基于SOA 架構(gòu)的牽引供電綜合SCADA 系統(tǒng)

安英霞

0 引言

自20 世紀80 年代末以來，國內(nèi)自行研制的牽引供電SCADA 系統(tǒng)已完全取代國外進口裝備，雖已經(jīng)歷了3 代系統(tǒng)的變遷，但仍然存在著標(biāo)準化程度不高、兼容性差、監(jiān)控規(guī)模偏小的不足。面對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)所采用的全新調(diào)度模式，以及系統(tǒng)規(guī)模大、建設(shè)周期長、互聯(lián)互通要求高的特點，有必要研制滿足中國高速鐵路建設(shè)需求的新一代供電綜合SCADA 系統(tǒng)。

1 應(yīng)用需求分析

1.1 調(diào)度模式

國內(nèi)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用N＋1 調(diào)度管理模式，即在全國范圍內(nèi)設(shè)置N 個區(qū)域調(diào)度所，一個災(zāi)難備用（以下簡稱災(zāi)備）調(diào)度中心。區(qū)域調(diào)度所負責(zé)管轄區(qū)域內(nèi)的所有高速鐵路供電系統(tǒng)的監(jiān)視控制和調(diào)度指揮，災(zāi)備調(diào)度中心在正常工作模式下負責(zé)監(jiān)視各區(qū)域調(diào)度所供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并在必要時提供協(xié)調(diào)性調(diào)度指揮建議，在災(zāi)備模式下，負責(zé)實現(xiàn)對某一區(qū)域調(diào)度所的災(zāi)難備用功能。

1.2 監(jiān)控對象[1]

高速鐵路供電綜合SCADA系統(tǒng)不再沿用普速鐵路中對牽引供電系統(tǒng)、電力配電系統(tǒng)分別設(shè)置獨立監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，系統(tǒng)的監(jiān)控對象不僅包括牽引供電系統(tǒng)，同時還包括10 kV 電力配電系統(tǒng)。牽引供電監(jiān)控對象包括牽引變電所、AT 分區(qū)所、AT 所、開閉所、接觸網(wǎng)電動隔離開關(guān)。10 kV 電力配電監(jiān)控對象包括：（35）10 kV（變）配電所、箱式變電站、10/0.4 kV 低壓變電所。

1.3 監(jiān)控容量

根據(jù)2008 年頒布的《中長期鐵路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃》，到2020 年，中國將建成總里程1.6 萬公里的高速鐵路網(wǎng)[2]。假定在全國范圍內(nèi)將建立6 個區(qū)域調(diào)度所，則每個區(qū)域調(diào)度所的平均監(jiān)管里程約為2 700 km。根據(jù)對現(xiàn)已投運的高速鐵路供電系統(tǒng)被控站點的統(tǒng)計分析，假定綜合SCADA 系統(tǒng)的每一類被控站點的設(shè)置里程數(shù)、I/O 點數(shù)如表1 所示。

根據(jù)上述容量估算基礎(chǔ)表格，可以估算出至2020 年時計劃建設(shè)的區(qū)域調(diào)度所的被控站數(shù)量和總的監(jiān)控I/O 點數(shù)：在不考慮每個區(qū)域調(diào)度所監(jiān)管里程數(shù)差異的情況下，各所的I/O 監(jiān)控容量至少為52 萬點，若考慮系統(tǒng)擴容等影響因素，則I/O 監(jiān)控容量可達62 萬點。若考慮各區(qū)域調(diào)度所監(jiān)管里程不一致的情況，對于監(jiān)控里程數(shù)較多的調(diào)度所，其I/O 監(jiān)控容量有可能高達100 萬點。

