陳洪茹 傅 強

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 100037 北京;2.國電南瑞科技股份有限公司 210062 南京)

地鐵供電系統(tǒng)是城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的生命線，軌道交通的安全平穩(wěn)運行離不開供電系統(tǒng);供電系統(tǒng)擔負著地鐵運行所需一切電能的供應(yīng)與傳輸，是地鐵安全可靠運行的重要保證。變電所綜合自動化系統(tǒng)PSCADA(power supervisory control and data acquisition system)作為城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要組成部分，直接服務(wù)于軌道交通供電系統(tǒng)，其可靠性直接關(guān)系到列車的安全、穩(wěn)定運行。為了增強系統(tǒng)的可靠性，PSCADA系統(tǒng)通常會采用冗余設(shè)計，尤其是核心設(shè)備(如前端處理器)。目前，雖然在國內(nèi)很多工程項目中采用了硬件設(shè)備的冗余設(shè)置，但由于應(yīng)用軟件功能設(shè)計不夠全面，未能完全發(fā)揮冗余設(shè)備的功能，或是冗余工作狀態(tài)不透明，給系統(tǒng)運行和維護帶來不便。下面重點分析PSCADA系統(tǒng)冗余機制的具體實現(xiàn)、存在的問題及優(yōu)化方案。

1 PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及冗余方案

1.1 PSCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

____目前，國內(nèi)城市軌道交通PSCADA系統(tǒng)大多采用分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分散布置、集中管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層:站級管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、間隔設(shè)備層。站級管理層設(shè)備包括前端處理器(front end processor)、一體化監(jiān)控計算機，網(wǎng)絡(luò)通信層設(shè)備包括交換機、光纖接口設(shè)備、通信線纜(光纖、雙絞線等)，間隔設(shè)備層是分散安裝于供電設(shè)備就地的微機保護測控、信息采集等裝置，圖1給出了典型變電所自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。可以看出，為了提高系統(tǒng)可靠性，作為自動化系統(tǒng)核心的前端處理器(FEP)和以太網(wǎng)交換機均采用了冗余配置。下面對FEP與間隔層保護測控設(shè)備等智能電子設(shè)備IED(integrated electronics drive)間的通信功能及冗余切換機制進行分析。

圖1 典型變電所綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 間隔層設(shè)備冗余分析

1.2.1 以太網(wǎng)接口的間隔層設(shè)備

目前在地鐵供電系統(tǒng)中，交流35 kV/10 kV保護測控、直流1500 V/750 V保護測控與自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換大多可以支持單網(wǎng)雙鏈路方式，即保護測控設(shè)備的以太網(wǎng)接口與自動化系統(tǒng)的一臺交換機相連，兩臺冗余的FEP可以同時與保護測控設(shè)備建立通信鏈路交換數(shù)據(jù)。因此，二者之間既可以通過FEP主備機冗余切換實現(xiàn)冷備方式，也可以是兩臺FEP同時與之通信的雙主機熱備方式。顯然，在間隔層保護測控設(shè)備支持兩條以上鏈路并存的前提下，雙FEP熱備方式無疑是更好的通信模式。在此模式下，兩臺FEP之間可以省去冗余狀態(tài)的交互，通信模式簡單可靠，更為重要的是可以省去大量雙機間的實時數(shù)據(jù)同步工作。

1.2.2 串行接口及現(xiàn)場總線間隔層設(shè)備

在地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)中，有部分間隔層設(shè)備(主要有交直流電源、整流器、變壓器等)的通信接口采用串行接口或現(xiàn)場總線，其中應(yīng)用較多的是采用RS485/422接口，通信協(xié)議包括IEC60870－5－103或Modbus－RTU等。對此類設(shè)備，任意時刻通信總線上只有一個主機(master)存在，其余設(shè)備均為從機(slave)，因此自動化系統(tǒng)的兩臺FEP 一般采用主-備冗余的方式來實現(xiàn)通信功能，即在任何時刻，F(xiàn)EP雙機中只有一臺處于激活的工作狀態(tài)(主機)，另一臺則處于待激活的工作狀態(tài)(備機)。FEP主機采集間隔層設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并通過FEP主備機間的數(shù)據(jù)交互進行數(shù)據(jù)同步及冗余切換。

1.3 冗余機制

變電所綜合自動化系統(tǒng)FEP冗余機制按數(shù)據(jù)采集和存儲的不同，可分為數(shù)據(jù)集中式冗余(以FEP整機為切換單位)和數(shù)據(jù)分布式冗余(以FEP中某一端口為切換單位)。

