張文澗（1967-）

    男，碩士研究生，研究方向為地鐵綜合監控系統。


    摘要：信息技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著(zhù)地鐵綜合監控系統(ISCS)的不斷改進(jìn)，PSCADA(電力監控)系統作為承擔地鐵供電系統監控任務(wù)的一個(gè)綜合監控子系統，對它的安全可靠性要求與對電力系統保障供電的要求相近。PSCADA系統必須連續穩定運行這一特點(diǎn)，要求我們在優(yōu)化其技術(shù)方案過(guò)程中，遵循行業(yè)特點(diǎn)，從實(shí)際需求出發(fā)循序漸進(jìn)地穩步推進(jìn)。本文對三種有代表性PSCADA技術(shù)方案進(jìn)行比較分析，闡述了在選擇PSCADA系統方案時(shí)應注意的問(wèn)題。文章素材來(lái)源于工程實(shí)施中遇到的問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：PSCADA；組網(wǎng)方案；冗余；可靠性

    Abstract: The development of information technology promotes the improvement of Integrated Supervisory Control System of (ISCS) in the Metro system. As a subsystem of ISCS, PSCADA undertakes the task of Monitoring the power supply system.  The requirements of  safety and reliability for PSCADA system  are  similar to the requirements for the power supply system . Based on the continuous and stable running feature of PSCADA system, we should follow the profession characteristic and the practical demand to optimize the technology schemes progressively . This paper analyzes three different kinds of typical PSCADA technology solutions, and describes what we should pay attention at selection of technology solution for PSCADA system . The materials in the paper mainly come from engineering implementation.

    Key words: PSCADA; networking solution; redundancy; reliability

    在城市軌道交通綜合監控系統中，電力監控系統作為其一個(gè)深度集成的子系統已在業(yè)內廣泛應用。電力監控系統的中央級（主控級）通常布置于控制指揮中心，車(chē)站變電所所內電力監控系統（以下統稱(chēng)PSCADA系統）在車(chē)站就地組建。PSCADA系統向上接入車(chē)站級綜合監控系統局域網(wǎng)，向下與變電所內綜合自動(dòng)化間隔層設備接口，它與中央級（主控級）的通信通道和綜合監控其他子系統共用。PSCADA系統的技術(shù)方案對確保地鐵綜合監控系統的整體可靠性至關(guān)重要。

    隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，PSCADA系統的技術(shù)方案在不斷地尋求進(jìn)步和完善。良好的組網(wǎng)方式及設備選型對PSCADA系統的安全可靠性提高十分關(guān)鍵。本文針對工程實(shí)施中遇到的問(wèn)題，對三種有代表性的技術(shù)方案進(jìn)行比較分析，闡述了在選擇PSCADA系統方案時(shí)應注意的問(wèn)題。

    為便于表述，對文中三個(gè)示圖中的圖符所代表的意義說(shuō)明如下：紫色框內的設備安裝于控制室通信控制屏內；藍色粗線(xiàn)代表光纖介質(zhì)（網(wǎng)絡(luò )）；綠色粗虛線(xiàn)代表光纖介質(zhì)（串口）；青色粗線(xiàn)代表普通的串口連接；紅色線(xiàn)代表與PLC的I/O模塊連接的普通導線(xiàn)；黑色的連線(xiàn)代表雙絞線(xiàn)（網(wǎng)絡(luò )）；PSW代表交換機。三種方案的外部接口完全相同。

    1 方案一：分布式雙以太網(wǎng)結構

    圖1中有4臺協(xié)議轉換單元，實(shí)際為不含任何旋轉介質(zhì)的工控機，并可按工程需求配置數量不等的網(wǎng)絡(luò )接口與通信串口，其作用主要是完成I/O服務(wù)，或者將它理解為間隔層與管理層的接口設備，簡(jiǎn)稱(chēng)為協(xié)議轉換單元。符號“M/P”代表一種專(zhuān)用的協(xié)議轉換模塊，其功能是將DC1500V系統繼電保護裝置的串口通信協(xié)議Profibus-DP轉換為Modbus-TCP。

