城市軌道交通電力監控控制中心系統設計研究

　　摘　要　針對城市軌道交通自動化技術的快速發展, 提出了電力監控控制中心系統應考慮的設計與技術問題, 旨在保證系統健壯性及應用開放性。
關鍵詞　城市軌道交通,供電系統,電力監控,控制中心系統,監控和數據采集
電力監控系統完成對城市軌道交通全線各種變電所、接觸網設備運行的遠程實時控制、監視及測量,處理供變電系統的各種事故及報警事件,實現供變電系統的運行、維修調度管理自動化,提高供電質量,保證供電系統安全、可靠。
在軌道交通電力監控系統整體網絡拓撲結構中,控制中心監控系統是數據采集、數據處理、數據管理、數據存儲、數據共享、數據分析與系統實時控制的核心節點。控制中心監控系統通過通信通道與變電所綜合自動化系統進行信息交換,變電所綜合自動化系統通過所內通信網與所內各智能化電氣裝置( IED) 通信。因此控制中心監控系統設計的可用性、健壯性、開放性、拓廣性與可維護性極為關鍵。本文通過一個設計方案論述了部分設計思想與技術要素。
1 　系統設計準則
(1) 開放性設計原則
從今后軌道交通企業信息網發展的全局考慮, 控制中心監控系統位于承上啟下的中間環節。為此,系統設計應充分考慮其應用擴展性及與其它系統的互連性。開放性設計是關鍵要素,要應用成熟的國際與工業標準。在系統構成上,采用并設計開放式的系統支撐平臺結構與應用平臺結構。兩平臺應為分離架構。
(2) 分布式系統原則
按照不同的功能要求,將不同的應用及其數據駐留于空間上分布于不同位置的工作站節點。按功能進程分劃,將處理能力分布到所需之處,包括硬件/ 軟件/ 功能/ 處理/ 數據的分布等。網上客戶/ 服務器分布式模式是一種優化模式,提供了所必需的靈活性。它不僅僅是客戶/ 服務器在網上的物理連接與通信,而且其優化的核心在于應用程序、數據和處理任務按功能進程在網上分劃,并使故障清晰隔離;并以響應/ 請求的網絡通信模式構成分布技術支持,從而成為規模優化的性價比高的構架方案。
(3) 網絡互連原則
以工業標準為標志,如TCP/ IP 網絡協議、U2 N IX 等操作系統和迅速發展的全球Internet 網,形成軌道交通監控系統有效集成,從而可使各個分布網絡數據共享。從總體應用及網絡拓撲意義上講, 這些分布系統的綜合將更為有效地保證軌道交通各監控系統運行,減少系統集成的復雜性及高成本,使數據共享的意義大為增值。
2 　系統結構
基于以上原則所設計的一個軌道交通的電力監控和數據采集系統(SCADA) 整體網絡拓撲結構如圖1 所示。控制中心與被控站之間采用通信系統專用透明以太網絡通信通道。控制中心監控系統利用兩個標準的獨立網絡端口與各變電所自動化系統之間構成共享總線式以太網結構形式。
系統集成架構應基于系統不同的應用層次綜合考慮不同節點的配置。如核心與骨干計算機節點可采用64 位RISC Unix 服務器。其中數據庫服務器采用部門級服務器和共享磁盤陣列方案,數據庫平臺采用主流的標準關系型商用數據庫管理系統,從而提高系統可用性與可靠性指標。
由于以太網使用基于競爭的介質訪問機制,應考慮通過網絡分層及分段來分割沖突域。應注意的是,為減少網流負荷、提高網絡性能所建立的網絡互連構件應以交換機為主,以區別采用路由分段2003 年
的不同。局域網(LAN) 交換機可用于對多個同/ 異類LAN 的分段。如同類交換機透明地將一個單一LAN 分成多段,每段代表一個獨立的不連續單元,成多個相對獨立的客戶/ 服務器族。每一族中客戶與服務器等同地位于同一交換機上,從而平滑網絡結構。