1.3.1 集中式冗余

集中式冗余是長期以來綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用較多的冗余方式，實現(xiàn)機制簡單，雙機之間只需交互冗余狀態(tài)信息來實現(xiàn)主、備機切換，而不需實現(xiàn)雙機間實時數(shù)據(jù)的同步功能(見圖2)。但在此種方式下，一旦某一間隔層設(shè)備通信故障，將導致主備FEP切換，切換過程將產(chǎn)生短時的數(shù)據(jù)丟失;如果主備FEP接入設(shè)備均有不同種類的設(shè)備通信故障，則系統(tǒng)將缺失部分設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)。在此種方式下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受間隔層設(shè)備的影響較大，給系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成不必要的波動。

圖2 典型ISCS與牽引供電系統(tǒng)變電站綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3.2 分布式冗余

顧名思義，分布式冗余就是FEP與間隔層的通信接口及數(shù)據(jù)存儲可以分布在兩臺FEP上。從間隔層看，兩臺FEP是完全平等的，沒有主備機之分，只存在邏輯上的通信接口軟件模塊的主備之分。顯然，在此種方式下，系統(tǒng)中的冗余狀態(tài)信息由集中式冗余時的一個狀態(tài)細分為每一個通信接口均有獨立的冗余狀態(tài)信息。因此，分布式冗余的特性決定了它較之集中式冗余具有更高的可靠性，即使發(fā)生交叉故障也不會導致數(shù)據(jù)丟失。同時，單個端口或設(shè)備的故障引起的主備切換只限于單個端口和通信軟件模塊本身，對FEP上其他接口和功能無任何影響，這無疑是保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行所需要的重要特性。當然，分布式冗余方式的軟件實現(xiàn)(如冗余狀態(tài)信息交互、實時數(shù)據(jù)及控制命令同步等)具有較高的復雜度和實現(xiàn)成本。

2 冗余機制改進

從上述兩種冗余機制的分析和比較可以看出，針對地鐵PSCADA系統(tǒng)間隔層以太網(wǎng)及串行接口設(shè)備的特點，采用分布式冗余方式是具有更高可靠性的選擇。但是在實際應(yīng)用中，如何更好地發(fā)揮設(shè)備的功能，實時地反映冗余設(shè)備或端口的工作狀態(tài)，使故障能在第一時間反映給系統(tǒng)維護人員并得到及時解決，是確保系統(tǒng)中冗余設(shè)備發(fā)揮作用、提升系統(tǒng)可靠性所必須解決的問題。

2.1 存在的問題

1)在本文2.2.1中提到，很多間隔層設(shè)備可以提供以太網(wǎng)接口，并支持多鏈路的工作方式。PSCADA的兩臺FEP可以采用主備機工作方式與間隔層設(shè)備建立通信鏈路，也可以采用兩臺FEP雙主機的工作方式與間隔層設(shè)備建立通信鏈路。無論采用哪種工作方式，在PSCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，對于某一特定的間隔層設(shè)備，均會用一個數(shù)據(jù)點來表示其與PSCADA之間的通信工況。但是，對于FEP雙主機工作方式，顯然用一個數(shù)據(jù)點來表示的通信工況難以反映兩臺FEP與間隔層設(shè)備的真實通信狀態(tài)。例如，當兩臺FEP中的某接口任務(wù)至少在其中一臺處于正常工作狀態(tài)時，系統(tǒng)中該接口的各項功能仍為正常，此時如果另一臺FEP同一接口任務(wù)的軟件或硬件出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)均無法給出告警信息，原冗余系統(tǒng)實際已降級為單機運行，大大降低了系統(tǒng)可靠性。

2)對本文2.2.2中分析的串行接口設(shè)備，由于物理層并發(fā)訪問的限制，兩臺FEP在分布式冗余機制下，其中一臺FEP的接口任務(wù)處于值班(on duty)狀態(tài)，另一臺為備用(standby)狀態(tài)。對于處于值班的接口任務(wù)，可以通過間隔層設(shè)備的通信工況來了解其工作狀態(tài);但對于處于備用的接口任務(wù)，PSCADA系統(tǒng)通常沒有進行監(jiān)視和檢查，因而也就無從判斷備用接口的軟硬件是否能正常工作，造成系統(tǒng)維護人員監(jiān)視上的盲點。同時，在分布式冗余機制下，如果未將各接口任務(wù)的實際主備狀態(tài)信息實時傳送給相關(guān)的維護系統(tǒng)，維護人員也很難開展有效的預防和維護工作。目前，通常的做法是:每隔一段時間，運行維護人員通過人為切換的方式啟用處于備用的FEP或接口任務(wù)，以檢查和確認設(shè)備的完好性。顯然，這種做法不利于及時發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，不利于系統(tǒng)維護及穩(wěn)定運行。

2.2 優(yōu)化和改進的方法

無論是雙主機模式下故障主機(或接口任務(wù))狀態(tài)不能及時發(fā)現(xiàn)，還是主備冗余模式下備用接口的工作狀態(tài)無從判斷，歸納起來就是系統(tǒng)自身的運行狀態(tài)信息不夠完整，系統(tǒng)缺乏對自身冗余設(shè)備的實時監(jiān)視和自診斷。因此，筆者提出對運行狀態(tài)信息進行完善以及對備用接口進行監(jiān)視和診斷的優(yōu)化改進的方法。

