新一代地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案探討

徐欽煒 賴沛鑫 陸學(xué)文 廖權(quán)保 余龍

摘? 要：通過挖掘現(xiàn)有地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)（PSCADA）系統(tǒng)組網(wǎng)方案存在的通信規(guī)約不統(tǒng)一、系統(tǒng)不開放、運維效率低等問題，結(jié)合電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進行新一代PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案探討。分別從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架、通信規(guī)約統(tǒng)一化、通信速率、故障弱化、運行維護等方面去對比新舊PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案的優(yōu)劣，希望探討出的新一代地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案能夠更加可靠、高效、經(jīng)濟、智能。

關(guān)鍵詞：地鐵變電所;PSCADA;組網(wǎng)方案;IEC 61850

中圖分類號：TN915.852;TP277? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0056-03

Abstract：By digging out the problems of inconsistent communication protocol，the system not open and low operation and maintenance efficiency existing in the existing PSCADA system networking scheme for Metro substations，the new generation PSCADA system networking scheme is discussed in combination with the only universal IEC61850 standard in the field of power system automation. The advantages and disadvantages of the new and old PSCADA system networking schemes are compared from the aspects of network structure framework，unification of communication protocols，communication rate，fault weakening，operation and maintenance. It is hoped that the new generation of PSCADA system networking schemes for metro substations can be more reliable，efficient，economical and intelligent.

Keywords：subway substation;PSCADA;networking scheme;IEC61850

0? 引? 言

近二十年來，計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器（物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，技術(shù)的進步促進了很多行的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代。而隨著城市化進程的發(fā)展，地鐵在城市軌道交通中扮演的角色也越來越重要，它的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行，直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。但是，由于地鐵線路的增加、延長，運維成本的上升，原來的地鐵變電所PSCADA越來越不能滿足地鐵供電的新需求，急需進行技術(shù)創(chuàng)新，探索出更可靠、更高效、更經(jīng)濟、更智能的PSCADA系統(tǒng)。

1? 地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)概述

地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)（PSCADA），主要是對地鐵車站、停車場、車輛段、主變電站和變電所35kV中壓交流系統(tǒng)、1500V（750V）直流供電系統(tǒng)、0.4kV交流系統(tǒng)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行監(jiān)控[1]。它的主要功能有：數(shù)據(jù)采集和處理;遙測、遙信、遙控、遙調(diào);界面顯示;事故和預(yù)告告警;故障錄波和事故追憶等，達(dá)到實施監(jiān)視控制，保證供電穩(wěn)定的目的。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，PSCADA系統(tǒng)的技術(shù)方案在不斷地尋求進步和完善，良好的組網(wǎng)方式及設(shè)備選型對PSCADA系統(tǒng)的安全可靠提高十分關(guān)鍵。

2? 現(xiàn)有地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案

地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)目前采用總控式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

整個組網(wǎng)方案可以分成三部分組成：（1）35kV交流室的繼電保護測控裝置與所內(nèi)的公用測控裝置直接通過網(wǎng)口（103規(guī)約）接入到網(wǎng)口交換機;（2）1500V直流室繼電保護測控裝置與負(fù)極柜通過串口匯集到一個串口服務(wù)器，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口通信后接入到網(wǎng)口交換機;（3）其余分散的串口通信裝置（如：溫控器、交直流屏裝置、0.4kV開關(guān)柜、軌電位、電度表）則直接接入到通信管理裝置進行規(guī)約轉(zhuǎn)換。

從數(shù)據(jù)流向來看，整個PSCADA系統(tǒng)的中心是“通信管理裝置”。一方面，它向下通過交換機和串口通信端子采集變電所內(nèi)數(shù)據(jù);另一方面，它向上接入車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)與中央級OCC系統(tǒng)通信，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳與下達(dá)[2]。此外，它還負(fù)責(zé)所內(nèi)PSCADA系統(tǒng)的人機界面數(shù)據(jù)處理。所有的數(shù)據(jù)處理都由“通信管理裝置”進行采集、規(guī)約轉(zhuǎn)換、上傳下達(dá)，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不滿足設(shè)計的故障弱化原則。當(dāng)它出現(xiàn)問題時，不管是所內(nèi)PSCADA監(jiān)控還是OCC監(jiān)控都將失效，整個地鐵變電所將處于無監(jiān)控狀態(tài)，操作只能在開關(guān)柜上就地進行，增加了運行風(fēng)險。

另外，現(xiàn)有的“通信管理裝置”不但有RTU功能，還集成了規(guī)約轉(zhuǎn)換的功能，這使得網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜，現(xiàn)場施工布線難度大。而且將遠(yuǎn)傳、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、規(guī)約轉(zhuǎn)換集中到一臺裝置上來實現(xiàn)，導(dǎo)致現(xiàn)場任何一個與之相關(guān)的改動，都會對“通信管理裝置”進行操作。這對日常的運行維護或者后期改造升級工作來說，都將擴大工作影響范圍，也讓變電所在進行“通信管理裝置”維護工作時處于了無監(jiān)控狀態(tài)。

從通信介質(zhì)來看，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除了35kV交流室的繼電保護測控裝置采用網(wǎng)絡(luò)103規(guī)約通信外，其余裝置的還是采用90年代的串口通信。整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存在傳輸速率慢，上傳數(shù)據(jù)不完全等問題。這也導(dǎo)致現(xiàn)有的PSCADA系統(tǒng)無法進行一些面向運維的高級功能擴展，無法降低地鐵變電所的運維成本。同時，整個系統(tǒng)也存在著多個通信規(guī)約，無法簡單便捷地與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，造成信息孤島。所有的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過“通信管理裝置”進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，這就導(dǎo)致了現(xiàn)有地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)的開放性較差，在后期改造、擴展上難度很大。

