深圳地铁5号线电力监控系统的结构研究.pdf

与开 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 2 0 8 0 4 7 深圳地铁5 号线电力监控系统的结构研究 李剑波，蔡伟周 ( 深圳达实智能股份有限公司，广东深圳 5 1 8 0 0 0 ) 摘要：深圳地铁 5 号线电力监控系统深度集成于综合监控系统，分析其设备层和监控层的系统结构及特点，对其数据流和结构 进行优化处理，促进该系统按时调试完成并投运，保证系统安全稳定运行，并提出变电站综合自动化系统基于串口服务器的以 太网方案和监控层备用服务器对的进一步优化方案。 关键词 ： 电力监控 系统 ；变 电站综合 自动化系统 ；分层分布式 ；系统结构 中图分类号 ：T M7 6 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 99 4 9 2( 2 0 1 2 ) 0 8 0 1 6 00 4 S t r u c t u r e S t u d y o f Po we r S u p e r v i s o r y Co n t r o l An d Da t a Ac q u i s i t i o n Ba s e d o n S he nz he n M e t r o Li ne 5 L I J i a n b o CAI We i z h o u ( S h e n z h e n DAS I n t e l l i t e c h C o ，L t d ，S h e n z h e n 5 1 8 0 0 0， Ch i n a ) Abs t r a c t ： PS C ADA o f S h e n z h e n me t r o l i n e 5 i s i n t e g r a t e d d e e p l y i n t o I SC S Af t e r a n a l y z i n g s y s t e m s t r u c t u r e a n d c h a r a c t e r ， d a t a s t r e a m a n d c o n f i g u r a t i o n a r e o p t i mi z e d I t i mp r o v e s t h e p r o c e s s o f d e b u g g i n g P S CADA s y s t e m a n d ma k e s s u r e o f s y s t e m f u n c t i o n s a f e l y a n d s t e a d i l y Mo r e p r a c t i c a l s c h e me s t h a t a r e Et h e r n e t n e t wo r k s t r u c t u r e o f I n t e g r a t e d Au t o ma t i o n S y s t e m o f S u b s t a t i o n b a s e d o n Ne t wo r k Ac c e s s f o r S e r i ,d De v i c e s a n d s p a r i n g a p a i r o f d a t a s e r v e r s f o r P S CADA a r e g i v e n Ke y wo r d s ：p o we r s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m；i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m o f s u b s t a t i o n；h i e r a r c h i c a l a nd d i s t rib u t e d；s y s t e m s t r u c t u r e 0引言 深圳地铁 5 号线供 电制式为 D C1 5 0 0 V架空接 触网受 电，1 1 0 - 3 5 k V两级供电，沿线设置主变 电 所 1 座、开闭所1 座、 牵引降压混合所l 4 座、降压 所 l 3 座 、跟随式降压所 2 5 座 ；以及车辆段 、停车 场各设牵引降压混合所 1 座和跟随式降压所1 座。 电力监控系统” ( P S C A D A)作为综合监控 系统 ( I S C S )的子系统被深度集成 ， 由控制 中心 ( o c c ) 综合监控电力监控子系统 、变 电所综合 自动 化系统 、供电复示系统及通信通道共 四部分构 成。