西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)問題分析及網絡優(yōu)化建議

楊帆

(西安地下鐵道有限責任公司運營分公司，陜西 西安 710016)

摘要：介紹了西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件構成，通過分析運營以來出現(xiàn)的典型故障，對西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)網絡運行環(huán)境提出優(yōu)化建議。

關鍵詞：地鐵；電力監(jiān)控系統(tǒng)；組成；網絡優(yōu)化

收稿日期:2015-05-20

作者簡介：楊帆(1985—)，男，陜西西安人，助理工程師，研究方向：電力監(jiān)控。

0引言

近年來，隨著全國城市軌道交通行業(yè)蓬勃發(fā)展，自動控制技術在地鐵行業(yè)起到了至關重要的作用。電力監(jiān)控系統(tǒng)以供電設備為對象，通過網絡將西安地鐵供電系統(tǒng)的110 kV/35 kV/0.4 kV供電監(jiān)控單元連接起來，實現(xiàn)各變電站內對供電設備的集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理以及與控制中心電力調度的遠方通信。

1系統(tǒng)組成

西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式，分層分布式系統(tǒng)結構。設備根據(jù)安裝位置及作用分為間隔層設備、站級管理層設備、中央管理層設備。(1) 間隔層設備：包括分散安裝于供電設備就地的微機測控/保護單元、信息采集單元、直流電源監(jiān)控單元等需接入變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能裝置以及采用硬接點接入綜合自動化系統(tǒng)的接觸網上網電動隔離開關、軌電位限制裝置、排流柜、單向導通裝置等現(xiàn)場設備。(2) 站級管理層設備：包括安裝于電力監(jiān)控系統(tǒng)控制柜內的規(guī)約轉換器、測控裝置、光電交換機、光電轉換器及安裝于供電現(xiàn)場的以太網串口服務器、光電交換機等設備，通過上述網絡通訊設備實現(xiàn)站內數(shù)據(jù)傳輸及站級電力監(jiān)控系統(tǒng)控制。(3) 中央管理層設備：電力監(jiān)控系統(tǒng)深度集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，通過站級綜合監(jiān)控服務器、交換機等網絡通訊設備，利用百兆以太網上傳數(shù)據(jù)至OCC(控制中心)，使得地鐵電力調度能夠實現(xiàn)全線各變電站集中監(jiān)控。

2典型問題

西安地鐵二號線自2011年9月開通運行以來，電力監(jiān)控系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，但因前期設計原因，二號線電力監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)約轉換器長期存在自動重啟現(xiàn)象，對于地鐵運營供電監(jiān)控造成了一定影響。

故障現(xiàn)象：自西安地鐵二號線運營以來，電力監(jiān)控系統(tǒng)長期存在規(guī)約轉換器(C306) 自動重啟現(xiàn)象，該故障持續(xù)2～4 min后自動恢復。故障期間故障變電所及控制中心均無法對故障站點供電設備正常監(jiān)控。

故障處理方法：針對此項問題西安地鐵自動化車間多次組織處理，分別從軟件、硬件方面進行排查。運營以來修改規(guī)約轉換器應用軟件VxWorks共計5次，分別以延長看門狗啟動時間、調整看門狗優(yōu)先級、修改BIOS配置、縮短任務運行間隔時間等不同方式降低規(guī)約轉換器的CPU模塊負荷；硬件更換兩次，更換個別站點規(guī)約轉換器的CPU模塊、電源模塊；執(zhí)行全線預防措施兩次，對全線規(guī)約轉換器人工復位。

(1) 第一階段：硬件排查。2011年8月在當時故障高發(fā)站安遠門站更換不同批次規(guī)約轉換器的CPU模塊，制定觀察周期一個月。在更換完成11天后安遠門站依舊存在規(guī)約轉換器自動重啟現(xiàn)象，因此排除CPU硬件故障。2011年11月將北苑站(無重啟)及安遠門站(故障高發(fā)站)的規(guī)約轉換器電源板進行了調換，經過一定時間的運行安遠門站依舊故障高發(fā)，故排除了電源板故障的可能性。因此確認此故障與硬件無關，屬于VxWorks軟件原因。

(2) 第二階段：延長看門狗啟動時間、調整優(yōu)先級。2011年11月初由設備集成商南京南瑞集團提供技術支持，通過分析先后對規(guī)約轉換器VxWorks軟件中看門狗啟動時間進行了延長、調整看門狗優(yōu)先級，并將該版本適用于車輛段牽混所及鳳城五路、永寧門、南稍門、會展中心等站。制定觀察周期3個月，期間發(fā)現(xiàn)故障情況更為嚴重，規(guī)約轉換器關機后不能自動重啟，確認故障原因非看門狗設置，但通過此項測試進一步縮小故障范圍，明確故障為CPU負荷過大引起。

