夏周勤

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 210008）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，綜合監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，變電所逐步趨于智能化、無人化管理，這一技術(shù)在給供電管理帶來便利的同時，也使得地鐵運營更加依賴于智能化系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。一旦SCADA 系統(tǒng)發(fā)生故障，電調(diào)將無法對全線變電所設(shè)備進行遠程監(jiān)視與控制，地鐵供電也將存在安全隱患，因此，加強SCADA 系統(tǒng)設(shè)備維護與管理、保證其整體運行穩(wěn)定在地鐵安全運營中具有重要意義。

1 SCADA 系統(tǒng)概述

SCADA 系統(tǒng)[1]在電力系統(tǒng)中又稱電力監(jiān)控系統(tǒng)，是地鐵供電中的重要組成部分，在安全供電中占據(jù)重要地位。電力監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，負責現(xiàn)場運行的供變電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視與控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等功能[2]。

SCADA 系統(tǒng)主要由控制中心調(diào)度系統(tǒng)、牽引降壓混合/降壓/主變電所綜合自動化系統(tǒng)及通信通道構(gòu)成?？刂浦行恼{(diào)度系統(tǒng)通過通信環(huán)網(wǎng)與變電所綜合自動化系統(tǒng)互聯(lián)。電力調(diào)度人員通過調(diào)度中心工作站的電力監(jiān)控平臺軟件，對全線變電所現(xiàn)場運行的高壓供變電設(shè)備及接觸網(wǎng)電動隔離開關(guān)實時遠程統(tǒng)一監(jiān)視和控制，確保供電安全。為確?？刂频目煽繉崿F(xiàn)，地鐵SCADA 系統(tǒng)采用遠程控制、所內(nèi)盤上集中控制、設(shè)備本體控制3 級控制方式，3 種控制方式相互閉鎖。根據(jù)故障影響的范圍，SCADA 系統(tǒng)故障可分為兩級，中心級系統(tǒng)故障和站級系統(tǒng)故障。

2 中心級故障及其處理措施

中心級故障在地鐵運營中屬于嚴重事故，將影響電調(diào)進行全線電力監(jiān)控。以南京地鐵3 號線為例，SCADA 中心調(diào)度系統(tǒng)主要由系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)、2 套系統(tǒng)服務(wù)器、2 套前置服務(wù)器、操作員工作站等構(gòu)成。中心電力監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示，同時系統(tǒng)配有一套UPS 不間斷電源設(shè)備，保障電力供應(yīng)。中心機房局域網(wǎng)絡(luò)采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，互為備用。正常狀態(tài)下雙網(wǎng)同時運行，可自由切換；當任一網(wǎng)絡(luò)故障時，系統(tǒng)軟件發(fā)出報警信息，并由非故障網(wǎng)絡(luò)承擔全部的數(shù)據(jù)傳輸，以保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。服務(wù)器用于整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的后臺處理、歷史數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、節(jié)點資源分配等工作，當一套服務(wù)器故障時，系統(tǒng)應(yīng)自動切換到另一套服務(wù)器上。

圖1 電力監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

中心級系統(tǒng)故障根據(jù)功能可大致分為以太網(wǎng)設(shè)備故障、服務(wù)器故障和UPS 電源組故障。

2.1 以太網(wǎng)故障

當SCADA 系統(tǒng)軟件后臺提示全線主網(wǎng)或備網(wǎng)通信中斷時，可推測中心機房以太網(wǎng)故障，需立即到機房查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括組網(wǎng)交換機、網(wǎng)線、光纖跳線等，一般來說長期運行后中心級組網(wǎng)交換機損壞以及RJ45 接口、光口松動的可能性較高，平時需要加強對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備柜中主備網(wǎng)運行指示燈的巡視，檢查連接是否松動。

2.2 服務(wù)器故障

由于服務(wù)器處于全年24 h 不間斷運行，負載量較大，使用一定年限后，可能出現(xiàn)一些問題，當系統(tǒng)后臺提示某臺服務(wù)器失步時判斷為服務(wù)器故障。一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，根據(jù)不同狀態(tài)，需要采取不同措施。

（1）服務(wù)器硬件是否停機。如果發(fā)現(xiàn)服務(wù)器運行指示燈不亮、風機停止轉(zhuǎn)動，首先檢查服務(wù)器供電回路、相關(guān)連接線、供電電壓是否正常，排除外部電源問題。如果外部電源正常，需聯(lián)系廠家返廠維修。

