地鐵變電所綜合自動化系統冗余機制研究

陳洪茹 傅 強

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

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

1 PSCADA系統結構及冗余方案

1.1 PSCADA 系統結構

____目前，國內城市軌道交通PSCADA系統大多采用分層分布式結構，系統分散布置、集中管理。系統結構分為3層:站級管理層、網絡通信層、間隔設備層。站級管理層設備包括前端處理器(front end processor)、一體化監控計算機，網絡通信層設備包括交換機、光纖接口設備、通信線纜(光纖、雙絞線等)，間隔設備層是分散安裝于供電設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的結構。可以看出，為了提高系統可靠性，作為自動化系統核心的前端處理器(FEP)和以太網交換機均采用了冗余配置。下面對FEP與間隔層保護測控設備等智能電子設備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的結構

1.2 間隔層設備冗余分析

1.2.1 以太網接口的間隔層設備

目前在地鐵供電系統中，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的數據交換大多可以支持單網雙鏈路方式，即保護測控設備的以太網接口與自動化系統的一臺交換機相連，兩臺冗余的FEP可以同時與保護測控設備建立通信鏈路交換數據。因此，二者之間既可以通過FEP主備機冗余切換實現冷備方式，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據同步工作。

1.2.2 串行接口及現場總線間隔層設備

在地鐵變電所綜合自動化系統中，有部分間隔層設備(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場總線，其中應用較多的是采用RS485/422接口，通信協議包括IEC60870－5－103或Modbus－RTU等。對此類設備，任意時刻通信總線上只有一個主機(master)存在，其余設備均為從機(slave)，因此自動化系統的兩臺FEP 一般采用主-備冗余的方式來實現通信功能，即在任何時刻，FEP雙機中只有一臺處于激活的工作狀態(主機)，另一臺則處于待激活的工作狀態(備機)。FEP主機采集間隔層設備的數據信息，并通過FEP主備機間的數據交互進行數據同步及冗余切換。

1.3 冗余機制

變電所綜合自動化系統FEP冗余機制按數據采集和存儲的不同，可分為數據集中式冗余(以FEP整機為切換單位)和數據分布式冗余(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應用較多的冗余方式，實現機制簡單，雙機之間只需交互冗余狀態信息來實現主、備機切換，而不需實現雙機間實時數據的同步功能(見圖2)。但在此種方式下，一旦某一間隔層設備通信故障，將導致主備FEP切換，切換過程將產生短時的數據丟失;如果主備FEP接入設備均有不同種類的設備通信故障，則系統將缺失部分設備的監控數據。在此種方式下，系統的穩定性受間隔層設備的影響較大，給系統穩定運行造成不必要的波動。

圖2 典型ISCS與牽引供電系統變電站綜合自動化系統網絡結構

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據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，系統中的冗余狀態信息由集中式冗余時的一個狀態細分為每一個通信接口均有獨立的冗余狀態信息。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，即使發生交叉故障也不會導致數據丟失。同時，單個端口或設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，這無疑是保證系統連續穩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(如冗余狀態信息交互、實時數據及控制命令同步等)具有較高的復雜度和實現成本。

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系統間隔層以太網及串行接口設備的特點，采用分布式冗余方式是具有更高可靠性的選擇。但是在實際應用中，如何更好地發揮設備的功能，實時地反映冗余設備或端口的工作狀態，使故障能在第一時間反映給系統維護人員并得到及時解決，是確保系統中冗余設備發揮作用、提升系統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，很多間隔層設備可以提供以太網接口，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備建立通信鏈路。無論采用哪種工作方式，在PSCADA系統數據庫中，對于某一特定的間隔層設備，均會用一個數據點來表示其與PSCADA之間的通信工況。但是，對于FEP雙主機工作方式，顯然用一個數據點來表示的通信工況難以反映兩臺FEP與間隔層設備的真實通信狀態。例如，當兩臺FEP中的某接口任務至少在其中一臺處于正常工作狀態時，系統中該接口的各項功能仍為正常，此時如果另一臺FEP同一接口任務的軟件或硬件出現故障，則系統均無法給出告警信息，原冗余系統實際已降級為單機運行，大大降低了系統可靠性。

