地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)特性分析

韓笑宓

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

電力綜合監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)稱SCADA系統(tǒng)，它以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，用于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備，使調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、控制設(shè)備、測(cè)量和調(diào)節(jié)參數(shù)及報(bào)警等功能的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。以下用系統(tǒng)的八大特性介紹該系統(tǒng)：

1 整體性

整體性要求系統(tǒng)由多個(gè)要素組成，各要素之間相互聯(lián)系，構(gòu)成有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果。

電力監(jiān)控中系統(tǒng)基本按照兩級(jí)管理（控制中心級(jí)和車站級(jí)），三級(jí)控制（控制中心級(jí)、車站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)）方式進(jìn)行使用和管理，他們之間既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立。

控制中心級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)全線重要監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)、性能信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集和處理，通過(guò)各種調(diào)度員工作站，將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字化和圖像化的形式顯示出來(lái)，供調(diào)度人員監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)地根據(jù)一定的邏輯關(guān)系向被監(jiān)控設(shè)備或系統(tǒng)傳達(dá)指示命令，從而完成對(duì)全線供電設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理。

車站級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集并處理所處車站供電設(shè)備的狀態(tài)、性能信息，當(dāng)控制中心級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)或通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，無(wú)法正常工作時(shí)，該系統(tǒng)可對(duì)車站范圍內(nèi)的供電設(shè)備進(jìn)行控制管理。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控設(shè)備設(shè)置在各個(gè)供電設(shè)備附近，和監(jiān)控系統(tǒng)的中心和車輛及均有通信接口，負(fù)責(zé)接口轉(zhuǎn)換，信息的采集、匯聚、傳送，命令的接收、執(zhí)行和反饋。

在系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，控制中心級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)和車站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)是信息收集、處理、分析與系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度管理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的接口設(shè)備。三者缺一不可，共同組成一個(gè)完整的電力監(jiān)控系統(tǒng)。

2 目的性

城市軌道交通系統(tǒng)是一種高密度、大運(yùn)量的交通系統(tǒng)，必須保證其高度的安全性和可靠性，而電力綜合監(jiān)控自動(dòng)化系統(tǒng)的目的則是為整個(gè)軌道交通的安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。

目的決定功能，城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)的“四遙”功能體現(xiàn)了它的目的性，即遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)。遙測(cè)指利用電子技術(shù)遠(yuǎn)方測(cè)量集中顯示諸如電流、電壓、功率、壓力、溫度等模擬量；遙信指遠(yuǎn)方監(jiān)視系統(tǒng)及設(shè)備的工作、運(yùn)行情況；遙控指遠(yuǎn)方控制或保護(hù)供電設(shè)備的分、合、起、停等工作狀態(tài)；遙調(diào)指遠(yuǎn)方設(shè)定及調(diào)整所控設(shè)備的工作參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)等。電力監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能，對(duì)城市軌道交通全線各類變配電所、接觸網(wǎng)等電力設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分層分布遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，從而達(dá)到保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行、提升供變配電系統(tǒng)調(diào)度、管理及維修的自動(dòng)化程度，提升供電質(zhì)量，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的目的。

3 相關(guān)性

現(xiàn)實(shí)世界是普遍聯(lián)系的，系統(tǒng)中相互關(guān)聯(lián)的各要素相互制約與相互影響，它們之間的相關(guān)性確定了系統(tǒng)特有的整體形態(tài)與功能。

城市軌道交通SCADA系統(tǒng)通常包括調(diào)度主站系統(tǒng)，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和通信專業(yè)提供的所間通信通道三部分。控制中心調(diào)度主站系統(tǒng)通過(guò)通信通道與變電所主控單元進(jìn)行信息交換；變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)所內(nèi)通信網(wǎng)與所內(nèi)IED裝置通信，通過(guò)通信通道與調(diào)度主站進(jìn)行通信，三者相互聯(lián)系，相互影響，共同決定了SCADA系統(tǒng)的整體形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。

4 動(dòng)態(tài)性

各種物質(zhì)的特性、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能及其規(guī)律都是通過(guò)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)的，要認(rèn)識(shí)系統(tǒng)必須研究系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。開(kāi)放系統(tǒng)與外界進(jìn)行物質(zhì)能量和信息的交換，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)也隨之不斷變化。

電力監(jiān)控系統(tǒng)的通道切換功能充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視通道運(yùn)行情況，能自動(dòng)依據(jù)通道運(yùn)行情況切換主、備通道，同時(shí)調(diào)度人員也可手動(dòng)切換。

