鄭 聰 程 暢

(1. 寶信軟件(成都)有限公司， 610093， 成都； 2. 上海寶信軟件股份有限公司， 201203， 上海∥第一作者， 助理工程師)

電力監(jiān)控(PSCADA)系統(tǒng)是保證城市軌道交通線路安全、有序運(yùn)營的重要系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)具備對全線供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的功能，通過采集、分析、整理各變電所內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)，使得供電系統(tǒng)調(diào)度人員能夠?qū)崟r(shí)、有效地掌握全線的供電情況，并為全線供電系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)維提供真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

在云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G(第5代移動通信技術(shù))、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)[1]快速發(fā)展的環(huán)境下，智慧城市軌道交通(以下簡稱“智慧城軌”)建設(shè)將得以蓬勃發(fā)展，這對PSCADA系統(tǒng)的性能及其功能應(yīng)用的要求也將越來越高。目前，PSCADA系統(tǒng)有獨(dú)立組網(wǎng)方案和集成方案兩種主流技術(shù)方案，本文重點(diǎn)在數(shù)據(jù)流程、系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面對這兩種方案進(jìn)行對比分析。

1 PSCADA系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)與集成方案概述

1.1 PSCADA系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)方案

PSCADA系統(tǒng)的獨(dú)立組網(wǎng)方案是指PSCADA系統(tǒng)所涉及的變電所綜合自動化系統(tǒng)與電力調(diào)度系統(tǒng)之間使用一套專用的數(shù)據(jù)網(wǎng)，PSCADA系統(tǒng)獨(dú)占使用。獨(dú)立組網(wǎng)方案的數(shù)據(jù)流程如圖1所示，各車站變電所的電力數(shù)據(jù)經(jīng)變電所綜合自動化系統(tǒng)設(shè)備(以下簡稱“綜自設(shè)備”)進(jìn)行采集并整合后，通過變電所交換機(jī)、車站交換機(jī)、中央交換機(jī)經(jīng)環(huán)網(wǎng)傳送到中央前置服務(wù)器，再經(jīng)中央前置服務(wù)器分別傳送至中央系統(tǒng)服務(wù)器、中央接口服務(wù)器。其中：中央工作站獲取中央系統(tǒng)服務(wù)器的電力數(shù)據(jù)，供調(diào)度人員使用；電力數(shù)據(jù)通過中央接口服務(wù)器與信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等外部接口系統(tǒng)對接，提供外部接口系統(tǒng)所需的供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

注：除變電所設(shè)備和工作站外，其余各層級的設(shè)備均有主、備2套冗余；箭頭表示數(shù)據(jù)流的方向。圖1 PSCADA系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)方案的數(shù)據(jù)流程Fig.1 Data flow path of PSCADA system independent networking scheme

1.2 PSCADA系統(tǒng)集成方案

PSCADA系統(tǒng)的集成方案是指PSCADA系統(tǒng)不建立專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，而是復(fù)用ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))的數(shù)據(jù)網(wǎng)。在集成系統(tǒng)方案中，PSCADA系統(tǒng)作為ISCS的一個(gè)子系統(tǒng)，用以對城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，PSCADA系統(tǒng)深度集成于ISCS。因此，本文以ISCS作為PSCADA系統(tǒng)集成方案的一種應(yīng)用體現(xiàn)。PSCADA系統(tǒng)集成方案的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

注：除變電所設(shè)備和工作站外，其余各層級的設(shè)備均有主、備2套冗余；箭頭表示數(shù)據(jù)流的方向；FAS——火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；BAS——環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；TFDS——隧道火災(zāi)探測系統(tǒng)。圖2 PSCADA系統(tǒng)集成方案的數(shù)據(jù)流程Fig.2 Data flow path of PSCADA system integrated scheme

電力數(shù)據(jù)和其他專業(yè)的數(shù)據(jù)由各自系統(tǒng)交換機(jī)經(jīng)車站ISCS交換機(jī)傳送至車站的ISCS服務(wù)器。車站ISCS服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，一方面將數(shù)據(jù)發(fā)送至車站工作站，另一方面通過車站交換機(jī)經(jīng)ISCS主干環(huán)網(wǎng)送達(dá)中央交換機(jī)，最終由中央交換機(jī)把電力數(shù)據(jù)傳送至ISCS中央服務(wù)器。ISCS中央工作站從ISCS中央服務(wù)器獲取各站的數(shù)據(jù)信息，供調(diào)度人員使用。