（2）服務(wù)器硬件運行正常，系統(tǒng)軟件運行不正常。這種情況一般為服務(wù)器宕機，常見的服務(wù)器宕機原因有運行環(huán)境問題和服務(wù)器性能問題，發(fā)現(xiàn)服務(wù)器宕機后，要判斷其原因是否為系統(tǒng)功能模塊進程掛死；是否為啟動程序問題；是否為外部攻擊導致；是否為工作人員誤操作問題。服務(wù)器失步后，相關(guān)工作人員可先通過指令檢查服務(wù)器進程，嘗試重新啟動服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件；近年來根據(jù)公安部要求，為保證SCADA 系統(tǒng)信息安全，免受外部病毒攻擊導致的通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓，依照網(wǎng)絡(luò)安全等級保護制度要求，公司每年定期為SCADA 系統(tǒng)組織等級保護測評工作，進行安全建設(shè)，同時對不合格項進行整改，并加裝了網(wǎng)絡(luò)安全保護設(shè)備。

此外，由于SCADA 系統(tǒng)建設(shè)初期服務(wù)器預(yù)留內(nèi)存不足，數(shù)據(jù)庫存儲空間無法滿足當前大量數(shù)據(jù)的需求，經(jīng)常出現(xiàn)歷史信息無法查詢、報表數(shù)據(jù)沒有上傳等情況，此時需要對服務(wù)器進行擴容處理，同時定期做好關(guān)鍵數(shù)據(jù)備份工作。

2.3 UPS 電源故障

控制中心SCADA 機房設(shè)置一套UPS 電源設(shè)備，為機房內(nèi)SCADA 設(shè)備提供UPS 電源，主要包括UPS 主機、蓄電池組、UPS配電柜（含進線雙電源切換裝置、輸入/輸出開關(guān)、監(jiān)控單元、蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)、通信裝置等）。UPS 電源故障通常為蓄電池組問題，蓄電池異常，機房服務(wù)器、交換機等設(shè)備的電力供應(yīng)將得不到保障，SCADA 系統(tǒng)也就無法運行。為保障電源供應(yīng)穩(wěn)定，維護人員需做好監(jiān)控單元報警信息、蓄電池運行狀態(tài)巡視工作，發(fā)現(xiàn)蓄電池漏液、鼓包等情況應(yīng)立即查出原因予以處理，同時定期對電池做容量考核試驗。

3 站級系統(tǒng)故障及其處理措施

變電所綜合自動化系統(tǒng)由控制信號盤、開關(guān)柜內(nèi)的微機綜合保護測控單元和變電所維護計算機及所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式，各微機綜合保護測控單元安裝于各開關(guān)柜內(nèi)，進行接口及規(guī)約的配合、轉(zhuǎn)換、組網(wǎng)后接入到通信處理設(shè)備即通信管理機，站級綜合自動化系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。站控主單元通過所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)對其進行監(jiān)視控制，實現(xiàn)變電所各種設(shè)備的控制、監(jiān)視、聯(lián)動、聯(lián)鎖、閉鎖功能，自動投切，電流、電壓、功率、電度采集功能。根據(jù)系統(tǒng)圖可以看出，造成站級系統(tǒng)故障的可以分為3 類，分別是網(wǎng)絡(luò)通道出現(xiàn)故障、控制信號屏設(shè)備故障以及設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元故障。

圖2 綜合自動化系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通道故障

3.1.1 光纖網(wǎng)故障

由于光纖網(wǎng)具有頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾性強、保真度高等優(yōu)點，地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)遠距離通信多為光纖網(wǎng)通信。光纖網(wǎng)絡(luò)主要由光電轉(zhuǎn)換器和光纖通道搭配組成，光電轉(zhuǎn)換器將以太網(wǎng)的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后利用光的全反射原理使其在光纖中傳播，光信號通過光纖后，再轉(zhuǎn)換成另一端工作設(shè)備需要的電信號。目前，地鐵供電中普遍使用的仍然是雙纖、雙向光纖收發(fā)器，需要一對光纖進行光信號的發(fā)送和接收。

因為光在光纖中為單向傳播，鏈路的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就可能導致通信中斷。如果光電轉(zhuǎn)換器只有光口指示燈不亮，基本可判定為光纖網(wǎng)故障，光纖網(wǎng)通信故障可能有以下3 個原因：①光電轉(zhuǎn)換器本體故障；②光纖鏈路沒有交叉鏈接；③光纜、尾纖通道有斷點或光衰過大。確認光纖網(wǎng)故障后，可先查驗光纖鏈路是否交叉連接，如果沒有則調(diào)換相應(yīng)光電轉(zhuǎn)換器TX/RX 光口的尾纖；如果光纖鏈路連接正常，可安排兩個工作人員在光纖通道的兩端，通過光筆或光功率計打光檢查光纖是否存在光衰或斷點，如果光衰過大應(yīng)立即更換，如果光纖通道正常，則多為光電轉(zhuǎn)換器損壞，應(yīng)更換光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器故障是日常工作中最常見的故障，需注意的是更換的新光電轉(zhuǎn)換器需要滿足現(xiàn)場光信號波長、電源規(guī)格以及單模、多模等需求。