    圖1中4臺協(xié)議轉換單元分散安裝在不同的設備房?jì)?，協(xié)議轉換單元-1安裝在地鐵車(chē)站變電所控制室內的通信控制屏；協(xié)議轉換單元-2安裝于該變電所的400V低壓配電室，并為其在低壓配電室內專(zhuān)設一面屏體；協(xié)議轉換單元-4安裝在跟隨變電所的400V低壓配電室；協(xié)議轉換單元-3安裝在變電所DC1500V高壓開(kāi)關(guān)柜內。為便于供電專(zhuān)業(yè)維修人員在車(chē)站的巡檢與作業(yè)，設置一套本地監控機，它負責對本車(chē)站變電所及跟隨所供電系統的監控，提供本站PSCADA系統的人機界面，不與車(chē)站局域網(wǎng)及地鐵控制指揮中心（OCC）主站進(jìn)行數據交換。

        

                                    圖1   分布式雙以太網(wǎng)

    本方案實(shí)現了PSCADA系統通信層雙以太網(wǎng)冗余，當PSW交換機或通信通道出現單點(diǎn)故障時(shí)，能夠避免系統通信長(cháng)時(shí)間中斷。由于交換機與通信通道故障率很低，系統內的故障多見(jiàn)于工控機，通信層雙以太網(wǎng)冗余的結構對系統整體的故障率降低實(shí)際作用并不大。如果要實(shí)現冗余到底的真正雙冗余PSCADA組網(wǎng)結構，則要求每一臺繼電保護裝置及測控單元提供兩個(gè)冗余的接口（如同圖1中的PLC裝置），或者是繼電保護裝置本身實(shí)現雙冗余。然而，目前在安全性與可靠性要求較高的電力系統內，也還沒(méi)有在220kV以下變電所普遍推廣完全雙冗余結構。

    另外，本方案布局中還存在如下問(wèn)題：① 協(xié)議轉換單元不能集中布置于控制室內，而開(kāi)關(guān)柜室相比控制室的環(huán)境條件（電磁擾動(dòng)、機械振動(dòng)、溫濕度、粉塵等）惡劣；②PSCADA專(zhuān)業(yè)的設備維修人員不具備在高電壓環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)的資質(zhì)，在巡檢與維修作業(yè)中會(huì )導致諸多不便，且對設備系統及人身安全均構成威脅；③《地鐵設計規范-2003》要求“電力監控系統的基本功能應包括以友好的人機界面實(shí)現系統維護功能”， 方案中協(xié)議轉換單元裝有操作系統與監控軟件，需要定期巡檢與維護但它們一律未配置顯示器、鍵盤(pán)、鼠標，缺乏良好的人機界面；④協(xié)議轉換單元的數量較多且分布過(guò)于分散，不僅給PSCADA專(zhuān)業(yè)設備巡檢工作帶來(lái)不便，同時(shí)也使建設成本有明顯增加。

    分布式處理系統適用于大型的數據處理系統，地鐵車(chē)站級PSCADA系統的監控點(diǎn)數較少，一臺普通的工控機足以處理全站的數據，而且設備在地下的安裝空間十分有限，上述網(wǎng)絡(luò )結構及設備配置存在諸多問(wèn)題。

    2 方案二：集中式雙以太網(wǎng)結構

    地鐵車(chē)站級PSCADA系統采用集中式組網(wǎng)結構，已是工程應用的慣例。如圖2所示，它沿用了通信層雙以太網(wǎng)冗余的構架，只是將第一種方案中幾臺協(xié)議轉換單元的信息處理功能由兩臺冗余的主機各自獨立地完成，兩臺主機一主一備，主機之間通過(guò)心跳線(xiàn)連接，平時(shí)由主機處理相關(guān)業(yè)務(wù)，備機處于熱備狀態(tài)。當偵測到主機發(fā)生故障不能正常工作時(shí)，備機立即接管相關(guān)業(yè)務(wù)。任意一臺主機均可完成全站數據的采集（包括協(xié)議轉換功能）并與網(wǎng)絡(luò )中的上層設備進(jìn)行數據交互。方案中兩臺主機通過(guò)硬件切換方式共享一套顯示器、鍵盤(pán)及鼠標。