表1 高速鐵路被控站設(shè)置里程及I/O 點數(shù)估算表

1.4 功能需求

隨著自動化系統(tǒng)應(yīng)用的成熟和電氣設(shè)備品質(zhì)的提升，國內(nèi)高速鐵路牽引供電和電力配電系統(tǒng)的被控站點將采用無人值守的運行模式，所以供電綜合SCADA 系統(tǒng)除了完成常規(guī)的監(jiān)視和控制功能外，還需為電力調(diào)度人員、生產(chǎn)搶修人員提供豐富的故障分析數(shù)據(jù)（如故障錄波、故障報告等），以加快供電系統(tǒng)事故的處理進程。同時，綜合SCADA系統(tǒng)還需具備配電自動化系統(tǒng)DMS（Distributed Management System）的故障判斷和故障隔離功能，以及對被控站系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)（如保護定值、各類閥值等）進行遠程設(shè)置的功能。

1.5 接口需求

供電綜合SCADA系統(tǒng)需要與國內(nèi)高速鐵路總體技術(shù)框架下統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)的運營調(diào)度系統(tǒng)[3]、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、綜合維修管理信息系統(tǒng)、既有線電調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)雙向互連互通；與火災(zāi)報警系統(tǒng)（FAS）、時鐘系統(tǒng)、國家電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)單向互連互通。

1.6 建設(shè)目標(biāo)

國內(nèi)高速鐵路供電綜合SCADA系統(tǒng)按照統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施的建設(shè)原則，結(jié)合調(diào)度系統(tǒng)的規(guī)劃，建設(shè)一套適合國內(nèi)高速鐵路供電系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)準、統(tǒng)一制式、統(tǒng)一調(diào)度指揮，具備先進成熟、安全可靠、靈活穩(wěn)定特性的系統(tǒng)。

因此，國內(nèi)高速鐵路供電綜合SCADA 系統(tǒng)的建設(shè)面臨著大容量、高擴展、長周期的應(yīng)用挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 體系架構(gòu)

高速鐵路供電綜合SCADA 系統(tǒng)采用分層、分布式結(jié)構(gòu)，按照調(diào)度管理層、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場設(shè)備層進行建設(shè)。

調(diào)度管理層系統(tǒng)包括1 個災(zāi)備調(diào)度中心，N 個區(qū)域調(diào)度所。網(wǎng)絡(luò)通信層包括連接災(zāi)備調(diào)度中心與各區(qū)域調(diào)度所之間、區(qū)域調(diào)度所與現(xiàn)場設(shè)備層間的通信傳輸承載網(wǎng)絡(luò)，以及災(zāi)備調(diào)度中心與現(xiàn)場設(shè)備層間的災(zāi)難備用傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用SDH 或MSTP 傳輸承載網(wǎng)絡(luò)[4，5]。

現(xiàn)場設(shè)備層系統(tǒng)分別設(shè)置在客運專線沿線的牽引變電所、分區(qū)所、開閉所、AT 所、（35）10 kV（變）配電所、10 kV 低壓變電所、箱式變電站內(nèi)，完成現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集功能。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

供電綜合SCADA 系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 供電綜合SCADA 系統(tǒng)的總體技術(shù)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件平臺包括交換機、防火墻等網(wǎng)絡(luò)通信平臺，以及由服務(wù)器、工作站和SAN（Storage Area Network）光纖存儲系統(tǒng)構(gòu)成的計算平臺。

在統(tǒng)一的基礎(chǔ)硬件架構(gòu)上，采用雙機、雙網(wǎng)、雙存儲光通道熱備方式的冗余措施，確保在關(guān)鍵硬件部分消除單點失效；采用高擴展的服務(wù)器、模塊化的網(wǎng)絡(luò)交換機和UPS 設(shè)備，以確保硬件架構(gòu)的高可擴展性。

綜合SCADA的系統(tǒng)軟件平臺在底層操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配置了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、集群管理系統(tǒng)和備份系統(tǒng)，通過其提供的數(shù)據(jù)備份恢復(fù)、系統(tǒng)恢復(fù)、數(shù)據(jù)日志、故障處理等功能，提高系統(tǒng)的高可靠性。

在統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件平臺支撐下，綜合SCADA系統(tǒng)采用了具備高可靠性、高擴展性、超大容量的平臺軟件，并在該基礎(chǔ)上集成開發(fā)綜合SCADA 系統(tǒng)的各種應(yīng)用軟件。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 區(qū)域調(diào)度所硬件配置