3.1.2 銅線網(wǎng)故障

銅線網(wǎng)是利用通信電纜來完成電信號傳輸?shù)模罔FSCADA系統(tǒng)使用的主要包括兩種：網(wǎng)線以及RS485 通信線。日常工作中銅線網(wǎng)常出現(xiàn)的通信故障原因有以下3 種：①RJ45 接口或RS485 串口接口松動，電信號接觸不良導致通信中斷；②網(wǎng)線水晶接頭壓制不好；③開關(guān)柜內(nèi)RS485 通信電纜接線錯。當遇到銅線網(wǎng)故障時，應(yīng)當首先查看接線是否松動，如果松動需要進行緊線或者更換插口；對于網(wǎng)線段可以利用同網(wǎng)段計算機ping 上層或下層設(shè)備對應(yīng)的IP 地址測試通道回路是否正常，找出故障段進行更換；對于RS485 通信電纜可以利用多用表歐姆檔測試各回路段通斷或者測量線路電壓是否正常，縮小排查范圍，找出故障點。

3.2 控制信號屏設(shè)備故障

控制信號屏主要包括通信管理機、測控裝置、光電交換機及電腦一體機等。如果出現(xiàn)整個車站與控制中心通信的故障，且保證控制中心系統(tǒng)正常的條件下，可以初步判定是通信管理機的故障或到通信環(huán)網(wǎng)的傳輸通道故障，然后可根據(jù)設(shè)備運行指示燈進行下一步判斷。

通信管理機是A、B 機一體結(jié)構(gòu)，互為備用，通過以太網(wǎng)將變電所內(nèi)的所有35 kV、1500 V、400 V、變壓器、整流器等設(shè)備連接起來，實現(xiàn)對上述設(shè)備的遙控、遙測、遙信、遙調(diào)、SOE 等功能。所有站的通信管理機都接入到通信環(huán)網(wǎng)，使得操作員在中心工作站能夠?qū)λ姓炯壴O(shè)備實現(xiàn)集中遙控，變電所內(nèi)網(wǎng)絡(luò)底層通信協(xié)議為TCP/IP，通信管理機接到通信環(huán)網(wǎng)的LAN 口具備一個唯一的IP 地址和相同的子網(wǎng)掩碼，使得全線所有的通信設(shè)備能夠同時在線工作。如果通信管理機A 機或B 機運行指示燈異常，工作人員可以首先查看通信管理機異常部分LAN 口IP 地址設(shè)置是否正確，再排查硬件故障，硬件故障常見為通信管理機的CPU 插板損壞，更換CPU 板后需要對IP 地址和子網(wǎng)掩碼進行重新設(shè)置，實現(xiàn)與中心的通信。

若通信管理機正常而光電交換機指示燈異常，可用筆記本電腦接入網(wǎng)絡(luò)通道檢查通道工作狀態(tài)，如果是光電交換機故障，則需要更換備件。

3.3 設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元故障

設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元安裝于開關(guān)柜內(nèi)，用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)采集和通信規(guī)約轉(zhuǎn)換。如果系統(tǒng)后臺出現(xiàn)某區(qū)域通信故障，可判斷故障位于該區(qū)域設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元。

3 號線400 V、1500 V 開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置MOXA 5430I 串口服務(wù)器將開關(guān)柜內(nèi)的所有設(shè)備接入以太網(wǎng)，串口服務(wù)器將現(xiàn)場總線的RS485 串口轉(zhuǎn)換為TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口，再通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號后通過地下光纜連接到控制室通信管理機上，實現(xiàn)站級綜合自動化系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的統(tǒng)一遙控。串口服務(wù)器需要對其各串口的波特率、接口標準、端口號等參數(shù)進行簡單設(shè)置。如果在后臺發(fā)現(xiàn)單獨某一端口通信出現(xiàn)問題，工作人員首先可以考慮是否該端口參數(shù)設(shè)置錯誤，排除參數(shù)設(shè)置錯誤后，再利用控制變量法調(diào)換端口RS485 接線端子，確認是否串口服務(wù)器端口本身故障，若是串口服務(wù)器故障，需立即更換備件。

4 結(jié)束語

通過對地鐵3 號線SCADA 系統(tǒng)故障的統(tǒng)計分析，梳理一些日常維護過程中常見的故障，對其原因進行分析，給出常見故障的處理方法，為此后優(yōu)化相關(guān)設(shè)備提供參考。實際設(shè)備管理和維護過程中，應(yīng)結(jié)合設(shè)備圖紙以及現(xiàn)場實際故障現(xiàn)象，分析具體故障原因，做出相應(yīng)處理措施，保障地鐵安全運營。