圖1 　電力監控系統結構圖
　　系統整體結構均采用客戶/ 服務器模式,將實時數據處理工作分配給SCADA 服務器端。而將人機界面部分集中至客戶端,實現信息資源的高度共享,提高系統整體性能。此外,這種分布式結構使得系統的配置(硬件與任務) 靈活,系統擴充和升級方便;同時,開放式系統設計可保證系統資源得到充分共享。
控制中心監控系統主要包括冗余SCADA 服務器、冗余數據庫服務器、操作員工作站、統計報表工作站、維護工作站、網關等主要節點。其中冗余數據庫服務器采用共享磁盤陣列實現數據高度一致共享,采用RA ID5 邏輯磁盤組實現磁盤冗余備份。系統采有冗余100 Mbit 以太網雙網體系結構,網絡通信協議為TCP/ IP 。正常情況下,兩個LAN 網同時工作,傳送不同的系統信息。當其中一個網絡發生異常或故障時,系統自動將全部需傳送的信息切換到另一個網絡上。
SCADA 服務器利用隔離的數據采集網,接收被控站通過通信系統專用透明以太網絡通道上傳的生數據,將其處理成熟數據后,從網絡服務器后端的雙網提供給全系統其它節點機使用。
位于停車場的供電復示系統,通過通信系統提供的透明以太網通道與控制中心監控系統通信。供電復示系統利用網絡服務器作為路由,從采集網經由網絡服務器享受后端主網的數據服務。
3 　軟件設計
控制中心系統軟件設計應根據城市軌道交通被控單元分布特性,以及集中控制與分布控制相結合的應用特點來考慮。在此僅列舉某些要素。
基于開放式支撐平臺,并采用面向對象技術的分組分層分塊式,中間層為構件塊的軟件體系結構(如圖2 所示) 。此分層平臺體系設計旨在保證平臺的中性結構,支持應用層面上多樣性的各應用系統。
系統中的所有軟件功能,如應用程序、數據處理與通信任務等按功能進程都基于客戶/ 服務器結構在網上相對分劃,分布于整個網絡中。網絡中任何一節點都可在線同時訪問到系統中的所有功能, 實現完全意義上的功能分布。
跨平臺的電力監控自動化一體化解決方案中, 如設計一個可視化及圖形用戶接口( GU I) 子平臺, 一次性GU I 設計及繪圖,多平臺(各種Unix 、Win2 dows 、Web 瀏覽器) 調用,可實現可視化效果的一致性、調圖實時性及良好的可維護性。

圖2 　控制中心系統軟件層次結構
采用商用數據庫和實時數據庫相結合的數據庫系統,可同時滿足對數據的可靠性管理和電力監控系統對數據實時性的要求。商用關系型數據庫具備開放的國際標準數據庫語言訪問接口,方便與外系統的互聯和數據共享。客戶/ 服務器分布式處理及訪問模式,數據源統一,從根本上保證數據的一致性。完善的觸發器處理機制,可保證相關數據的一致性、完整性。所設計的實時數據庫與描述參數庫有完備的映射關系。更改描述庫內容時,自動更新實時庫,保證一致性。應采用“軟總線”應用程序訪問接口,支持各種實時應用。系統應支持不同類型的實時數據庫或者同一實時數據庫的備份,分布在不同的網絡節點上。分布式實時數據庫應設定主值數據庫(參考庫) 、數據庫的備份(用于冗余服務器) 和鏡像(用于客戶端) 。同一數據庫的不同鏡像的數據要保證一致性。一幅畫面上的動態數據可取自不同數據庫節點。
網絡上任何節點對服務器的寫訪問,均由分布式數據庫透明訪問機制導向主備雙服務器。對服務器的讀訪問,均由分布式數據庫透明訪問機制導向主服務器。簡言之,全網均使用主服務器處理的結果為唯一數據源;備份服務器的數據庫僅供熱備用,不提供使用。鏡像庫結點不處理,完全依照主服務器的實時庫進行可靠同步。
提供針對高實時性應用及突發性數據需專門開發瞬時同步大批量存儲技術,使得本來適用于信息事務處理的商用數據庫能夠高速而有效地存取實時系統的數據。
網關機配有WEB 實時畫面發布服務,以開放的方式向外系統提供最便利的anytime & any2 where 實時畫面瀏覽訪問及遠程系統維護支持,還可有效地支持大屏幕系統和信號系統的實時畫面瀏覽訪問。設計矢量畫面技術,保證WEB 畫面調用響應與常規監控界面接近。
4 　結語
本文涉及的城市軌道交通電力控制中心監控系統的設計與技術,僅為快速發展的計算機技術、網絡通信技術、數據庫管理技術以及相關設計要素中的幾項。從今后軌道交通企業網發展的全局考慮,一個電力監控系統的建設包含諸多相互關連的部門應用及設計屬性,例如電力監控系統所處企業網系統的位置、與環境及其它輔助監控系統的平臺一致性、網絡架構優化、系統安全性、數據優先性、傳輸系統開銷等。重要的是,應制訂一個適合的近、遠期發展體系結構,以保證系統構架的現實性、實用性、長遠性、經濟性,可拓性以及技術持續先進性的有機協調發展。

參　考　文　獻
1 　王明俊等. 面向對象設計的開放式能量管理系統. 北京:中國電力出版社,1997
2 　高鳴燕,陸文. 電力自動化與信息化系統的技術進展. 中國電力,1999 , (32) :11
3 　高鳴燕,陸文. 電網SCADA/ EMS/ DMS 平臺建設技術. 電力系統自動化,1999 , (23) :14