安英霞

0 引言

自20 世紀80 年代末以來，國內(nèi)自行研制的牽引供電SCADA 系統(tǒng)已完全取代國外進口裝備，雖已經(jīng)歷了3 代系統(tǒng)的變遷，但仍然存在著標準化程度不高、兼容性差、監(jiān)控規(guī)模偏小的不足。面對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)所采用的全新調度模式，以及系統(tǒng)規(guī)模大、建設周期長、互聯(lián)互通要求高的特點，有必要研制滿足中國高速鐵路建設需求的新一代供電綜合SCADA 系統(tǒng)。

1 應用需求分析

1.1 調度模式

國內(nèi)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用N＋1 調度管理模式，即在全國范圍內(nèi)設置N 個區(qū)域調度所，一個災難備用（以下簡稱災備）調度中心。區(qū)域調度所負責管轄區(qū)域內(nèi)的所有高速鐵路供電系統(tǒng)的監(jiān)視控制和調度指揮，災備調度中心在正常工作模式下負責監(jiān)視各區(qū)域調度所供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并在必要時提供協(xié)調性調度指揮建議，在災備模式下，負責實現(xiàn)對某一區(qū)域調度所的災難備用功能。

1.2 監(jiān)控對象[1]

高速鐵路供電綜合SCADA系統(tǒng)不再沿用普速鐵路中對牽引供電系統(tǒng)、電力配電系統(tǒng)分別設置獨立監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，系統(tǒng)的監(jiān)控對象不僅包括牽引供電系統(tǒng)，同時還包括10 kV 電力配電系統(tǒng)。牽引供電監(jiān)控對象包括牽引變電所、AT 分區(qū)所、AT 所、開閉所、接觸網(wǎng)電動隔離開關。10 kV 電力配電監(jiān)控對象包括：（35）10 kV（變）配電所、箱式變電站、10/0.4 kV 低壓變電所。

1.3 監(jiān)控容量

根據(jù)2008 年頒布的《中長期鐵路網(wǎng)調整規(guī)劃》，到2020 年，中國將建成總里程1.6 萬公里的高速鐵路網(wǎng)[2]。假定在全國范圍內(nèi)將建立6 個區(qū)域調度所，則每個區(qū)域調度所的平均監(jiān)管里程約為2 700 km。根據(jù)對現(xiàn)已投運的高速鐵路供電系統(tǒng)被控站點的統(tǒng)計分析，假定綜合SCADA 系統(tǒng)的每一類被控站點的設置里程數(shù)、I/O 點數(shù)如表1 所示。

根據(jù)上述容量估算基礎表格，可以估算出至2020 年時計劃建設的區(qū)域調度所的被控站數(shù)量和總的監(jiān)控I/O 點數(shù)：在不考慮每個區(qū)域調度所監(jiān)管里程數(shù)差異的情況下，各所的I/O 監(jiān)控容量至少為52 萬點，若考慮系統(tǒng)擴容等影響因素，則I/O 監(jiān)控容量可達62 萬點。若考慮各區(qū)域調度所監(jiān)管里程不一致的情況，對于監(jiān)控里程數(shù)較多的調度所，其I/O 監(jiān)控容量有可能高達100 萬點。

表1 高速鐵路被控站設置里程及I/O 點數(shù)估算表

1.4 功能需求

隨著自動化系統(tǒng)應用的成熟和電氣設備品質的提升，國內(nèi)高速鐵路牽引供電和電力配電系統(tǒng)的被控站點將采用無人值守的運行模式，所以供電綜合SCADA 系統(tǒng)除了完成常規(guī)的監(jiān)視和控制功能外，還需為電力調度人員、生產(chǎn)搶修人員提供豐富的故障分析數(shù)據(jù)（如故障錄波、故障報告等），以加快供電系統(tǒng)事故的處理進程。同時，綜合SCADA系統(tǒng)還需具備配電自動化系統(tǒng)DMS（Distributed Management System）的故障判斷和故障隔離功能，以及對被控站系統(tǒng)的設定參數(shù)（如保護定值、各類閥值等）進行遠程設置的功能。

1.5 接口需求

供電綜合SCADA系統(tǒng)需要與國內(nèi)高速鐵路總體技術框架下統(tǒng)籌規(guī)劃建設的運營調度系統(tǒng)[3]、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜合維修管理信息系統(tǒng)、既有線電調系統(tǒng)實現(xiàn)雙向互連互通；與火災報警系統(tǒng)（FAS）、時鐘系統(tǒng)、國家電網(wǎng)調度系統(tǒng)實現(xiàn)單向互連互通。

