西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)問題分析及網(wǎng)絡優(yōu)化建議

西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)問題分析及網(wǎng)絡優(yōu)化建議

楊帆

(西安地下鐵道有限責任公司運營分公司，陜西 西安 710016)

摘要：介紹了西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)硬件構成，通過分析運營以來出現(xiàn)的典型故障，對西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡運行環(huán)境提出優(yōu)化建議。

關鍵詞：地鐵；電力監(jiān)控系統(tǒng)；組成；網(wǎng)絡優(yōu)化

收稿日期:2015-05-20

作者簡介：楊帆(1985—)，男，陜西西安人，助理工程師，研究方向：電力監(jiān)控。

0引言

近年來，隨著全國城市軌道交通行業(yè)蓬勃發(fā)展，自動控制技術在地鐵行業(yè)起到了至關重要的作用。電力監(jiān)控系統(tǒng)以供電設備為對象，通過網(wǎng)絡將西安地鐵供電系統(tǒng)的110 kV/35 kV/0.4 kV供電監(jiān)控單元連接起來，實現(xiàn)各變電站內(nèi)對供電設備的集中監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理以及與控制中心電力調(diào)度的遠方通信。

1系統(tǒng)組成

西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式，分層分布式系統(tǒng)結構。設備根據(jù)安裝位置及作用分為間隔層設備、站級管理層設備、中央管理層設備。(1) 間隔層設備：包括分散安裝于供電設備就地的微機測控/保護單元、信息采集單元、直流電源監(jiān)控單元等需接入變電所綜合自動化系統(tǒng)的智能裝置以及采用硬接點接入綜合自動化系統(tǒng)的接觸網(wǎng)上網(wǎng)電動隔離開關、軌電位限制裝置、排流柜、單向?qū)ㄑb置等現(xiàn)場設備。(2) 站級管理層設備：包括安裝于電力監(jiān)控系統(tǒng)控制柜內(nèi)的規(guī)約轉(zhuǎn)換器、測控裝置、光電交換機、光電轉(zhuǎn)換器及安裝于供電現(xiàn)場的以太網(wǎng)串口服務器、光電交換機等設備，通過上述網(wǎng)絡通訊設備實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸及站級電力監(jiān)控系統(tǒng)控制。(3) 中央管理層設備：電力監(jiān)控系統(tǒng)深度集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)，通過站級綜合監(jiān)控服務器、交換機等網(wǎng)絡通訊設備，利用百兆以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)至OCC(控制中心)，使得地鐵電力調(diào)度能夠?qū)崿F(xiàn)全線各變電站集中監(jiān)控。

2典型問題

西安地鐵二號線自2011年9月開通運行以來，電力監(jiān)控系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，但因前期設計原因，二號線電力監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)約轉(zhuǎn)換器長期存在自動重啟現(xiàn)象，對于地鐵運營供電監(jiān)控造成了一定影響。

故障現(xiàn)象：自西安地鐵二號線運營以來，電力監(jiān)控系統(tǒng)長期存在規(guī)約轉(zhuǎn)換器(C306) 自動重啟現(xiàn)象，該故障持續(xù)2～4 min后自動恢復。故障期間故障變電所及控制中心均無法對故障站點供電設備正常監(jiān)控。

故障處理方法：針對此項問題西安地鐵自動化車間多次組織處理，分別從軟件、硬件方面進行排查。運營以來修改規(guī)約轉(zhuǎn)換器應用軟件VxWorks共計5次，分別以延長看門狗啟動時間、調(diào)整看門狗優(yōu)先級、修改BIOS配置、縮短任務運行間隔時間等不同方式降低規(guī)約轉(zhuǎn)換器的CPU模塊負荷；硬件更換兩次，更換個別站點規(guī)約轉(zhuǎn)換器的CPU模塊、電源模塊；執(zhí)行全線預防措施兩次，對全線規(guī)約轉(zhuǎn)換器人工復位。

(1) 第一階段：硬件排查。2011年8月在當時故障高發(fā)站安遠門站更換不同批次規(guī)約轉(zhuǎn)換器的CPU模塊，制定觀察周期一個月。在更換完成11天后安遠門站依舊存在規(guī)約轉(zhuǎn)換器自動重啟現(xiàn)象，因此排除CPU硬件故障。2011年11月將北苑站(無重啟)及安遠門站(故障高發(fā)站)的規(guī)約轉(zhuǎn)換器電源板進行了調(diào)換，經(jīng)過一定時間的運行安遠門站依舊故障高發(fā)，故排除了電源板故障的可能性。因此確認此故障與硬件無關，屬于VxWorks軟件原因。

(2) 第二階段：延長看門狗啟動時間、調(diào)整優(yōu)先級。2011年11月初由設備集成商南京南瑞集團提供技術支持，通過分析先后對規(guī)約轉(zhuǎn)換器VxWorks軟件中看門狗啟動時間進行了延長、調(diào)整看門狗優(yōu)先級，并將該版本適用于車輛段牽混所及鳳城五路、永寧門、南稍門、會展中心等站。制定觀察周期3個月，期間發(fā)現(xiàn)故障情況更為嚴重，規(guī)約轉(zhuǎn)換器關機后不能自動重啟，確認故障原因非看門狗設置，但通過此項測試進一步縮小故障范圍，明確故障為CPU負荷過大引起。