采用控制中心远方操作、所内综控屏上集中 操作 、开关柜就地操作三级控制方式 ，并相互闭 锁 ，在任何情况下只允许有一种控制方式作用 ， 另外两种控制方式被 自动闭锁。 1 变 电站综合 自动化系统 深圳地铁 5 号线变电所综合 自动化系统 1 - 3 1 采 用上海新华 X I S C S 一 1 0 0 系统 ，集中管理和分散布 置相结合 ，分层分布式系统结构 ，由设置在各个 变电所控制室的综控屏 、各个开关柜 内的微机测 控保护装置等智能电子设备及所内通信网络等部 分组成 ，集控制 、测量和监视等功能于一身 ，采 用面向对象的设计思想 ，将变电所的二次设备 ( 包括控制、信号、测量、自 动装置、远程通信装 置 )经过功能的重新组合和优化 ，以计算机和网 络为依托 ，实现对变电所主要设备和输配 电线路 的 自动控制 、监视 、联 锁 、闭锁 、电流 、电压 、 功率测量、电度计量以及与综合监控系统通信等 综合 自动化功能 。 当综合监控系统故障时 ，变 电所综合 自动化 系统可以降级独立运行。 1 1 系统结构 变电所综合 自动化系统采用分层分布式(2 1结 构 ，整个系统由站级管理层 、网络通信层和间隔 设备层构成。如图 1 所示。 收稿 日期 ：2 0 1 20 32 9 二 二 二二 二 I 雪 研究与 综控屏 便携 式 维护终端 工作站 1 J 一 交 换机 硬线 备监控单元I l 主监控单元 整流 变温控1 动力变温控 交直流屏 4 7 y 随l 4 0 0 V ： j E O E O E 0 E， 0 E O E 0 多 模 光 纤 3 5 k Vl 段 0 E l 3 5 k V I I 段 0 E l 3 5 k V ：计 O E I 4 0 0 V表计 0 El 4 0 0 V 保护 流器保 隔离开 轨电位 排流柜 l 光纤 RJ 4 5网线 负极柜 馈线柜 I习 1 变电所综合 自动化 系统结构不意 图 站级管理层 实现对本变电所供电设备 的监控 和报警功能 ，并负责与综合监控系统之间的数据 交换 ，采用集 中组屏安装 方式 ，由主 备监控 单 元 、屏 内工作 站和智能测控 P L C单元 、交换机 、 电源 、报警装置等组成 。监控单元为系统核心组 件 ，负责所 内通信 网络管理 ，与各测控保护单元 及有关 l E D ( 智 能电子设备 )进行数据通讯 ，将 所辖供电设施 的运 营信息实时地传送至综合监控 系统 ，同时下达综合监控系统的控制 、调整 、查 询及诊断等命令 ，采用整机主备冗余配置。智能 测控单元通过输入、输出模块与基础设备的二次 无源接点连接 ，采集基础设备 的数据 ，并 向其发 送控制指令 。 数据通信层实现变电所管理层与基础设备层 之间的通信传输，由交换机 、所内通信网络 、光 电转换设备 ( O E) 、光缆 ，以及设置于开关柜现 场的通信协议转换设备等组成。 间隔设备层包括安装在各基础设备 内的微机 保护装置或智能单元等设备 ，是变 电所综合 自动 化系统的基础数据源和指令接收单元。 本系统中，除 D C 1 5 0 0 V系统保护装置提供网 络接 口以外 ，其他智能装置均提供 R S 4 8 5 总线接 口，为了克服变电所强 电环境等 因素干扰和提高 通 信速度 ，本方案将所 有 R S 4 8 5 总线就地转 换 ， 通过光纤接人综控屏。 1 2 单总线冗余访 问方式 实际应用 中 ，间隔层智能单元 只提供 1 路 总 线接 口，不冗余 ，并采用 Mo d b u s R T U等总线型主 从通信协议。由于综控屏配置主备冗余监控单 元 ，为了避免单个设备 出现双主站控制 的风险 ， 主备监控单元之间必须执行严格的冗余切换机 制。如图2 所示。 主备监控单元按照备机模式依次启动 ，并动 态广播 自身状态 ，同时接收对方状态信息 ，逻辑 判断后决定是否切换为主机模式并启动 间隔层通 信 。这将保证在 同一 时刻 ，只有 1 台监控单元处 于主机工作状态 ，另外 1 台监控单元处于热备状 态 ，且只有主监控单元才有权与间隔层设备通信。 图2 监控单元主备切换逻辑 1 3串口服务器 以太网结构方案 现阶段 ，国内市场上变电所 间隔层智能单元 的接 口仍然以采用 R S 4 8 5 总线方式结合类似 Mo d b u s R T U的主从通信协议为主。变电所综合自动化 系统 的控制单元必须沿总线方向逐个节点依次轮 询采集数据 ，扫描周期长 ，通信效率低 ，且 当总 线上其 中 1 个 节点 出现故障时 ，常引起整条总线 瘫痪 ，抗干扰性能差 。 采用基于 串口服务器的以太网方案将极大改 善通信速度 ，并且降低 系统故障风险。