2 獨(dú)立組網(wǎng)與集成方案綜合對比

PSCADA系統(tǒng)的獨(dú)立組網(wǎng)方案和集成方案均可實(shí)現(xiàn)PSCADA系統(tǒng)的自身業(yè)務(wù)功能，運(yùn)營調(diào)度人員可通過這兩種方案分別對應(yīng)的系統(tǒng)平臺對供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。為了進(jìn)一步闡述這兩種方案的特性，本文將從以下5個(gè)方面對這兩個(gè)方案進(jìn)行對比分析。

2.1 數(shù)據(jù)應(yīng)用對比分析

2.1.1 單專業(yè)數(shù)據(jù)量對比分析

2.1.1.1 獨(dú)立組網(wǎng)方案的單專業(yè)數(shù)據(jù)量

采用獨(dú)立組網(wǎng)方案時(shí)，所有電力數(shù)據(jù)均集中在中央服務(wù)器。中央服務(wù)器的單個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)量與該城市軌道交通線路的車站數(shù)量成正比，車站數(shù)量越多，中央服務(wù)器的電力數(shù)據(jù)量也越多。這對整個(gè)中央服務(wù)器的系統(tǒng)性能要求非常高，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與解析的要求也很高。為了盡量滿足中央服務(wù)器所需的性能要求，目前一般采用的對策為：采購高配置服務(wù)器，并通過虛擬機(jī)技術(shù)[2]、負(fù)載均衡技術(shù)[3]來分?jǐn)倝毫Α?/p>

數(shù)據(jù)高度集中于中央服務(wù)器是獨(dú)立組網(wǎng)方案的特點(diǎn)，也是該方案的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。應(yīng)用于獨(dú)立組網(wǎng)方案的交換機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備，均需采用具備高實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性和高可靠性的工業(yè)級設(shè)備。此外，通過采用虛擬機(jī)技術(shù)和負(fù)載均衡技術(shù)，一方面用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及服務(wù)器的帶寬，增加系統(tǒng)的吞吐量，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理能力；另一方面用于分?jǐn)偧性谝黄鸬碾娏?shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和數(shù)據(jù)處理性能。

2.1.1.2 集成方案的單專業(yè)數(shù)據(jù)量

集成方案以車站為單位分布式處理電力數(shù)據(jù)，車站服務(wù)器只采集該站的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)。盡管車站服務(wù)器也集成了多個(gè)專業(yè)的數(shù)據(jù)，但相較于獨(dú)立組網(wǎng)方案，集成方案下的車站服務(wù)器所面對的單個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)量級要小得多。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用對比

2.1.2.1 獨(dú)立組網(wǎng)方案的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

獨(dú)立組網(wǎng)方案不僅具有供電系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能，還能對采集得到的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。例如，可對電力故障報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分類與分析，自動生成報(bào)警分析報(bào)告；通過采集得到的設(shè)備本體定額數(shù)值來計(jì)算設(shè)備的告警限值，并向調(diào)度人員提供正常數(shù)值范圍，供調(diào)度人員進(jìn)行故障處理時(shí)參考。但對于包含多個(gè)設(shè)備專業(yè)的城市軌道交通系統(tǒng)而言，獨(dú)立組網(wǎng)方案只包含供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析結(jié)果，輔助調(diào)度人員作出決策所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)過于單一。

2.1.2.2 集成方案的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

如圖2中所示，ISCS中央服務(wù)器根據(jù)需求可采集各站各專業(yè)數(shù)據(jù)。在集成方案下，這些數(shù)據(jù)將得到更好的應(yīng)用。例如，對設(shè)備故障報(bào)警問題可結(jié)合供電、AFC(自動售檢票)、BAS、FAS等集成專業(yè)進(jìn)行更全面的分析，得出的分析報(bào)告將更為可靠，可為調(diào)度人員決策提供更為準(zhǔn)確的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。除了故障報(bào)警分析外，數(shù)據(jù)報(bào)表、設(shè)備檢測預(yù)警、潮流計(jì)算、雪崩解決方案等也是數(shù)據(jù)綜合分析與應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的方向，集成方案均能滿足這些方面的數(shù)據(jù)處理需求。由此可見，相比獨(dú)立組網(wǎng)方案，集成方案在數(shù)據(jù)分析應(yīng)用方面的功能更為全面。