2)對本文2.2.2中分析的串行接口設備，由于物理層并發訪問的限制，兩臺FEP在分布式冗余機制下，其中一臺FEP的接口任務處于值班(on duty)狀態，另一臺為備用(standby)狀態。對于處于值班的接口任務，可以通過間隔層設備的通信工況來了解其工作狀態;但對于處于備用的接口任務，PSCADA系統通常沒有進行監視和檢查，因而也就無從判斷備用接口的軟硬件是否能正常工作，造成系統維護人員監視上的盲點。同時，在分布式冗余機制下，如果未將各接口任務的實際主備狀態信息實時傳送給相關的維護系統，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，以檢查和確認設備的完好性。顯然，這種做法不利于及時發現和消除故障隱患，不利于系統維護及穩定運行。

2.2 優化和改進的方法

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

2.2.1 運行狀態信息完善

1)對采用雙主機方式的接口模塊，PSCADA系統為每個間隔層設備分配兩個獨立的數據位，分別表示兩臺FEP各自與間隔層設備的通信工況。兩臺FEP以雙主機方式，將本機通信間隔層設備的工況相互發送給對方，這樣綜合監控系統(ISCS)可以從任一臺FEP上得到間隔層設備與兩臺FEP的通信情況。同時，在正常雙主機的工作情況下，兩臺FEP間不進行相關實時數據的同步。但是，當出現圖3所示的情況時，在FEP(A)機監視到FEP(B)機與間隔層通信故障后，FEP(A)可將本機實時數據中的相關部分同步到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據。

圖3 FEP雙主機工作方式

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

表1 串行接口主備工作狀態定義

通過對PSCADA系統中各接口任務運行狀態信息的增加和補充，使運行維護人員掌握的設備及接口狀態信息、系統自診斷類信息更加明確和完整，這樣就可以確保系統中存在的故障能在第一時間被發現并處理，增強了系統的可靠性和穩定性。同時，豐富而完整的運行狀態信息可以使ISCS擁有更多的冗余優先級判斷條件，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會周期性地互發設備運行狀態信息，包括“心跳”、“接口設備狀態信息”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，無法實現對備用串行接口的監視。因此，只有通過其接口物理層與備用接口進行數據交換，才可能獲得其接口軟硬件的實際運行狀態。目前，PSCADA系統與間隔層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的監控任務。如圖4所示，在原有設備的基礎上，無需增加額外硬件，只需在FEP的相關接口任務軟件中增加值班任務與備用任務間的周期性狀態查詢和響應，其數據流如圖5所示。

圖4 FEP串口任務備用接口監視及診斷

圖5 FEP串口主備任務數據流

當傳統方式FEP的串口任務處于值班時，只對間隔層IED進行查詢和控制，而備用任務一般處于總線監聽和空閑狀態。在本優化方法中，值班任務將備用任務作為一個特殊的從機(slave)進行周期性的狀態查詢，備用任務則及時響應來自主機(master)的查詢命令，這樣值班任務就可以及時更新本接口的運行狀態信息，方便系統維護人員在第一時間診斷出系統中存在的故障和隱患，提升系統的可靠性。

3 結語

目前，FEP的冗余配置已在國內地鐵PSCADA系統中廣泛應用，但是系統冗余功能的實現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。筆者結合PSCADA系統的典型結構和冗余特性，分析了不同冗余方案的功能與特點，提出了存在的問題，并給出了優化和改進的方法。在北京地鐵9號線PSCADA系統的冗余設計中，參考了本研究所提出的優化方法，對運行狀態信息和備用接口監視功能進行了增加和完善，取得了初步的成果。

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