城市軌道交通線網級云平臺電力監控系統研究

葛 淼，劉 琴，俞 銘，蔡一磊

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

城市軌道交通電力監控系統作為地鐵專業的重要子系統之一，對全線供電系統進行實時監控，對所屬范圍內的電力設施實行遠程監控，在遇到緊急情況時，能夠快速實現故障定位和維護協調調度[1-3]。

隨著城市化進程的不斷深入，我國城市軌道交通迎來了網絡化建設和運營的跨越式發展階段，軌道交通供電系統也向網絡化方向發展。單線電力監控模式已經無法滿足線網供電系統的操作需求，在支援供電、故障快速恢復供電、供電系統優化調度方面，單條線路電力監控系統缺乏對整個供電系統的掌控，在全面調度決策上存在一定難度。另外，隨著云計算、物聯網、大數據、人工智能等技術的快速更迭，云架構具備提高系統可靠性，快速擴展，提供數據集中共享，快速響應業務需求的優勢，城市軌道交通線網級監控系統平臺的“云化”必將成為下一代監控系統的發展方向。

1 線網級云平臺電力監控系統優勢

線網電力監控系統采用云平臺對全線服務器、存儲設備、交換機等硬件資源進行集中式部署，相較傳統方案具有以下優勢：

1.1 線網集中部署，統一運營管理

通過建立線網級的運營管理平臺，設立統一的電調機構，可以對所轄范圍內線路的供電系統進行統一的協調調度和管理，解決了控制責權不清的問題。在多重故障發生的情況下，能夠從線網層面下達調度決策，可以同時操作多條線路的供電系統，也便于快速解決問題，保證供電系統正常運行。

1.2 轉變IT架構管理，提高靈活度和服務器的利用率

傳統線路級電力監控系統的服務器CPU和內存配置很高，實際利用率很低，造成資源浪費嚴重，工程建設成本較高[4]，相對而言，也不利于后期的維護和管理，靈活性較低，后期的改造升級存在一定的難度。

1.3 提高電力監控系統可靠性

在應用層采用了綜合監控系統的主備冗余機制，具備虛擬化技術的高級功能，如動態熱遷移、負載均衡策略、主機HA等。應用虛擬技術借助豐富的云平臺資源，減少了由于硬件故障導致的損失，保證了安全可靠性，保障系統穩定運行。

2 系統架構

線網級云平臺電力監控系統邏輯上可以分為云平臺運維管理和線網電力監控平臺。根據數據傳輸可以將線網級云平臺電力監控的軟件架構細分為：數據接口層、數據加工層、管理功能組件、業務應用層、訪問層。系統的軟件架構設計如圖1所示。

圖1 城市軌道交通線網級云平臺電力監控系統軟件架構

圖2 城市軌道交通線網級云平臺電力監控系統功能

2.1 數據接口層

線網級電力監控系統需要處理來自多條線路級電力監控系統的數據，線路級的電力監控系統可以對各主變電所、牽引降壓混合站、降壓站等變電設備進行分布式遙信、遙測、遙控。通過通信網絡規約將現場就地級設備采集的數據傳送到線路級控制中心。通過圖形化界面，調度人員可以更直觀、更清晰地看到電力設施實時情況，便于分析處理。

2.2 數據轉發層

從多條線路級電力監控中心到線網級電力監控中心，需要將多個線路級的采集數據(包含遙測/遙信)上傳至線網中心，同時，還需要將控制命令(包括單控/程控)從線網中心下發到線路中心。包含定值管理、故障錄波和故障報告等功能在內的電力監控系統拓展功能也需要實現線路到線網級的數據轉發。

2.3 管理功能組件

通過該部分提供的各類組件對待收集或已收集的數據進行有針對性的管理，包括歷史數據管理、數據定向采集、數據利用權限管理、計算服務(通過數學建模訓練視頻或圖像數據進行預測分析以及生成輔助決策)、系統操作模式的切換、數據的存儲服務(數據的存儲保存周期)。數據管理功能組件對整個系統的功能起到承上啟下的連接作用。

2.4 業務應用層

業務應用層主要針對線網級電力監控系統為業主提供的應用功能需求展開分析，主要包括畫面顯示、拓撲著色、事故推畫面、趨勢瀏覽、程控功能、實時/歷史SOE功能、統計報表、操作記錄、定值和故障管理功能。

2.5 訪問層

基于業務應用層開發實現的應用功能，訪問層可以通過線網級電力監控系統的顯示大屏分模塊實時查看各條線路上電力監控專業的運行狀態。

3 系統功能

城市軌道交通線網級云平臺電力監控系統功能包含線網中心平臺管理功能、線網電力監控業務功能、線網級/線路級電力監控接口功能、權限移交功能、兼容云平臺部署運行功能(見圖2)。

3.1 線網中心平臺管理功能

高性能實時數據庫平臺：系統高性能實時數據庫平臺，為各個子功能模塊提供強大的數據支撐。組態配置功能：提供線網級電力監控系統的數據點、圖元、對話框、畫面、報警等數據庫模型和業務對象的組態配置功能。畫面顯示模塊：提供包含多條線路的線路接觸網圖、牽引供電一次圖、35 kV主接線圖、27.5 kV主接線圖、光字屏/遙測圖等多種畫面顯示功能。調度運行管理模塊：支持用戶權限、角色、責任區管理功能，從而保證系統在運行過程中的安全性和可靠性。歷史存儲模塊：支持歷史數據、歷史報警的存儲及管理功能。報警管理模塊：支持按等級劃分的報警觸發機制，支持聲光模式顯示報警，可提供歷史報警查詢功能。計算和統計功能：系統具備計算和統計功能，支持計算、統計、檢索以及考核等操作。用戶及權限管理功能：系統具備用戶管理、用戶權限管理等功能，可為不同用戶提供不同的權限，分配不同的責任區。