2.2 數(shù)據(jù)流程對比分析

采用獨(dú)立組網(wǎng)方案時(shí)，電力系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)均匯聚于中央前置服務(wù)器，這不僅增加了數(shù)據(jù)處理的難度，也加大了發(fā)生單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。若中央前置服務(wù)器發(fā)生故障，將導(dǎo)致中央系統(tǒng)服務(wù)器和中央接口服務(wù)器的電力數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，這可能會導(dǎo)致調(diào)度工作站無法監(jiān)控全線的電力設(shè)備，還會使外部接口系統(tǒng)無法獲取所需的電力數(shù)據(jù)，進(jìn)而擴(kuò)大故障的影響范圍。

集成方案下，各車站的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)以車站為單位，采用分布式處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。若某車站服務(wù)器發(fā)生故障，在中央服務(wù)器和中央工作站的實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)中只有該站的數(shù)據(jù)存在問題，不影響其他車站電力數(shù)據(jù)的正常傳送，也不影響調(diào)度人員對其他車站進(jìn)行正常的監(jiān)控。反之，當(dāng)中央服務(wù)器或中央工作站出現(xiàn)故障而失去監(jiān)控能力時(shí)，可降級為由車站接管監(jiān)控。分布式數(shù)據(jù)處理方式可在一定程度上降低處理電力數(shù)據(jù)的壓力，降低服務(wù)器故障所帶來的影響，在運(yùn)營過程中對故障的應(yīng)急處理更為靈活，在整體上提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 建設(shè)成本對比分析

PSCADA系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng)與集成兩種方案在建設(shè)成本中的主要區(qū)別體現(xiàn)在系統(tǒng)平臺的搭建及接口調(diào)試兩個(gè)方面。

2.3.1 獨(dú)立組網(wǎng)方案平臺的搭建及接口調(diào)試

采用獨(dú)立組網(wǎng)方案時(shí)，電力數(shù)據(jù)從變電所到中央工作站經(jīng)由單獨(dú)的通道進(jìn)行傳輸。獨(dú)立組網(wǎng)方案下的PSCADA系統(tǒng)除了變電所內(nèi)的綜自設(shè)備系統(tǒng)和交換機(jī)外，至少還需采購2臺前置中央服務(wù)器、2臺中央系統(tǒng)服務(wù)器、2臺中央接口服務(wù)器、2臺中央交換機(jī)、1臺中央維護(hù)工作站和1臺電調(diào)工作站。

從PSCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度分析，如需將ISCS作為PSCADA系統(tǒng)的備用監(jiān)控平臺，則PSCADA系統(tǒng)在中央接口聯(lián)調(diào)過程中至少有兩個(gè)接口調(diào)試環(huán)節(jié)；此外，在ISCS作為PSCADA系統(tǒng)備用監(jiān)控平臺的情況下，運(yùn)營控制中心會有兩個(gè)具備電力監(jiān)控功能的平臺，無論是在城市軌道交通線路的試運(yùn)行階段還是運(yùn)營開通后的維護(hù)階段，都需要投入一定的人力與物力。

2.3.2 集成方案平臺的搭建及接口調(diào)試

采用集成方案時(shí)，所有專業(yè)數(shù)據(jù)均從車站服務(wù)器經(jīng)由主干網(wǎng)傳輸?shù)街醒牍ぷ髡?，即使PSCADA系統(tǒng)沒有集成到ISCS中，ISCS的數(shù)據(jù)傳輸通道依然是存在的。所以，集成方案下的PSCADA系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)僅需通過變電所內(nèi)綜自設(shè)備及交換機(jī)即可抵達(dá)車站服務(wù)器，進(jìn)而通過ISCS已有的數(shù)據(jù)傳輸通道最終抵達(dá)中央工作站。相比獨(dú)立組網(wǎng)方案，集成方案至少可以節(jié)省2臺前置中央服務(wù)器、2臺中央系統(tǒng)服務(wù)器、1臺中央維護(hù)工作站和2臺中央交換機(jī)。

與獨(dú)立組網(wǎng)方案下ISCS作為PSCADA系統(tǒng)備用監(jiān)控平臺所需的接口調(diào)試相比，集成方案下可減少一個(gè)接口調(diào)試環(huán)節(jié)，同時(shí)可將電力監(jiān)控的所有功能集成于一個(gè)平臺上。由此可知，相較于獨(dú)立組網(wǎng)方案，集成方案所投入的成本更低。