綜合SCADA區(qū)域調(diào)度所系統(tǒng)內(nèi)部的局域網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，分別獨立設(shè)置了數(shù)據(jù)處理網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)、SAN 光纖存儲網(wǎng)和接口局域網(wǎng)，這4 個子網(wǎng)相互獨立，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的分流，降低網(wǎng)絡(luò)負載，以提高系統(tǒng)響應(yīng)時間。

綜合SCADA區(qū)域調(diào)度所的硬件配置還充分考慮到網(wǎng)絡(luò)安全及管理的需要，設(shè)置了硬件防火墻、獨立的網(wǎng)絡(luò)病毒防護工作站等。

3.2 基于SOA 的平臺軟件

綜合SCADA系統(tǒng)的平臺軟件可以按照硬件的配置以及應(yīng)用的需要在一個廣域分布的系統(tǒng)中實現(xiàn)靈活的部署，無論是災(zāi)備調(diào)度中心還是各區(qū)域調(diào)度所的系統(tǒng)均構(gòu)建在該統(tǒng)一的軟件平臺上。

平臺軟件基于具備可重用性、低耦合、分布式和開放性特點的SOA 架構(gòu)[6，7]和實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在通用SCADA業(yè)務(wù)模型的基礎(chǔ)上提供了具有良好開放性的工業(yè)域名服務(wù)、軟件和設(shè)備通信集成服務(wù)、信息和數(shù)據(jù)管理服務(wù)、應(yīng)用開發(fā)服務(wù)、系統(tǒng)管理和擴展服務(wù)，從而為高速鐵路供電綜合SCADA系統(tǒng)提供了一整套標(biāo)準化、組件化的基礎(chǔ)解決方案，也便于實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

平臺軟件支持超大規(guī)模的I/O 監(jiān)控點數(shù)，可方便構(gòu)建分布式多客戶端/多服務(wù)器架構(gòu)，無論是客戶端還是服務(wù)器端均可由數(shù)量眾多的物理設(shè)備構(gòu)成，并可按照N+1 調(diào)度模式的要求分別在災(zāi)備調(diào)度中心、各區(qū)域調(diào)度所進行統(tǒng)一的分布部署。

3.3 災(zāi)備調(diào)度中心實現(xiàn)方案

為了減少災(zāi)備調(diào)度中心的信息處理流量，在正常運行模式下，災(zāi)備中心不直接接收和處理來自現(xiàn)場設(shè)備層的實時采集數(shù)據(jù)，災(zāi)備調(diào)度臺分別作為各區(qū)域調(diào)度所的分布式遠程調(diào)度臺，有關(guān)綜合SCADA 業(yè)務(wù)的處理及實時數(shù)據(jù)的采集均分別在相應(yīng)的客運專線調(diào)度所完成。該分布式遠程調(diào)度臺的工作模式具備如下優(yōu)點：

（1）大大減少了災(zāi)備調(diào)度中心系統(tǒng)服務(wù)器硬件配置數(shù)量及其信息處理量，并充分利用了區(qū)域調(diào)度所的硬件處理能力。

（2）無需維護災(zāi)備調(diào)度中心與各區(qū)域調(diào)度所的數(shù)據(jù)一致。

為了實現(xiàn)災(zāi)難備用功能，綜合SCADA 系統(tǒng)災(zāi)備調(diào)度中心配置了一套冷備的服務(wù)器組，以實現(xiàn)對所接管的災(zāi)難調(diào)度所系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理、歷史數(shù)據(jù)存儲、SCADA 業(yè)務(wù)邏輯處理、遠程通信、系統(tǒng)配置管理等功能。考慮到部調(diào)度中心系統(tǒng)的災(zāi)備模式啟用頻度極低，災(zāi)備調(diào)度中心的服務(wù)器不再采用雙機冗余配置，其最終配置的服務(wù)器數(shù)量將根據(jù)監(jiān)管容量最大的區(qū)域調(diào)度所確定。