串 口服务 器 ，例如 Mo x a N P o r t 系列产 品 ，能够将 R S 一 2 3 2 4 8 5 4 2 2串口转换成 T C P I P网络接 口，实现 串口与 T C P I P 网络接口的数据双向透明传输 ，使得串口 设备能够立 即具备网络接 口功能 ，极大地改善串 口设备通信性能。 r 1 。 1 6 1 | 、 D C l 5 O O V 一 柜一 柜一 柜一 柜 一 极一 极一 线一 线 一 正一 正一 馈一 馈 ( 与 开 发 ( 1 )高实时性并发访 问机制 ，避免轮询 ，降 低了扫描周期 ； ( 2 )每个智能单元独享 1 个 串 口，实时性提 高 ； ( 3 )带宽成倍增加 ，通信速度明显提高 ； ( 4 )由于串 口服务器的隔离作用 ，当其 中 1 个间隔层智能单元接 口出现故障时，不会对其他 智能单元的通信造成任何影响 ； ( 5 )提供抗干扰性 ，改善通信质量 ，避免通 信受到变 电所的强电环境干扰 。 为 了提 高系统 可靠性 和安 全性 ，可将交 换 机 、监控单 元 、串 口服务 器等核心设 备冗余 配 置 。另外 ，综合考虑母线配置 、数据类型 、数据 容 量 、数 据重 要 等级 等 因素 ，可将 3 5 k V I 段 、 3 5 k V I I 段 、3 5 k V表计等智能单元分设 3台串 口服 务器 ，也可将4 0 0 V I 段 、4 0 0 V I I 段 、4 0 0 V表计分 别T型连接成 3 条总线后接人 1 台串 口服务器。实 际应用 中，可对此方案进行诸多变形 和优化以适 应现场需求。如图3 所示。 图3 基于串口服务器的以太网方案结构 2电力监控 系统 电力监控系统 ，即电力调度子系统 ，深度集 成入综合监控系统 ，实现对全线供电设备的实时监 控和调度管理，及时掌握和处理供 电系统的各种事 故和告警事件，保证供 电安全运行 。并在车辆段设 置供 电复示终端 ，用于监视全线供电设备运行状 况，统计运行数据 ，并及时进行维修和故障处理。 深圳地铁 5 号线综合监控系统统一采用 c i t e c t S C A D A 7 2 0软 件 平 台 ，基 于客 户 端 服 务 器 ( C l i e n t S e r v e r )体 系和全开放式结构 ，模块 化设 计 ，利用分 布式数 据库进行 数据 处理 和任 务部 署 ，通过组态可对各项任务 ( 如 l O处理 、报警 、 趋势 、报表等 )进行冗余设置 、分布部署 以及负 荷平衡。如图4 所示。 i 备服务器对j 车站 l 变 电所综 合 自动化 系统 冗余骨干 环网 车站 ， f 变电所综合自动 系统 图 4 电力监控系统 网络结构 C i t e c t S C A D A平 台引入 “ 集群”概念 ，一个集 群即为一组关联性很强 的过程元素 ，而不 同集群 之问的过程元 素关联性较弱 。深圳地铁 5 号线综 合监控系统 1 个车站定义 1 个集群 ，便于管理 ，且 软件 工程文 件可 以很方便 地 复制到 其他车 站使 用 。将 B A S 、F A S以及综合监控系统互联子系统 的I O服务 、报警服务 、趋势服务均分布部署在各 自车站数据服务器 ，电力监控 系统作为 1 个独立 集群 ，其 I O服务 、报警服务 、趋势服务 由控制中 心数据服务器处理。 该 方案较好地平衡 了车站服务器和控制中心 服务器的负荷 ，并将电力 系统相对独立于其他专 业系统 ，使之维护性加强 。 2 1 方案特点 目前轨道交通综合监控系统在车站均配置冗 余数据服务器 ，以往 的电力监控系统实时数据均 是 由综合监控系统车站实时服务器预处理后上传 控制中心 ，数据分散处理 ，硬件负荷降低 ，但有 其明显 的缺点 ：多了一层数据处理层 ，数据刷新 较慢 ，故 障点s D i： i ；且 由于综合监控系统在车站 集成 B A S 、F A S 等 2 0多个专业数据 ，均 由车站服 务器处理 ，则 电力系统必须和其他专业共用数据 服务器 ，相 互制约 ，不便于各系统维护 。另外 ， 由于主流的软件平台均采用分布式数据库 ，其任 务 和数据均分散部署 在车站 ，这将导致控制 中心 数据服务器工作不饱和 ，严重浪费硬件资源。 r7rT -I 。 A 1 6 2| 3 【 。 ： ： 。 ： 1 L 。 i ： ： j 。 _-J 研究与 深圳地铁 5 号线 电力监控系统的设计 中 ，充 分考虑了硬件资源 、任务部署 、负荷分摊 、维护 便利 、专业分工等因素 ，其实 时数据由控制 中心 实时服务器统一处理。 ( 1 )充分利用硬件资源 ：由于综合监控系统 的其他实时任务均部署在车站 ，除 电力监控系统 外的其他子系统不再 占用 中心服务器硬件资源 ， 因此该方案充分发挥中心服务器硬件资源高配置 的优势。 ( 2 )减少数据 流通环节 ，实时性高 ，减少故 障点。 ( 3 )系统调试便利 ：该工程工期紧张 ，接触 网通电以后即刻投入 电力监控系统调试 ，此时各 个车站土建作业 尚未完全结束 ，综合监控系统远 不具备调试条件 。由于 5 号线控制中心与一期工 程合设 ，已经先期投运 ，因此 ，将 电力系统数据 服务器设置于控制 中心 ，避免受车站土建施工等 专业影响 ，便于及时投入系统调试 。 ( 4 )利于各个专业 系统维护 ：和其他专业 的 实时数据从硬件层面 隔离 ，利 于各 自系统维护 ； 且 由于 B A S 、F A S等系统调试 周期长 ，往往在线 路投运以后还需要较长时间完善和修改，该方案 可 以避免各个专业之 间的调试与维护冲突 ，使得 其他专业调试和维护不受电力系统监控不可 中断 的限制。 2 2备用服务器对 鉴于该系统结构 的数据处理任务全部集 中在 控制 中心的 2台冗余数据服务器上 ，系统运行过 程 中有可能存在 2 台服务器 同时宕机 ，无 法正常 运行的风险。 为此，建议增设后备服务器对 ，即：在控制 中心或车辆段增设 1 对数据服务器 ，或者选择某 车站的实时服务器对作为综合监控系统 电力监控 子 系统 的备用 服务器对 ，通过特定 的冗余机 制 ， 当现有中心主服务器对不能正常工作 时，备用服 务器对 自动接 管电力监控 系统的数据处理 任务 ， 使得整个 系统能够继续平稳运行。 3结语 深圳地铁 5 号线于2 0 1 1 年0 6 月 2 2日正式开通 运营 ，其电力监控系统稳定运行 ，证明该系统结 构切实可行 。该系统得到调度员 、维修工程师以 及建设单位的一致好评。 变电所 电力监控 系统基于串 口服务器 的以太 网方案 以及监控层备用服务器对 的优化方案均是 对现行方案的持续改进 ，将大幅提供系统的响应 性能和可靠性 ，适于电力监控系统高可靠性 、高 响应性 的要求 。 参考文献 ： 1 高鸣燕 ，陆文 城 市轨 道 交通 电力监控 系统设计研 究 J 城市轨道交通研究，2 0 0 3( 6 ) ：5 1 - 5 4 2 于松伟，杨兴山 城市轨道交通供电系统设计原理与 应用 M 成都：西南交通大学出版社，2 0 0 8 3 方 东阳 光纤以太网技术在城市轨道交通电力监控 系 统 中的应 用 J 城 市轨道 交通研 究 ，2 0 0 8 ，1 1 ( 9 ) ：4 7 4 9 第一作者简介：李剑波，男，1 9 7 9 年生，山西长治人 ，硕 士，工程师。研究领域 ：轨道交通智能控制技术及计算机 应用。 ( 编辑 ： 向飞) 。卜- 卜- 。卜 - 。 卜- 卜- 。卜 - 。-卜 - 一 - +- 一 +- - 一 - - 4 - - - +- +- + - -+ - +- +- +- - 4 - - - +- +一 +- +- +- +一 +一 +- +- + +- +- +- + ( 上接第 l 6 页) ( 3 )通过 同步过程 的台架试验 ，验证了此控 制策略的可行性。试验结果表 明，该控制策略可 以在允许 的最大冲击度范围内满足所要求的同步 时间，提高换档品质 ，延长同步器的使用寿命 。 参考文献 ： 1 任永强，梅宇 基于换档冲量计算的同步器性能测试 J 组 合机 床 与 自动 化加 工技 术 ，2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 71 -73 2 何忠波，梁宪福 A MT 换档过程动力学建模及换档品 质影响因素分析 J 军械工程学院学报 ，2 0 0 4 ，1 6 ( 6 ) ：4 5 4 9 3 陈宁 ，赵 丁选 ，于微 波 改善 动力换挡 变速 箱换 挡品 质的研究 J 机床与液压，2 0 0 4( 1 O ) ：2 9 3 1 4 关文迭 汽车构造 M 北京 ：机械 工业 出版社 ， 2 Ol 1 5 赵熙俊，刘海鸥，陈慧岩 基于同步器的 自动机械 变 速器挂档过程控制研究 J 兵工学报，2 0 1 0( 5 ) ： 53 4 -54 0 6 陈家瑞 汽车构造 ：第2 版 M 北京：机械工业出 版 社 2 0 0 6 7 金伦，程秀生 A MT换档过程的离合器控制 J 汽 车技术 ，2 0 0 6 ( 1 ) ：l l l 3 8 刘金琨 先进 P I D控制 M A T L AB仿真 ：第2 版 M 北 京：电子工业 出版社 。2 0 0 4 第一作者简介：罗元月，男，1 9 6 7 年生，湖南人，大学本 科。研究领域：车辆工程。已发表论文9 篇。 ( 编辑 ： 阮毅) L L