(3) 第三階段：修改BIOS配置。2012年3月在會展中心站查看了規(guī)約轉(zhuǎn)換器CPU的BIOS配置文件，對其中“中斷請求”配置進行了修改，阻斷外部申請訪問處理器，起到了降低CPU負荷的作用。本專業(yè)在故障高發(fā)站大明宮西站與會展中心站同時上傳觀察，通過為期3個月的測試，大明宮西站存在自動重啟現(xiàn)象，因此判定修改BIOS配置文件無效。此階段雖未能根除故障，但通過刪除多余任務降低了CPU負荷，故障發(fā)生頻率有所降低。

(4) 第四階段：刪除多余任務。2012年5月在運動公園站刪除冗余管理的代碼，防止冗余管理代碼不停以100M的以太網(wǎng)速率去尋找并不存在的冗余機，減輕站級設備CPU任務查詢負擔，同時降低CAN總線速率及CAN總線查詢速率。制定為期3個月的觀察周期，在本次修改后運動公園站故障發(fā)生頻率明顯下降，但在運行45天后自動重啟。通過本次修改本專業(yè)技術人員與南瑞廠家進一步確定了故障點，明確了下一步徹查此故障的方向。

(5) 第五階段：縮短任務運行間隔時間。2012年12月修改VxWorks軟件，將任務運行間隔時間由原先的8 s改為4 s，減小報文收發(fā)頻率，降低CPU負荷。前期試用于會展中心站，通過為期3個月的觀察未發(fā)現(xiàn)重啟現(xiàn)象后進行了西安地鐵二號線全線更新。截至2013年8月已連續(xù)運行8個月，遠大于前期連續(xù)運行時間，說明規(guī)約轉(zhuǎn)換器自動重啟故障已徹底解決。

3西安地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化建議

自2011年9月西安地鐵二號線開通試運營以來，電力監(jiān)控系統(tǒng)多次出現(xiàn)網(wǎng)絡通訊故障，例如規(guī)約轉(zhuǎn)換器自動重啟故障、遙信與現(xiàn)場不一致故障。不同的故障現(xiàn)象歸其基本原因均為網(wǎng)絡廣播大數(shù)據(jù)導致規(guī)約轉(zhuǎn)換器的CPU模塊任務數(shù)據(jù)無法正常收發(fā)。為避免類似故障再次發(fā)生對運營造成影響，經(jīng)過長期研究討論，筆者認為可在站級管理層增添路由器，用于攔截網(wǎng)絡廣播，防止CPU模塊超負荷運行。此方案可凈化網(wǎng)絡環(huán)境，有效防止網(wǎng)絡故障，目前已應用于西安地鐵二號線會展中心主所，具體如圖1所示，主變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)通過相鄰近車站ISCS服務器接入ISCS。

圖1　改造前后主所網(wǎng)絡通訊設備方案

注：PSCADA為電力監(jiān)控系統(tǒng)；ISCS為綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

在原設計方案中，主所配置的兩臺規(guī)約轉(zhuǎn)換器各提供一路獨立以太網(wǎng)口通過光電轉(zhuǎn)換器與車站交換機相連，主所規(guī)約轉(zhuǎn)換器到車站ISCS交換機的網(wǎng)口，其IP地址與車站ISCS屬于同一網(wǎng)段。

為隔離主所規(guī)約轉(zhuǎn)換器與車站綜合監(jiān)控網(wǎng)絡廣播，新方案中，在兩臺規(guī)約轉(zhuǎn)換器與兩臺光電轉(zhuǎn)換器之間各增設一臺路由器。路由器車站側(cè)端口IP地址設為車站綜合監(jiān)控網(wǎng)段地址；路由器主所側(cè)端口IP地址設為非車站綜合監(jiān)控網(wǎng)段地址。相應地，與路由器相連的規(guī)約轉(zhuǎn)換器的網(wǎng)絡端口，其IP地址必須與路由器主所側(cè)端口IP地址設置于同一網(wǎng)段。

為盡可能減少對現(xiàn)有車站綜合監(jiān)控配置的改動，以免對系統(tǒng)運行造成影響，要求增加的路由器具有NAT(網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換)功能。在本方案中，NAT的作用是將路由器主所側(cè)的規(guī)約轉(zhuǎn)換器虛擬成路由器車站側(cè)的設備，虛擬目標地址為規(guī)約轉(zhuǎn)換器原IP地址。這樣，對于車站ISCS而言，主所規(guī)約轉(zhuǎn)換器未發(fā)生任何變動，不需要增設網(wǎng)關等配置。

目前此方案已成功消除會展中心主所電力監(jiān)控網(wǎng)絡通訊故障，驗證了方案的可實施性，為西安地鐵二號線全線網(wǎng)絡通訊故障整治提供了實際依據(jù)。

4結語

隨著西安地鐵不斷建設發(fā)展，電力監(jiān)控系統(tǒng)作為地鐵運營核心專業(yè)，對其運行的可靠性、實時性要求不言而喻。目前，西安地鐵二號線運營工作不斷深入，專業(yè)技術人員對于電力監(jiān)控系統(tǒng)了解逐步加深，研討系統(tǒng)網(wǎng)絡結構將作為專業(yè)科研的一項重要課題，通過科研探討、指導系統(tǒng)維護，逐步實現(xiàn)由前期硬件維護向網(wǎng)絡運行環(huán)境維護的轉(zhuǎn)變，從而保障電力監(jiān)控系統(tǒng)能更加穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)地運行。

[參考文獻]

[1]張偉峰.西安地鐵二號線RT21-SAS系統(tǒng)培訓資料[Z].