地鐵SCADA 系統常見故障分析與處理

夏周勤

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 210008）

0 引言

隨著通信技術的發展和SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，綜合監控和數據采集系統）系統的普遍應用，變電所逐步趨于智能化、無人化管理，這一技術在給供電管理帶來便利的同時，也使得地鐵運營更加依賴于智能化系統運行的穩定性。一旦SCADA 系統發生故障，電調將無法對全線變電所設備進行遠程監視與控制，地鐵供電也將存在安全隱患，因此，加強SCADA 系統設備維護與管理、保證其整體運行穩定在地鐵安全運營中具有重要意義。

1 SCADA 系統概述

SCADA 系統[1]在電力系統中又稱電力監控系統，是地鐵供電中的重要組成部分，在安全供電中占據重要地位。電力監控系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，負責現場運行的供變電設備狀態的監視與控制，實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等功能[2]。

SCADA 系統主要由控制中心調度系統、牽引降壓混合/降壓/主變電所綜合自動化系統及通信通道構成。控制中心調度系統通過通信環網與變電所綜合自動化系統互聯。電力調度人員通過調度中心工作站的電力監控平臺軟件，對全線變電所現場運行的高壓供變電設備及接觸網電動隔離開關實時遠程統一監視和控制，確保供電安全。為確保控制的可靠實現，地鐵SCADA 系統采用遠程控制、所內盤上集中控制、設備本體控制3 級控制方式，3 種控制方式相互閉鎖。根據故障影響的范圍，SCADA 系統故障可分為兩級，中心級系統故障和站級系統故障。

2 中心級故障及其處理措施

中心級故障在地鐵運營中屬于嚴重事故，將影響電調進行全線電力監控。以南京地鐵3 號線為例，SCADA 中心調度系統主要由系統局域網絡、2 套系統服務器、2 套前置服務器、操作員工作站等構成。中心電力監控系統構成如圖1 所示，同時系統配有一套UPS 不間斷電源設備，保障電力供應。中心機房局域網絡采用雙以太網結構，互為備用。正常狀態下雙網同時運行，可自由切換；當任一網絡故障時，系統軟件發出報警信息，并由非故障網絡承擔全部的數據傳輸，以保證系統的連續運行。服務器用于整個網絡數據的后臺處理、歷史數據管理、網絡管理、節點資源分配等工作，當一套服務器故障時，系統應自動切換到另一套服務器上。

圖1 電力監控系統構成

中心級系統故障根據功能可大致分為以太網設備故障、服務器故障和UPS 電源組故障。

2.1 以太網故障

當SCADA 系統軟件后臺提示全線主網或備網通信中斷時，可推測中心機房以太網故障，需立即到機房查看網絡設備，包括組網交換機、網線、光纖跳線等，一般來說長期運行后中心級組網交換機損壞以及RJ45 接口、光口松動的可能性較高，平時需要加強對網絡設備柜中主備網運行指示燈的巡視，檢查連接是否松動。

2.2 服務器故障

由于服務器處于全年24 h 不間斷運行，負載量較大，使用一定年限后，可能出現一些問題，當系統后臺提示某臺服務器失步時判斷為服務器故障。一旦服務器出現故障，根據不同狀態，需要采取不同措施。

（1）服務器硬件是否停機。如果發現服務器運行指示燈不亮、風機停止轉動，首先檢查服務器供電回路、相關連接線、供電電壓是否正常，排除外部電源問題。如果外部電源正常，需聯系廠家返廠維修。

（2）服務器硬件運行正常，系統軟件運行不正常。這種情況一般為服務器宕機，常見的服務器宕機原因有運行環境問題和服務器性能問題，發現服務器宕機后，要判斷其原因是否為系統功能模塊進程掛死；是否為啟動程序問題；是否為外部攻擊導致；是否為工作人員誤操作問題。服務器失步后，相關工作人員可先通過指令檢查服務器進程，嘗試重新啟動服務器操作系統軟件；近年來根據公安部要求，為保證SCADA 系統信息安全，免受外部病毒攻擊導致的通信網絡癱瘓，依照網絡安全等級保護制度要求，公司每年定期為SCADA 系統組織等級保護測評工作，進行安全建設，同時對不合格項進行整改，并加裝了網絡安全保護設備。

此外，由于SCADA 系統建設初期服務器預留內存不足，數據庫存儲空間無法滿足當前大量數據的需求，經常出現歷史信息無法查詢、報表數據沒有上傳等情況，此時需要對服務器進行擴容處理，同時定期做好關鍵數據備份工作。

2.3 UPS 電源故障

控制中心SCADA 機房設置一套UPS 電源設備，為機房內SCADA 設備提供UPS 電源，主要包括UPS 主機、蓄電池組、UPS配電柜（含進線雙電源切換裝置、輸入/輸出開關、監控單元、蓄電池組監測系統、通信裝置等）。UPS 電源故障通常為蓄電池組問題，蓄電池異常，機房服務器、交換機等設備的電力供應將得不到保障，SCADA 系統也就無法運行。為保障電源供應穩定，維護人員需做好監控單元報警信息、蓄電池運行狀態巡視工作，發現蓄電池漏液、鼓包等情況應立即查出原因予以處理，同時定期對電池做容量考核試驗。