1.6 建設目標

國內(nèi)高速鐵路供電綜合SCADA系統(tǒng)按照統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施的建設原則，結合調度系統(tǒng)的規(guī)劃，建設一套適合國內(nèi)高速鐵路供電系統(tǒng)的統(tǒng)一標準、統(tǒng)一制式、統(tǒng)一調度指揮，具備先進成熟、安全可靠、靈活穩(wěn)定特性的系統(tǒng)。

因此，國內(nèi)高速鐵路供電綜合SCADA 系統(tǒng)的建設面臨著大容量、高擴展、長周期的應用挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)架構

2.1 體系架構

高速鐵路供電綜合SCADA 系統(tǒng)采用分層、分布式結構，按照調度管理層、通信傳輸網(wǎng)絡層和現(xiàn)場設備層進行建設。

調度管理層系統(tǒng)包括1 個災備調度中心，N 個區(qū)域調度所。網(wǎng)絡通信層包括連接災備調度中心與各區(qū)域調度所之間、區(qū)域調度所與現(xiàn)場設備層間的通信傳輸承載網(wǎng)絡，以及災備調度中心與現(xiàn)場設備層間的災難備用傳輸網(wǎng)絡，采用SDH 或MSTP 傳輸承載網(wǎng)絡[4，5]。

現(xiàn)場設備層系統(tǒng)分別設置在客運專線沿線的牽引變電所、分區(qū)所、開閉所、AT 所、（35）10 kV（變）配電所、10 kV 低壓變電所、箱式變電站內(nèi)，完成現(xiàn)場設備的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集功能。

2.2 技術架構

供電綜合SCADA 系統(tǒng)的技術架構如圖1 所示。

圖1 供電綜合SCADA 系統(tǒng)的總體技術架構圖

該系統(tǒng)的基礎硬件平臺包括交換機、防火墻等網(wǎng)絡通信平臺，以及由服務器、工作站和SAN（Storage Area Network）光纖存儲系統(tǒng)構成的計算平臺。

在統(tǒng)一的基礎硬件架構上，采用雙機、雙網(wǎng)、雙存儲光通道熱備方式的冗余措施，確保在關鍵硬件部分消除單點失效；采用高擴展的服務器、模塊化的網(wǎng)絡交換機和UPS 設備，以確保硬件架構的高可擴展性。

綜合SCADA的系統(tǒng)軟件平臺在底層操作系統(tǒng)的基礎上配置了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、集群管理系統(tǒng)和備份系統(tǒng)，通過其提供的數(shù)據(jù)備份恢復、系統(tǒng)恢復、數(shù)據(jù)日志、故障處理等功能，提高系統(tǒng)的高可靠性。

在統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件平臺支撐下，綜合SCADA系統(tǒng)采用了具備高可靠性、高擴展性、超大容量的平臺軟件，并在該基礎上集成開發(fā)綜合SCADA 系統(tǒng)的各種應用軟件。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 區(qū)域調度所硬件配置

綜合SCADA區(qū)域調度所系統(tǒng)內(nèi)部的局域網(wǎng)絡根據(jù)不同的數(shù)據(jù)業(yè)務，分別獨立設置了數(shù)據(jù)處理網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)、SAN 光纖存儲網(wǎng)和接口局域網(wǎng)，這4 個子網(wǎng)相互獨立，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的分流，降低網(wǎng)絡負載，以提高系統(tǒng)響應時間。

綜合SCADA區(qū)域調度所的硬件配置還充分考慮到網(wǎng)絡安全及管理的需要，設置了硬件防火墻、獨立的網(wǎng)絡病毒防護工作站等。

3.2 基于SOA 的平臺軟件

綜合SCADA系統(tǒng)的平臺軟件可以按照硬件的配置以及應用的需要在一個廣域分布的系統(tǒng)中實現(xiàn)靈活的部署，無論是災備調度中心還是各區(qū)域調度所的系統(tǒng)均構建在該統(tǒng)一的軟件平臺上。

平臺軟件基于具備可重用性、低耦合、分布式和開放性特點的SOA 架構[6，7]和實時數(shù)據(jù)庫技術，在通用SCADA業(yè)務模型的基礎上提供了具有良好開放性的工業(yè)域名服務、軟件和設備通信集成服務、信息和數(shù)據(jù)管理服務、應用開發(fā)服務、系統(tǒng)管理和擴展服務，從而為高速鐵路供電綜合SCADA系統(tǒng)提供了一整套標準化、組件化的基礎解決方案，也便于實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

平臺軟件支持超大規(guī)模的I/O 監(jiān)控點數(shù)，可方便構建分布式多客戶端/多服務器架構，無論是客戶端還是服務器端均可由數(shù)量眾多的物理設備構成，并可按照N+1 調度模式的要求分別在災備調度中心、各區(qū)域調度所進行統(tǒng)一的分布部署。

