時,開放式系統(tǒng)設(shè)計可保證系統(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 服務器、冗余數(shù)據(jù)庫服務器、操作員工作站、統(tǒng)計報表工作站、維護工作站、網(wǎng)關(guān)等主要節(jié)點。其中冗余數(shù)據(jù)庫服務器采用共享磁盤陣列實現(xiàn)數(shù)據(jù)高度一致共享,采用RA ID5 邏輯磁盤組實現(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)絡通信協(xié)議為TCP/ IP 。正常情況下,兩個LAN 網(wǎng)同時工作,傳送不同的系統(tǒng)信息。當其中一個網(wǎng)絡發(fā)生異常或故障時,系統(tǒng)自動將全部需傳送的信息切換到另一個網(wǎng)絡上。
SCADA 服務器利用隔離的數(shù)據(jù)采集網(wǎng),接收被控站通過通信系統(tǒng)專用透明以太網(wǎng)絡通道上傳的生數(shù)據(jù),將其處理成熟數(shù)據(jù)后,從網(wǎng)絡服務器后端的雙網(wǎng)提供給全系統(tǒng)其它節(jié)點機使用。
位于停車場的供電復示系統(tǒng),通過通信系統(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。供電復示系統(tǒng)利用網(wǎng)絡服務器作為路由,從采集網(wǎng)經(jīng)由網(wǎng)絡服務器享受后端主網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務。
3 　軟件設(shè)計
控制中心系統(tǒng)軟件設(shè)計應根據(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)合的應用特點來考慮。在此僅列舉某些要素。
基于開放式支撐平臺,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) 。此分層平臺體系設(shè)計旨在保證平臺的中性結(jié)構(gòu),支持應用層面上多樣性的各應用系統(tǒng)。
系統(tǒng)中的所有軟件功能,如應用程序、數(shù)據(jù)處理與通信任務等按功能進程都基于客戶/ 服務器結(jié)構(gòu)在網(wǎng)上相對分劃,分布于整個網(wǎng)絡中。網(wǎng)絡中任何一節(jié)點都可在線同時訪問到系統(tǒng)中的所有功能, 實現(xiàn)完全意義上的功能分布。
跨平臺的電力監(jiān)控自動化一體化解決方案中, 如設(shè)計一個可視化及圖形用戶接口( GU I) 子平臺, 一次性GU I 設(shè)計及繪圖,多平臺(各種Unix 、Win2 dows 、Web 瀏覽器) 調(diào)用,可實現(xiàn)可視化效果的一致性、調(diào)圖實時性及良好的可維護性。

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)庫和實時數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),可同時滿足對數(shù)據(jù)的可靠性管理和電力監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性的要求。商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫具備開放的國際標準數(shù)據(jù)庫語言訪問接口,方便與外系統(tǒng)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享。客戶/ 服務器分布式處理及訪問模式,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)器處理機制,可保證相關(guān)數(shù)據(jù)的一致性、完整性。所設(shè)計的實時數(shù)據(jù)庫與描述參數(shù)庫有完備的映射關(guān)系。更改描述庫內(nèi)容時,自動更新實時庫,保證一致性。應采用“軟總線”應用程序訪問接口,支持各種實時應用。系統(tǒng)應支持不同類型的實時數(shù)據(jù)庫或者同一實時數(shù)據(jù)庫的備份,分布在不同的網(wǎng)絡節(jié)點上。分布式實時數(shù)據(jù)庫應設(shè)定主值數(shù)據(jù)庫(參考庫) 、數(shù)據(jù)庫的備份(用于冗余服務器) 和鏡像(用于客戶端) 。同一數(shù)據(jù)庫的不同鏡像的數(shù)據(jù)要保證一致性。一幅畫面上的動態(tài)數(shù)據(jù)可取自不同數(shù)據(jù)庫節(jié)點。
網(wǎng)絡上任何節(jié)點對服務器的寫訪問,均由分布式數(shù)據(jù)庫透明訪問機制導向主備雙服務器。對服務器的讀訪問,均由分布式數(shù)據(jù)庫透明訪問機制導向主服務器。簡言之,全網(wǎng)均使用主服務器處理的結(jié)果為唯一數(shù)據(jù)源;備份服務器的數(shù)據(jù)庫僅供熱備用,不提供使用。鏡像庫結(jié)點不處理,完全依照主服務器的實時庫進行可靠同步。
提供針對高實時性應用及突發(fā)性數(shù)據(jù)需專門開發(fā)瞬時同步大批量存儲技術(shù),使得本來適用于信息事務處理的商用數(shù)據(jù)庫能夠高速而有效地存取實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
網(wǎng)關(guān)機配有WEB 實時畫面發(fā)布服務,以開放的方式向外系統(tǒng)提供最便利的anytime & any2 where 實時畫面瀏覽訪問及遠程系統(tǒng)維護支持,還可有效地支持大屏幕系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的實時畫面瀏覽訪問。設(shè)計矢量畫面技術(shù),保證WEB 畫面調(diào)用響應與常規(guī)監(jiān)控界面接近。
4 　結(jié)語
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)計與技術(shù),僅為快速發(fā)展的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)以及相關(guān)設(shè)計要素中的幾項。從今后軌道交通企業(yè)網(wǎng)發(fā)展的全局考慮,一個電力監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)包含諸多相互關(guān)連的部門應用及設(shè)計屬性,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)的平臺一致性、網(wǎng)絡架構(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,應制訂一個適合的近、遠期發(fā)展體系結(jié)構(gòu),以保證系統(tǒng)構(gòu)架的現(xiàn)實性、實用性、長遠性、經(jīng)濟性,可拓性以及技術(shù)持續(xù)先進性的有機協(xié)調(diào)發(fā)展。

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