3? 新一代地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案

從目前地鐵工程建設(shè)實施的經(jīng)驗以及國內(nèi)外變電所設(shè)備運行維護的經(jīng)驗來看，新一代地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵在于實現(xiàn)通信接口標(biāo)準(zhǔn)化、提高設(shè)備間的互操作性、研發(fā)面對運維的高級應(yīng)用功能這三方面進行[3]。最終，構(gòu)建出一個開放、安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟、智能的新一代地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)。

IEC 61850規(guī)約于2003年由國際電工委員會發(fā)布，已成為國際先進標(biāo)準(zhǔn)。它通過對變電所自動化系統(tǒng)中的對象進行統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口（ACSI），并支持TCP/IP協(xié)議，是一個開放的，代表了未來變電所綜合自動化技術(shù)發(fā)展方向的通信協(xié)議，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)了變電站自動化系統(tǒng)中信息的數(shù)字化，包括在站控層和間隔層實現(xiàn)基于高速以太網(wǎng)的實施通信，也包括在過程層實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的通信。這種基于以太網(wǎng)的通信架構(gòu)的采用，統(tǒng)一了通信系統(tǒng)的物理介質(zhì)，減少了因為不同的物理介質(zhì)而導(dǎo)致的互聯(lián)問題，同時在過程層中采用以太網(wǎng)進行二次電氣量的數(shù)字化傳輸，將大大減少變電站的接線工作，方便工程設(shè)計和維護[4]。

同時，國內(nèi)電網(wǎng)行業(yè)于2004年將IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)作為電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并開始在智能變電站中運用，該標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)智能化變電站技術(shù)進行了規(guī)范和統(tǒng)一，新建和改造了大量的新一代變電所，為地鐵變電所綜合自動化的發(fā)展積累了大量的經(jīng)驗。基于IEC 61850規(guī)約，考慮現(xiàn)有的PSCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的問題以及地鐵變電所運行維護的需要，構(gòu)建新一代地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

變電所內(nèi)裝置采用IEC 61850規(guī)約（非IEC 61850規(guī)約裝置將由“規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置”轉(zhuǎn)換成IEC 61850規(guī)約裝置），通過網(wǎng)線直接接入系統(tǒng)，站控層通信規(guī)約統(tǒng)一為IEC 61850。數(shù)據(jù)匯集到開放的網(wǎng)口交換機，各個客戶端軟件可以直接通過網(wǎng)線接入到交換機與所內(nèi)二次裝置通信，獲取數(shù)據(jù)，無需通過規(guī)約轉(zhuǎn)換。由于所內(nèi)監(jiān)控后臺與“RTU遠(yuǎn)動裝置”都可以直接通過交換機獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了所內(nèi)PSCADA系統(tǒng)與OCC監(jiān)控系統(tǒng)的解耦。這種通信方式取消了通信管理機這個中間環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集更直接，實時性更好。同時，因為采用IEC 61850規(guī)約通信，二次保護裝置需要建模，通信獲得的數(shù)據(jù)更全面，故障定位模塊化，同時也會對數(shù)據(jù)的有效性進行判斷，減少誤報情況。站內(nèi)數(shù)據(jù)的采集還可以擴展到對過程層網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)化保護）的通信狀態(tài)GOOSE信息（保護閉鎖、跳閘、通信狀態(tài)等），可以對保護之間的配合回路與動作過程進行監(jiān)視，避免因電纜虛接、斷裂、絕緣降低等原因出現(xiàn)拒跳、誤跳情況。

基于IEC 61850規(guī)約的PSCADA系統(tǒng)，不但在數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)簡化、功能應(yīng)用上具有優(yōu)勢，而且對于工程建設(shè)、調(diào)試、改造、擴建更加方便快捷。通過配置系統(tǒng)描述文件SCD，可以做到自動生成數(shù)據(jù)庫，保證裝置、后臺、遠(yuǎn)動等系統(tǒng)的信號保持一致，縮短現(xiàn)場調(diào)試工作量。

4? 結(jié)? 論

基于IEC 61850規(guī)約的新一代地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案，它能大幅度改善信息技術(shù)和自動化技術(shù)的設(shè)備數(shù)據(jù)集成，減少工程量、現(xiàn)場驗收、運行、監(jiān)視、診斷和維護等費用，節(jié)約大量時間，增加了PSCADA系統(tǒng)使用期間的靈活性。它解決了變電所綜合自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，還使變電站自動化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用的特性，極大地方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站綜合自動化系統(tǒng)的工程費用，可以在地鐵行業(yè)進行工程嘗試推廣。

參考文獻：

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[3] 王文怡.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的地鐵變電所綜合自動化設(shè)計方案探討 [J].城市軌道交通研究，2013，16（4）：54-57+91.

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作者簡介：徐欽煒（1988-），男，漢族，江西贛州人，工程師，本科，主要研究方向：城市軌道交通供電系統(tǒng);賴沛鑫（1988-），男，漢族，廣東揭陽人，工程師，本科，主要研究方向：軌道交通智能變電站運維系統(tǒng)應(yīng)用;陸學(xué)文（1988-），男，布依族，貴州都勻人，工程師，本科，主要研究方向：城市軌道交通供電管理技術(shù);廖權(quán)保（1990-），男，漢族，廣東梅州人，工程師，本科，主要研究方向：軌道交通智能變電站數(shù)字化電流保護應(yīng)用;余龍（1981-），男，漢族，四川眉山人，高級工程師，碩士，主要研究方向：城市軌道交通供電系統(tǒng)。