3.4 系統(tǒng)擴展方案

在超大監(jiān)控容量、支持分布式部署的平臺軟件的支持下，綜合SCADA 系統(tǒng)的擴展工程首先是進行硬件設(shè)備的擴展，然后通過平臺軟件將業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)部署到新增的服務(wù)器或工作站上。

硬件設(shè)備的擴展包括：網(wǎng)絡(luò)交換機端口數(shù)量、調(diào)度臺工作站節(jié)點、服務(wù)器節(jié)點、UPS 電源模塊等。其中調(diào)度臺的擴展可以通過設(shè)置新的調(diào)度臺，或者擴充既有調(diào)度臺的監(jiān)控范圍來實現(xiàn)。對于服務(wù)器節(jié)點的擴展，可通過增加CPU 處理器個數(shù)、規(guī)模更大時可通過加入新的服務(wù)器節(jié)點實現(xiàn)服務(wù)器的外向擴展。

綜合SCADA系統(tǒng)平臺軟件具有在線維護的特性，所以當(dāng)新增服務(wù)器和工作站節(jié)點后，在完全不影響正在運行的應(yīng)用業(yè)務(wù)情況下，可以完成新增服務(wù)器或是工作站應(yīng)用業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的在線部署等工作，從而保證綜合SCADA 系統(tǒng)分步實施的無縫進行。

4 應(yīng)用實例

高速鐵路供電綜合SCADA 系統(tǒng)自2009 年實施以來，已完成了3 個區(qū)域調(diào)度所基礎(chǔ)平臺的搭建，并分別接入了石太線、合武線、武廣線、鄭西線、滬杭線，接入高鐵線路的總里程近2 100 km。其中規(guī)模最大的區(qū)域調(diào)度所已管轄了近1 300 km的多條高速鐵路。截至2010 年底，相應(yīng)的區(qū)域調(diào)度所將完成海南東環(huán)線、廣珠城際線、廣深港線的接入工作，2011 年將完成京滬線、寧杭線等高鐵線路的接入工作。

5 總結(jié)展望

目前，在投入運行的各線路中，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，功能完善，達到了系統(tǒng)的功能設(shè)計要求。其中一個區(qū)域調(diào)度所已經(jīng)實現(xiàn)了多條高速鐵路的接入，監(jiān)控規(guī)模已接近25 萬點，從而驗證了系統(tǒng)軟硬件平臺所具備的監(jiān)控容量大、擴展靈活的特點。通過該項目的實施，形成并完善了一系列配套的技術(shù)和工程應(yīng)用標(biāo)準，規(guī)范了相應(yīng)的接口標(biāo)準，從而大大降低了工程實施難度，縮短了實施周期。

但是，由于災(zāi)備調(diào)度中心尚未開始建設(shè)，供電綜合SCADA 系統(tǒng)的災(zāi)備方案尚需實踐驗證；系統(tǒng)的監(jiān)控容量尚在擴展，系統(tǒng)仍然面臨著穩(wěn)定性和實時響應(yīng)能力的考驗；系統(tǒng)在信息展示的清晰一致方面還需完善，以便更直觀、簡潔地展示最有價值的運行數(shù)據(jù)。此外，對電氣設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)以及接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的接入，以及對基于海量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析挖掘之上的高級應(yīng)用功能的開發(fā)也將是未來該系統(tǒng)的研究方向。

[1] TB 10621-2009 J971-2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范（試行）[S].

[2] 鐵道部.中長期鐵路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃[Z].北京，2008.

[3] 姚鈞.鐵路客運專線運營調(diào)度系統(tǒng)總體技術(shù)方案[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[4] 肖萍萍，吳健學(xué).SDH 原理及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5] 佟卓，謝宇晶，尹斯星.寬帶城域網(wǎng)與MSTP 技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[6] M.Huhns, and M.P.Singh.Service-Oriented Computing:Key Concepts and Principles [J].IEEE Internet Computing,2005, 7(1):75-81.

[7] N.M.Josuttis，程樺譯.SOA 實踐指南－分布式系統(tǒng)設(shè)計的藝術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.