5 適應(yīng)性

系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間通常都有物質(zhì)、能量和信息交換，環(huán)境的變化會(huì)引起系統(tǒng)特性的改變。因此，一般結(jié)構(gòu)良好的系統(tǒng)必須具有反饋系統(tǒng)、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以保持對(duì)客觀環(huán)境的適應(yīng)能力。

電力監(jiān)控系統(tǒng)的適應(yīng)性體現(xiàn)在：

（1）容錯(cuò)能力、自診斷、自恢復(fù)能力。它具備高度的容錯(cuò)功能，系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用冗余配置，軟件按照模塊化設(shè)計(jì)，不同的軟件模塊能配置到不同的節(jié)點(diǎn)上，并且可定義模塊在設(shè)備或軟件故障情況下的功能轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)“1+N”軟件容錯(cuò)功能，保證系統(tǒng)在硬件節(jié)點(diǎn)、軟件模塊等任意單一故障的情況下能不受影響而正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

（2）軟件在線編輯、改進(jìn)功能。系統(tǒng)軟件滿足開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)的要求，最大限度地保證在未來(lái)系統(tǒng)功能需求改變或增加的情況下，如硬件節(jié)點(diǎn)的增加、數(shù)據(jù)庫(kù)容量的擴(kuò)充、系統(tǒng)軟件功能的增強(qiáng)等，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)正向通信接口標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備間的互操作性增強(qiáng)化的方向發(fā)展。從目前地鐵建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，有效解決好各種設(shè)備間的接口通信是保證并提高地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行安全性的關(guān)鍵所在。由于各大傳統(tǒng)的間隔層電力設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)廠商幾乎都有適用于自家設(shè)備的通信協(xié)議，各種協(xié)議之間無(wú)法直接通信，因此只有要求各廠家采用開(kāi)放式的接口和通信協(xié)議，構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，才能從根本上解決接口問(wèn)題，適應(yīng)系統(tǒng)本身不斷變化的要求。

6 復(fù)雜性

現(xiàn)代系統(tǒng)的復(fù)雜性一般表現(xiàn)在多結(jié)構(gòu)、多目標(biāo)、多功能、多參數(shù)、多輸入、多變化。

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布的結(jié)構(gòu)體系，屬于大型復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)各站信息量大，包括遙測(cè)、遙信、遙控量，信息量的采集點(diǎn)分散，分布在沿線的各變電所，且數(shù)量眾多。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)和定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能、溫度、開(kāi)關(guān)位置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算生成新的直觀的數(shù)據(jù)信息再顯示（總系統(tǒng)功率、負(fù)荷最大值、功率因數(shù)上下限等），并在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)重要的信息量。另外，目前地鐵逐漸趨于網(wǎng)絡(luò)化，運(yùn)營(yíng)線路交叉，出現(xiàn)2條線路共用變電站的“共用點(diǎn)”情況及一條線電源來(lái)自另一條線路的變電站的“轉(zhuǎn)供電”情況，兩條線路的電力監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互和復(fù)用，一個(gè)變電站的穩(wěn)定運(yùn)行決定著至少兩條線路的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，加之電力監(jiān)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特性，使其成為復(fù)雜度極高的系統(tǒng)。

7 有序性

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和層次的動(dòng)態(tài)演變有某種方向性，體現(xiàn)了系統(tǒng)的有序性，系統(tǒng)的有序性可表述為系統(tǒng)是由較低級(jí)的子系統(tǒng)組成的，而該系統(tǒng)自己有是更大系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。

電力監(jiān)控系統(tǒng)與高壓供電系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明供電系統(tǒng)、以及綜合接地系統(tǒng)、供電系統(tǒng)運(yùn)行維修機(jī)構(gòu)共同組成供電系統(tǒng)。

高壓供電系統(tǒng)將電從發(fā)電廠經(jīng)升壓、高壓輸電網(wǎng)、區(qū)域輸電網(wǎng)、區(qū)域變電站至主降壓變電所；牽引供電系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為牽引列車組在軌道上運(yùn)行提供動(dòng)力；動(dòng)力照明供電系統(tǒng)提供車站和區(qū)間各類照明、扶梯、風(fēng)機(jī)、水泵等動(dòng)力機(jī)械等動(dòng)力機(jī)械設(shè)備電源和通信、信號(hào)、自動(dòng)化等設(shè)備電源；綜合接地系統(tǒng)在防雷電流、防雜散電流、工作接地等方面均起到重要作用，是地鐵工程人身安全、設(shè)備安全和運(yùn)營(yíng)可靠性的重要保證；電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中變電所和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度管理。各個(gè)子系統(tǒng)分工合作，協(xié)調(diào)配合，保證供電系統(tǒng)的有序進(jìn)行。