3.2 線網電力監控業務功能

遙信功能：可以實時采集現場設備，如各種斷路器、隔離開關等的合/分狀態等數據，具體變位描述支持根據用戶需求定義。遙測功能：支持實時采集現場設備的模擬量，將測量對象的電壓、電流、功率因數等電參量信號上傳至線網級監控后臺。遙控功能：選擇需要控制的車站、開關、合/分閘等進行控制操作，并在確認后執行。控制和調節對象包括但不限于：斷路器、電動隔離開關、保護定值、保護動作信號的遠方復歸、自動裝置、無功補償裝置等。程控功能：將多個遙控命令按既定的順序組合在一起，保存在一張程控卡片中。在卡片執行時根據卡片的內容逐一下發控制命令。拓撲著色功能：根據設備的連接狀態和開合狀態，動態地進行網絡拓撲計算，確定設備和線路的帶電狀態，并用不同的顏色進行區分顯示，幫助電調人員進行監視和分析。事故推畫面功能：在收到事故或保護動作信號變位時，系統可以通過顯著的方式提示用戶具體的事故站名，可自動推出相應事故信號對應的畫面。

實時SOE功能：實時SOE事件順序記錄，可以顯示遙信變位動作的先后順序及準確時間，用于記錄分辨事件發生的先后順序。歷史SOE功能：歷史SOE事件查詢功能，可以根據時間、線路等條件查詢遙信變位動作的先后順序及準確時間。

統計報表功能：可以利用各種實時數據和報表組態工具對數據進行選擇、組合、累積、統計等加工處理，生成各種報表，報表可以由用戶自由設定以定期(日、月或年)、定時(每日指定的時間)或召喚(用戶指定的時間范圍)方式打印或以文件方式存儲。電力巡檢報表功能：定期對設備運行狀態采集并生成巡檢報表，以供調度人員進行查閱。操作記錄功能：主要是對所有用戶的各種操作、開關變位等信息進行記錄，包含有具體的時間和位置信息，也支持根據用戶需求定制。

定值管理功能：具備定值區、定值召取修改的功能。故障錄波功能：當供電系統發生故障時，保護裝置自動啟動保護功能，在開關設備事故跳閘的同時，保護裝置自動進行故障錄波，具備錄波目錄和文件召取、錄波曲線顯示功能。故障報告功能：系統具備故障報告目錄及文件召取和顯示功能。培訓仿真功能：系統提供電力監控培訓仿真功能，便于電調人員快速學習系統操作，掌握相關操作，從而提升故障分析和處理的業務水平，更好地做好調度工作。

3.3 線網級/線路級電力監控接口功能

系統具備線網級/線路級電力監控接口功能。線網級/線路級電力監控通信接口主要完成線網級和線路級接口通信數據的生成和解析，使用指定格式傳送報文。通信接口主要包含：線網級通信接口、線路級通信接口和設備通信接口。

3.3.1 線網級通信接口

線網級通信接口作為全網的控制中心，只存在于線網中心，保持和不同線路中心與公共設備的數據通信，具備多接口通信、接收、解析報文，獲取通知，讀取數據，拼接和發送報文的功能，接口使用IEC60870-104規約及其擴展規約，能夠根據配置實現不同擴展規約拼接和解析，也可根據要求使用MODBUS TCP實現相關控制和監視功能。

3.3.2 線路級通信接口

線路級通信接口部署在線路中心，主要負責線路級的相關服務，保持和線網中心通信接口的數據通信，具備讀取數據庫，拼接和發送報文、解析線網中心報文的功能，接口使用IEC60870-104規約及其擴展規約，也可根據要求使用MODBUS TCP實現相關控制和監視功能。

3.3.3 設備通信接口

設備通信接口通常作為服務端，完成線網中心或線路中心的報文接收、解析，將設備狀態數據拼接成報文并發送給線網中心或線路中心接口。

3.4 權限移交功能

系統具備權限移交功能，權限移交包含權限的下放、回收和強取等功能。根據操作互斥原則，任一類操作的操作權同一時刻不能為多層同時擁有。其中，權限下放是將公共設備的處理權限由線網中心轉移到相應授權的線路中心；權限回收則是將線路管理中心的授權收回，公共設備的管理監控由線網中心處理；權限強取是指在緊急情況下，線路中心可以獲得控制權限。

3.5 兼容云平臺部署運行

系統順應城市軌道交通云化趨勢，兼容云平臺部署運行，由線網中心統一分配云平臺計算資源。線網級電力監控系統能夠在云平臺安裝、部署，各項功能均能夠在云平臺正常使用。

4 結語

城市軌道交通在方便了居民生活的同時，也推動了經濟發展，其安全穩定運行至關重要。城市軌道交通線網級云平臺電力監控系統的實施，有助于對整個線網的電力監控系統運行情況進行實時監控，對于提高城市軌道交通安全性與可靠性有著重要作用，符合建設交通強國與智慧城市的需要。科技創新的步伐從未停歇，電力監控系統必將獲得更大的技術支撐，取得更大的進步。本文對于線網及云平臺電力監控的探討可對未來城市軌道電力監控系統的研究起到一定的參考作用。