3 站級系統故障及其處理措施

變電所綜合自動化系統由控制信號盤、開關柜內的微機綜合保護測控單元和變電所維護計算機及所內通信網絡構成。系統采用集中管理、分散布置的模式，各微機綜合保護測控單元安裝于各開關柜內，進行接口及規約的配合、轉換、組網后接入到通信處理設備即通信管理機，站級綜合自動化系統構成如圖2所示。站控主單元通過所內通信網絡對其進行監視控制，實現變電所各種設備的控制、監視、聯動、聯鎖、閉鎖功能，自動投切，電流、電壓、功率、電度采集功能。根據系統圖可以看出，造成站級系統故障的可以分為3 類，分別是網絡通道出現故障、控制信號屏設備故障以及設備層通信接口轉換單元故障。

圖2 綜合自動化系統

3.1 網絡通道故障

3.1.1 光纖網故障

由于光纖網具有頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾性強、保真度高等優點，地鐵電力監控系統遠距離通信多為光纖網通信。光纖網絡主要由光電轉換器和光纖通道搭配組成，光電轉換器將以太網的電信號轉換為光信號，然后利用光的全反射原理使其在光纖中傳播，光信號通過光纖后，再轉換成另一端工作設備需要的電信號。目前，地鐵供電中普遍使用的仍然是雙纖、雙向光纖收發器，需要一對光纖進行光信號的發送和接收。

因為光在光纖中為單向傳播，鏈路的某一環節出現問題，就可能導致通信中斷。如果光電轉換器只有光口指示燈不亮，基本可判定為光纖網故障，光纖網通信故障可能有以下3 個原因：①光電轉換器本體故障；②光纖鏈路沒有交叉鏈接；③光纜、尾纖通道有斷點或光衰過大。確認光纖網故障后，可先查驗光纖鏈路是否交叉連接，如果沒有則調換相應光電轉換器TX/RX 光口的尾纖；如果光纖鏈路連接正常，可安排兩個工作人員在光纖通道的兩端，通過光筆或光功率計打光檢查光纖是否存在光衰或斷點，如果光衰過大應立即更換，如果光纖通道正常，則多為光電轉換器損壞，應更換光電轉換器。光電轉換器故障是日常工作中最常見的故障，需注意的是更換的新光電轉換器需要滿足現場光信號波長、電源規格以及單模、多模等需求。

3.1.2 銅線網故障

銅線網是利用通信電纜來完成電信號傳輸的，地鐵SCADA系統使用的主要包括兩種：網線以及RS485 通信線。日常工作中銅線網常出現的通信故障原因有以下3 種：①RJ45 接口或RS485 串口接口松動，電信號接觸不良導致通信中斷；②網線水晶接頭壓制不好；③開關柜內RS485 通信電纜接線錯。當遇到銅線網故障時，應當首先查看接線是否松動，如果松動需要進行緊線或者更換插口；對于網線段可以利用同網段計算機ping 上層或下層設備對應的IP 地址測試通道回路是否正常，找出故障段進行更換；對于RS485 通信電纜可以利用多用表歐姆檔測試各回路段通斷或者測量線路電壓是否正常，縮小排查范圍，找出故障點。

3.2 控制信號屏設備故障

控制信號屏主要包括通信管理機、測控裝置、光電交換機及電腦一體機等。如果出現整個車站與控制中心通信的故障，且保證控制中心系統正常的條件下，可以初步判定是通信管理機的故障或到通信環網的傳輸通道故障，然后可根據設備運行指示燈進行下一步判斷。

通信管理機是A、B 機一體結構，互為備用，通過以太網將變電所內的所有35 kV、1500 V、400 V、變壓器、整流器等設備連接起來，實現對上述設備的遙控、遙測、遙信、遙調、SOE 等功能。所有站的通信管理機都接入到通信環網，使得操作員在中心工作站能夠對所有站級設備實現集中遙控，變電所內網絡底層通信協議為TCP/IP，通信管理機接到通信環網的LAN 口具備一個唯一的IP 地址和相同的子網掩碼，使得全線所有的通信設備能夠同時在線工作。如果通信管理機A 機或B 機運行指示燈異常，工作人員可以首先查看通信管理機異常部分LAN 口IP 地址設置是否正確，再排查硬件故障，硬件故障常見為通信管理機的CPU 插板損壞，更換CPU 板后需要對IP 地址和子網掩碼進行重新設置，實現與中心的通信。

若通信管理機正常而光電交換機指示燈異常，可用筆記本電腦接入網絡通道檢查通道工作狀態，如果是光電交換機故障，則需要更換備件。

3.3 設備層通信接口轉換單元故障

設備層通信接口轉換單元安裝于開關柜內，用于實現現場設備的狀態采集和通信規約轉換。如果系統后臺出現某區域通信故障，可判斷故障位于該區域設備層通信接口轉換單元。

3 號線400 V、1500 V 開關柜內設置MOXA 5430I 串口服務器將開關柜內的所有設備接入以太網，串口服務器將現場總線的RS485 串口轉換為TCP/IP 網絡接口，再通過光電轉換器轉換為光信號后通過地下光纜連接到控制室通信管理機上，實現站級綜合自動化系統對現場設備的統一遙控。串口服務器需要對其各串口的波特率、接口標準、端口號等參數進行簡單設置。如果在后臺發現單獨某一端口通信出現問題，工作人員首先可以考慮是否該端口參數設置錯誤，排除參數設置錯誤后，再利用控制變量法調換端口RS485 接線端子，確認是否串口服務器端口本身故障，若是串口服務器故障，需立即更換備件。

4 結束語

通過對地鐵3 號線SCADA 系統故障的統計分析，梳理一些日常維護過程中常見的故障，對其原因進行分析，給出常見故障的處理方法，為此后優化相關設備提供參考。實際設備管理和維護過程中，應結合設備圖紙以及現場實際故障現象，分析具體故障原因，做出相應處理措施，保障地鐵安全運營。