2.4 系統(tǒng)功能應(yīng)用對比分析

目前城市軌道交通調(diào)度對于PSCADA系統(tǒng)功能的需求主要分為車站級需求和中央級需求，其中：車站級的需求主要包括遙控、遙測、遙信、遙調(diào)等方面；中央級的需求主要體現(xiàn)在設(shè)備程控方面。無論是獨(dú)立組網(wǎng)方案還是集成方案，PSCADA系統(tǒng)均能滿足上述功能需求。在此基礎(chǔ)上，本文對兩種方案在調(diào)度的實(shí)際使用方面進(jìn)行進(jìn)一步的分析對比。

2.4.1 獨(dú)立組網(wǎng)方案監(jiān)控平臺的功能應(yīng)用

對于大部分城市軌道交通的調(diào)度人員，其關(guān)注的內(nèi)容不再局限于城市軌道交通某個(gè)專業(yè)設(shè)備，而是要盡可能地對城市軌道交通系統(tǒng)所有的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、全方位的監(jiān)控。但獨(dú)立組網(wǎng)方案僅能在該監(jiān)控平臺上為調(diào)度人員提供對供電系統(tǒng)的監(jiān)控，調(diào)度人員無法在關(guān)注供電系統(tǒng)的同時(shí)關(guān)注其他設(shè)備系統(tǒng)，也無法在關(guān)注其他專業(yè)設(shè)備的同時(shí)關(guān)注供電系統(tǒng)。由此可見，獨(dú)立組網(wǎng)方案只能滿足調(diào)度人員日常使用的部分需求。

2.4.2 集成方案監(jiān)控平臺的功能應(yīng)用

在集成方案下，調(diào)度人員通過系統(tǒng)集成平臺不僅能監(jiān)控城市軌道交通供電設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，同時(shí)還能監(jiān)控其他專業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。相較于獨(dú)立組網(wǎng)方案，集成方案具備多專業(yè)設(shè)備監(jiān)控的功能，更符合調(diào)度人員的實(shí)際使用需求。

2.5 運(yùn)維對比分析

隨著城市軌道交通線網(wǎng)的快速發(fā)展，城市軌道交通的線路數(shù)、站點(diǎn)數(shù)不斷增加，設(shè)備運(yùn)維的覆蓋面越來越大，隨之帶來的運(yùn)維壓力也越來越大。提升城市軌道交通設(shè)備的運(yùn)維效率、降低維護(hù)人員的作業(yè)強(qiáng)度、降低人工巡檢勞動強(qiáng)度[1]，以及對各線路資源實(shí)施精準(zhǔn)調(diào)度與協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，是當(dāng)前城市軌道交通運(yùn)維工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在集成方案下各專業(yè)數(shù)據(jù)匯聚于一個(gè)平臺，車站服務(wù)器囊括了該站所有的專業(yè)數(shù)據(jù)，中央服務(wù)器可通過中央交換機(jī)獲取各站服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)。集成系統(tǒng)的監(jiān)控平臺可滿足多樣化的功能需求，車站和運(yùn)營控制中心的集成監(jiān)控平臺均可根據(jù)運(yùn)維人員的需求對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與處理。例如，通過集成系統(tǒng)平臺可進(jìn)行數(shù)據(jù)建模分析，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修與遠(yuǎn)程巡檢功能，從而提高運(yùn)維的效率、降低人工巡檢的勞動強(qiáng)度。

總體而言，雖然獨(dú)立組網(wǎng)方案與集成方案都能滿足PSCADA系統(tǒng)日常的運(yùn)維需求，但綜合各專業(yè)的集成系統(tǒng)方案，對于城市軌道交通智能運(yùn)維發(fā)展更為有利。

3 結(jié)語

數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)集成、場景化應(yīng)用等均是智慧城軌的發(fā)展要求。對于整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)發(fā)展而言，多專業(yè)系統(tǒng)集成才是未來行業(yè)發(fā)展的方向，發(fā)展數(shù)據(jù)分析、功能應(yīng)用是PSCADA系統(tǒng)未來的方向。首先,PSCADA系統(tǒng)應(yīng)保證其穩(wěn)定性、安全性、可靠性及調(diào)度功能完備性。其次，PSCADA系統(tǒng)應(yīng)為集成平臺提供持續(xù)、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源，為系統(tǒng)高度集成、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)綜合分析與功能應(yīng)用的發(fā)展給予強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。