(3) 第三階段：修改BIOS配置。2012年3月在會展中心站查看了規(guī)約轉換器CPU的BIOS配置文件，對其中“中斷請求”配置進行了修改，阻斷外部申請訪問處理器，起到了降低CPU負荷的作用。本專業(yè)在故障高發(fā)站大明宮西站與會展中心站同時上傳觀察，通過為期3個月的測試，大明宮西站存在自動重啟現(xiàn)象，因此判定修改BIOS配置文件無效。此階段雖未能根除故障，但通過刪除多余任務降低了CPU負荷，故障發(fā)生頻率有所降低。

(4) 第四階段：刪除多余任務。2012年5月在運動公園站刪除冗余管理的代碼，防止冗余管理代碼不停以100M的以太網速率去尋找并不存在的冗余機，減輕站級設備CPU任務查詢負擔，同時降低CAN總線速率及CAN總線查詢速率。制定為期3個月的觀察周期，在本次修改后運動公園站故障發(fā)生頻率明顯下降，但在運行45天后自動重啟。通過本次修改本專業(yè)技術人員與南瑞廠家進一步確定了故障點，明確了下一步徹查此故障的方向。

(5) 第五階段：縮短任務運行間隔時間。2012年12月修改VxWorks軟件，將任務運行間隔時間由原先的8 s改為4 s，減小報文收發(fā)頻率，降低CPU負荷。前期試用于會展中心站，通過為期3個月的觀察未發(fā)現(xiàn)重啟現(xiàn)象后進行了西安地鐵二號線全線更新。截至2013年8月已連續(xù)運行8個月，遠大于前期連續(xù)運行時間，說明規(guī)約轉換器自動重啟故障已徹底解決。

3西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)網絡優(yōu)化建議

自2011年9月西安地鐵二號線開通試運營以來，電力監(jiān)控系統(tǒng)多次出現(xiàn)網絡通訊故障，例如規(guī)約轉換器自動重啟故障、遙信與現(xiàn)場不一致故障。不同的故障現(xiàn)象歸其基本原因均為網絡廣播大數(shù)據(jù)導致規(guī)約轉換器的CPU模塊任務數(shù)據(jù)無法正常收發(fā)。為避免類似故障再次發(fā)生對運營造成影響，經過長期研究討論，筆者認為可在站級管理層增添路由器，用于攔截網絡廣播，防止CPU模塊超負荷運行。此方案可凈化網絡環(huán)境，有效防止網絡故障，目前已應用于西安地鐵二號線會展中心主所，具體如圖1所示，主變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)通過相鄰近車站ISCS服務器接入ISCS。

圖1　改造前后主所網絡通訊設備方案

注：PSCADA為電力監(jiān)控系統(tǒng)；ISCS為綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

在原設計方案中，主所配置的兩臺規(guī)約轉換器各提供一路獨立以太網口通過光電轉換器與車站交換機相連，主所規(guī)約轉換器到車站ISCS交換機的網口，其IP地址與車站ISCS屬于同一網段。

為隔離主所規(guī)約轉換器與車站綜合監(jiān)控網絡廣播，新方案中，在兩臺規(guī)約轉換器與兩臺光電轉換器之間各增設一臺路由器。路由器車站側端口IP地址設為車站綜合監(jiān)控網段地址；路由器主所側端口IP地址設為非車站綜合監(jiān)控網段地址。相應地，與路由器相連的規(guī)約轉換器的網絡端口，其IP地址必須與路由器主所側端口IP地址設置于同一網段。

為盡可能減少對現(xiàn)有車站綜合監(jiān)控配置的改動，以免對系統(tǒng)運行造成影響，要求增加的路由器具有NAT(網絡地址轉換)功能。在本方案中，NAT的作用是將路由器主所側的規(guī)約轉換器虛擬成路由器車站側的設備，虛擬目標地址為規(guī)約轉換器原IP地址。這樣，對于車站ISCS而言，主所規(guī)約轉換器未發(fā)生任何變動，不需要增設網關等配置。

目前此方案已成功消除會展中心主所電力監(jiān)控網絡通訊故障，驗證了方案的可實施性，為西安地鐵二號線全線網絡通訊故障整治提供了實際依據(jù)。

4結語

隨著西安地鐵不斷建設發(fā)展，電力監(jiān)控系統(tǒng)作為地鐵運營核心專業(yè)，對其運行的可靠性、實時性要求不言而喻。目前，西安地鐵二號線運營工作不斷深入，專業(yè)技術人員對于電力監(jiān)控系統(tǒng)了解逐步加深，研討系統(tǒng)網絡結構將作為專業(yè)科研的一項重要課題，通過科研探討、指導系統(tǒng)維護，逐步實現(xiàn)由前期硬件維護向網絡運行環(huán)境維護的轉變，從而保障電力監(jiān)控系統(tǒng)能更加穩(wěn)定、優(yōu)質地運行。

[參考文獻]

[1]張偉峰.西安地鐵二號線RT21-SAS系統(tǒng)培訓資料[Z].