3.3 災備調度中心實現(xiàn)方案

為了減少災備調度中心的信息處理流量，在正常運行模式下，災備中心不直接接收和處理來自現(xiàn)場設備層的實時采集數(shù)據(jù)，災備調度臺分別作為各區(qū)域調度所的分布式遠程調度臺，有關綜合SCADA 業(yè)務的處理及實時數(shù)據(jù)的采集均分別在相應的客運專線調度所完成。該分布式遠程調度臺的工作模式具備如下優(yōu)點：

（1）大大減少了災備調度中心系統(tǒng)服務器硬件配置數(shù)量及其信息處理量，并充分利用了區(qū)域調度所的硬件處理能力。

（2）無需維護災備調度中心與各區(qū)域調度所的數(shù)據(jù)一致。

為了實現(xiàn)災難備用功能，綜合SCADA 系統(tǒng)災備調度中心配置了一套冷備的服務器組，以實現(xiàn)對所接管的災難調度所系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)存儲、SCADA 業(yè)務邏輯處理、遠程通信、系統(tǒng)配置管理等功能。考慮到部調度中心系統(tǒng)的災備模式啟用頻度極低，災備調度中心的服務器不再采用雙機冗余配置，其最終配置的服務器數(shù)量將根據(jù)監(jiān)管容量最大的區(qū)域調度所確定。

3.4 系統(tǒng)擴展方案

在超大監(jiān)控容量、支持分布式部署的平臺軟件的支持下，綜合SCADA 系統(tǒng)的擴展工程首先是進行硬件設備的擴展，然后通過平臺軟件將業(yè)務和數(shù)據(jù)部署到新增的服務器或工作站上。

硬件設備的擴展包括：網(wǎng)絡交換機端口數(shù)量、調度臺工作站節(jié)點、服務器節(jié)點、UPS 電源模塊等。其中調度臺的擴展可以通過設置新的調度臺，或者擴充既有調度臺的監(jiān)控范圍來實現(xiàn)。對于服務器節(jié)點的擴展，可通過增加CPU 處理器個數(shù)、規(guī)模更大時可通過加入新的服務器節(jié)點實現(xiàn)服務器的外向擴展。

綜合SCADA系統(tǒng)平臺軟件具有在線維護的特性，所以當新增服務器和工作站節(jié)點后，在完全不影響正在運行的應用業(yè)務情況下，可以完成新增服務器或是工作站應用業(yè)務和數(shù)據(jù)的在線部署等工作，從而保證綜合SCADA 系統(tǒng)分步實施的無縫進行。

4 應用實例

高速鐵路供電綜合SCADA 系統(tǒng)自2009 年實施以來，已完成了3 個區(qū)域調度所基礎平臺的搭建，并分別接入了石太線、合武線、武廣線、鄭西線、滬杭線，接入高鐵線路的總里程近2 100 km。其中規(guī)模最大的區(qū)域調度所已管轄了近1 300 km的多條高速鐵路。截至2010 年底，相應的區(qū)域調度所將完成海南東環(huán)線、廣珠城際線、廣深港線的接入工作，2011 年將完成京滬線、寧杭線等高鐵線路的接入工作。

5 總結展望

目前，在投入運行的各線路中，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能完善，達到了系統(tǒng)的功能設計要求。其中一個區(qū)域調度所已經(jīng)實現(xiàn)了多條高速鐵路的接入，監(jiān)控規(guī)模已接近25 萬點，從而驗證了系統(tǒng)軟硬件平臺所具備的監(jiān)控容量大、擴展靈活的特點。通過該項目的實施，形成并完善了一系列配套的技術和工程應用標準，規(guī)范了相應的接口標準，從而大大降低了工程實施難度，縮短了實施周期。

但是，由于災備調度中心尚未開始建設，供電綜合SCADA 系統(tǒng)的災備方案尚需實踐驗證；系統(tǒng)的監(jiān)控容量尚在擴展，系統(tǒng)仍然面臨著穩(wěn)定性和實時響應能力的考驗；系統(tǒng)在信息展示的清晰一致方面還需完善，以便更直觀、簡潔地展示最有價值的運行數(shù)據(jù)。此外，對電氣設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)以及接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的接入，以及對基于海量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析挖掘之上的高級應用功能的開發(fā)也將是未來該系統(tǒng)的研究方向。

[1] TB 10621-2009 J971-2009 高速鐵路設計規(guī)范（試行）[S].

[2] 鐵道部.中長期鐵路網(wǎng)調整規(guī)劃[Z].北京，2008.

[3] 姚鈞.鐵路客運專線運營調度系統(tǒng)總體技術方案[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

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[5] 佟卓，謝宇晶，尹斯星.寬帶城域網(wǎng)與MSTP 技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

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