而電力監(jiān)控系統(tǒng)又由調(diào)度主站系統(tǒng)，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和所間通信通道三部分構(gòu)成。

調(diào)度主站系統(tǒng)主要由如下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)采集和SCADA服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，操作員工作站（OPU），WEB服務(wù)器等，它們通過(guò)以太網(wǎng)連接。其中：數(shù)據(jù)采集和SCADA服務(wù)器接收被控站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通道傳送的原始數(shù)據(jù)，將其處理成熟數(shù)據(jù)后，由SCADA服務(wù)器傳送給全系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)把系統(tǒng)的所有YC、YX、KWH、通道、廠站、接點(diǎn)的參數(shù)存儲(chǔ)到硬盤上。OPU為操作員提供全圖形操作人機(jī)界面，供調(diào)度員進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視。

變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由站控層，間隔層和所內(nèi)通信網(wǎng)三部分組成。不僅可以完成傳統(tǒng)的RTU功能，還可以實(shí)現(xiàn)變電所各個(gè)設(shè)備的電流、電壓、功率、電度采集和供電設(shè)備的監(jiān)視、控制、聯(lián)動(dòng)、聯(lián)鎖、閉鎖、自動(dòng)投切等功能。

所間通信通道采用冗余方案，通信軟件采用冗余線程，保證系統(tǒng)的可靠性。

8 開(kāi)放性

系統(tǒng)與環(huán)境是相互適應(yīng)、協(xié)調(diào)的，開(kāi)放性是指系統(tǒng)與環(huán)境發(fā)生交換關(guān)系的屬性，輸入與輸出是開(kāi)放性的兩個(gè)方面。

電力監(jiān)控系統(tǒng)與通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，電力監(jiān)控系統(tǒng)借助有效的通信手段，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將控制中心的命令準(zhǔn)確的傳送到為數(shù)眾多的遠(yuǎn)方終端，并將從遠(yuǎn)方終端采集的各設(shè)備的運(yùn)行信息反饋回控制中心。

電力監(jiān)控系統(tǒng)與漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)：漏電火災(zāi)產(chǎn)生的根源是供電系統(tǒng)中存在的不易被發(fā)現(xiàn)的漏電電流，而電力監(jiān)控系統(tǒng)可檢測(cè)供電系統(tǒng)中的電氣參數(shù)及狀態(tài)變化，為判斷電氣故障提供參數(shù)依據(jù)；另一方面，漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)控電氣線路的故障和異常狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)隱患，及時(shí)報(bào)警，并將信息傳遞給電力監(jiān)控系統(tǒng)。

電力監(jiān)控系統(tǒng)與列車運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)：列車正常運(yùn)行需要電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)行車組織、故障維修和分析提供實(shí)時(shí)支持，若二者不能協(xié)調(diào)配合會(huì)造成一系列的問(wèn)題。隨著運(yùn)輸需求的增加，地鐵運(yùn)行調(diào)度可能通過(guò)加密班次來(lái)增加運(yùn)能，一旦無(wú)法正確評(píng)估電網(wǎng)的負(fù)載能力，極易導(dǎo)致?tīng)恳╇娫O(shè)備的負(fù)荷超過(guò)系統(tǒng)的保護(hù)整定值，從而過(guò)載跳閘，即使沒(méi)有跳閘，電力設(shè)備長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，也易引起設(shè)備老化、故障，這就要求各線路的電力監(jiān)控和列車運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)相互配合，將電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與行車數(shù)據(jù)結(jié)合分析，充分發(fā)揮多資源共享和多系統(tǒng)控制協(xié)同的優(yōu)勢(shì)。

［1］左鈞超,趙勤,吳仁德,胡學(xué)華.城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].電氣化鐵道,2007.

［2］尹學(xué)明.重慶輕軌電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）簡(jiǎn)述[J].黑龍江科技信息,2009.

［3］楊云林.城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].藝術(shù)科技,2012.

［4］張佳,吳玉懷,徐斌濤.城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)的不足和未來(lái)展望[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2012.

［5］董常.城軌交通電力監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及其通信規(guī)約的淺析[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2010.

［6］王堅(jiān).電力監(jiān)控系統(tǒng)兼容漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的探討[J].建筑電氣,2007.