2.2.1 運行狀態(tài)信息完善

1)對采用雙主機方式的接口模塊，PSCADA系統(tǒng)為每個間隔層設(shè)備分配兩個獨立的數(shù)據(jù)位，分別表示兩臺FEP各自與間隔層設(shè)備的通信工況。兩臺FEP以雙主機方式，將本機通信間隔層設(shè)備的工況相互發(fā)送給對方，這樣綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)可以從任一臺FEP上得到間隔層設(shè)備與兩臺FEP的通信情況。同時，在正常雙主機的工作情況下，兩臺FEP間不進行相關(guān)實時數(shù)據(jù)的同步。但是，當出現(xiàn)圖3所示的情況時，在FEP(A)機監(jiān)視到FEP(B)機與間隔層通信故障后，F(xiàn)EP(A)可將本機實時數(shù)據(jù)中的相關(guān)部分同步到FEP(B)，這樣對于ISCS來說FEP的冗余功能仍然完好，無論從哪臺FEP均可以獲取完整的間隔層實時數(shù)據(jù)。

圖3 FEP雙主機工作方式

2)對采用主備方式的接口模塊，系統(tǒng)除原有間隔層的通信工況外，為每個串行接口任務(wù)增加了兩位數(shù)據(jù)位，用來表示該任務(wù)在某個FEP值班或處于備用時相應(yīng)的接口是否正常，具體含義如表1所示。

表1 串行接口主備工作狀態(tài)定義

通過對PSCADA系統(tǒng)中各接口任務(wù)運行狀態(tài)信息的增加和補充，使運行維護人員掌握的設(shè)備及接口狀態(tài)信息、系統(tǒng)自診斷類信息更加明確和完整，這樣就可以確保系統(tǒng)中存在的故障能在第一時間被發(fā)現(xiàn)并處理，增強了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，豐富而完整的運行狀態(tài)信息可以使ISCS擁有更多的冗余優(yōu)先級判斷條件，有助于進一步提高ISCS整體的可靠性。

2.2.2 備用接口監(jiān)視和診斷

在一般的FEP冗余交互中，通常兩臺FEP會周期性地互發(fā)設(shè)備運行狀態(tài)信息，包括“心跳”、“接口設(shè)備狀態(tài)信息”等，用于值班與備用FEP間的命令傳遞和切換判斷。這種交互往往通過專用端口及軟件來進行，無法實現(xiàn)對備用串行接口的監(jiān)視。因此，只有通過其接口物理層與備用接口進行數(shù)據(jù)交換，才可能獲得其接口軟硬件的實際運行狀態(tài)。目前，PSCADA系統(tǒng)與間隔層IED串口通信大多采用RS485(支持多點雙向通信)，因此可以對該接口處于值班和備用的接口任務(wù)在物理上連接于同一串口總線，共同完成對同一串口總線上IED的監(jiān)控任務(wù)。如圖4所示，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，無需增加額外硬件，只需在FEP的相關(guān)接口任務(wù)軟件中增加值班任務(wù)與備用任務(wù)間的周期性狀態(tài)查詢和響應(yīng)，其數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖4 FEP串口任務(wù)備用接口監(jiān)視及診斷

圖5 FEP串口主備任務(wù)數(shù)據(jù)流

當傳統(tǒng)方式FEP的串口任務(wù)處于值班時，只對間隔層IED進行查詢和控制，而備用任務(wù)一般處于總線監(jiān)聽和空閑狀態(tài)。在本優(yōu)化方法中，值班任務(wù)將備用任務(wù)作為一個特殊的從機(slave)進行周期性的狀態(tài)查詢，備用任務(wù)則及時響應(yīng)來自主機(master)的查詢命令，這樣值班任務(wù)就可以及時更新本接口的運行狀態(tài)信息，方便系統(tǒng)維護人員在第一時間診斷出系統(tǒng)中存在的故障和隱患，提升系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)語

目前，F(xiàn)EP的冗余配置已在國內(nèi)地鐵PSCADA系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但是系統(tǒng)冗余功能的實現(xiàn)和可靠性的提升不僅依賴于硬件的冗余，更重要的是對冗余機制的完善和挖掘。筆者結(jié)合PSCADA系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和冗余特性，分析了不同冗余方案的功能與特點，提出了存在的問題，并給出了優(yōu)化和改進的方法。在北京地鐵9號線PSCADA系統(tǒng)的冗余設(shè)計中，參考了本研究所提出的優(yōu)化方法，對運行狀態(tài)信息和備用接口監(jiān)視功能進行了增加和完善，取得了初步的成果。

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