    由于采用光纖介質(zhì)，通信控制屏內的光電轉換裝置與光纖轉串口的裝置數量會(huì )比較多，它們尺寸雖小，屏內的設備與布線(xiàn)還是比較擁擠，不便于運營(yíng)維護，光纖敷設的數量也會(huì )略多于第一種方案，但總體而言，本方案優(yōu)于第一種方案，理由如下：① 系統內的設備集中安裝于弱電環(huán)境中，PSCADA專(zhuān)業(yè)人員不必在高壓設備區域進(jìn)行作業(yè)，巡檢效率提高，利于設備的運行與維護。② 故障率較高的主機實(shí)現了雙冗余，系統可靠性大大提高，這是構建冗余雙以太網(wǎng)方案的最大優(yōu)點(diǎn)，此外，采用雙主機方案可以省去運營(yíng)管理單位對主機軟件備份管理的工作環(huán)節。③ 本方案中的CN2650裝置（注：CN2650具備雙以太網(wǎng)接口，其作用可簡(jiǎn)單概括為：將“串口界面”與“網(wǎng)絡(luò )平臺”連接起來(lái)。NPORT裝置與CN2650功能相同，只是其以太網(wǎng)接口僅有一個(gè)），內部不需安裝龐大的操作系統及監控軟件，品質(zhì)成熟，故障率低，即使發(fā)生故障，更換也非常容易，不須進(jìn)行重裝軟件系統費時(shí)復雜的操作。④ CN2650提供了精巧實(shí)用的人機界面，便于故障的快速診斷與處理。⑤ 關(guān)鍵設備均有就地的人機界面。

        

                                    圖2   集中式雙以太網(wǎng)

    3 方案三：?jiǎn)尉W(wǎng)單主機結構

    圖3是地鐵PSCADA系統常見(jiàn)的一種單網(wǎng)單主機的組網(wǎng)方式，目前，行業(yè)內大多采用這種組網(wǎng)結構，它具有簡(jiǎn)潔實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，如果想要節省光纖的敷設數量，可將眾多的串行通信接口掛接到一臺串口服務(wù)器NPORT上，再由一條光纖上送到通信控制屏內的主機，由于NPORT故障率低（MTBF約150000~250000小時(shí)），尺寸小，附有人機界面，且其故障設備的更換操作簡(jiǎn)單易行，因此可以將它安裝在高壓柜的二次小室內，可見(jiàn)單網(wǎng)結構并不缺乏靈活性。

        

                                    圖3   單網(wǎng)單主機結構
    圖中的主機功能同圖2中的主機，與第二種方案相比較，本方案有單臺主機的缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)是系統設備可以集中安裝在弱電環(huán)境，通信控制屏內設備數量少，其經(jīng)濟性與可拓展性都很好，若采用串口服務(wù)器NPORT裝置，可以最大限度地節省光纖的使用數量。

    4 結語(yǔ)

    綜合分析，方案一存在較多不利因素，不宜采用；而采用方案三的單臺主機方案時(shí)，要優(yōu)先選擇高可靠性的主機產(chǎn)品，只要運營(yíng)維護部門(mén)做好單臺主機內的程序備份并存有一定數量的備機，單主機帶來(lái)的可靠性風(fēng)險是可以接受的；無(wú)論從技術(shù)角度還是從維護管理角度分析，方案二、方案三均為較理想的技術(shù)方案。

    參考文獻：

    [1] GB 50157-2003，地鐵設計規范-2003[S]. 北京城建設計研究總院.

    [2] 城市軌道交通自動(dòng)化系統與技術(shù)[M]. 魏曉東.

                                                        信息來(lái)源：自動(dòng)化博覽