基于嵌入式網(wǎng)絡的地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)設計分析

摘要 文章以地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化設計為目標，綜合調用文獻調查法、對比分析法等科學方法，深入剖析了PSCADA系統(tǒng)功能特征，梳理了系統(tǒng)整體架構設計，繼而從微處理器、電磁兼容設計等角度出發(fā)對其硬件、軟件配置進行展開闡述，在此基礎上細化說明系統(tǒng)施工具體要求，結果證明該系統(tǒng)具有較為強大的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及業(yè)務處理功能，可以滿足地鐵實際運營需求。

關鍵詞 嵌入式網(wǎng)絡;地鐵變電所;綜合自動化系統(tǒng)

中圖分類號 U239.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）08-0001-03

0 前言

地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)PSCADA是城軌交通重要組成部分，被譽為地鐵網(wǎng)絡生命線，具有全天候、實時化的監(jiān)控功能，可以面向地鐵車輛段、直、交流供電系統(tǒng)等，開展數(shù)據(jù)采集、故障預測等操作，為地鐵的平穩(wěn)、安全運行提供保障。當前伴隨通信科技的進步，PSCADA系統(tǒng)技術方案還在持續(xù)優(yōu)化，采用嵌入式網(wǎng)絡結構，可以較好地提升系統(tǒng)通信能力，應進行深入研究和探索。

1 地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)功能特征概述

PSCADA系統(tǒng)具有鮮明的綜合化、可視化特征，可以對信號系統(tǒng)、機電保護裝置等進行整合、集成，并借助通信技術、計算機技術等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、呈現(xiàn)，為遙控、檢修等工作提供依據(jù)?，F(xiàn)階段伴隨科技體系的完善，地鐵變電所中引用微機數(shù)字化裝置輔助控制的現(xiàn)象已經(jīng)相當常見，但各裝置協(xié)調、統(tǒng)合的能力仍有較大進步空間，很多裝置存在功能交叉的問題，采集信息的共享程度也相對較低，PSCADA系統(tǒng)的出現(xiàn)較好地解決了這一難題，它主要由3個層次構成：所級管理層，主要由數(shù)字、模擬I/O，顯示器、控制器等組成;網(wǎng)絡通信層，主要包含通信網(wǎng)絡、設備接口等;間隔設備層，主要采用分散分布形式，包含采集、保護等單元?？v觀現(xiàn)階段各地鐵線路自動化系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀，分布式、智能化的特征愈發(fā)明顯，系統(tǒng)本身與以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等的結合也愈發(fā)緊密，再加上地鐵變電站本身結構復雜，容易受到溫濕度、振動等因素的影響，在地鐵建設規(guī)模持續(xù)擴大的今天，兩層串行總線通信、多種現(xiàn)場總線并存的通信方式，以及經(jīng)由Web、Lcq等實現(xiàn)通信的方式在實時性、經(jīng)濟性方面適用性明顯下降，須通過以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡等對其進行改進、優(yōu)化。

2 地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)整體架構設計

根據(jù)當前地鐵站運行實際，采用分層分布式搭建思路，同時引入LAN技術，對所有智能裝置進行連接，整體架構分為3層（見圖1），其中站級管理層位于頂部，通信控制器是其核心部件，實踐時可采用工業(yè)級產品，保證其處理能力、響應速度達到最佳標準。站級管理層與下層設備連接，通過LAN接收相關數(shù)據(jù)后，整合存儲至數(shù)據(jù)庫并遠程傳輸至調度中心，其本身無須設置采集系統(tǒng)，也無須設置執(zhí)行機構，可依據(jù)實際需要選擇UNIX系統(tǒng)，或Windows系列系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫選擇也十分多樣，主要有Oracle、Sybase等[1]，內部遵循軟總線連接，開放性、交互性更有保障。

通信管理層則處于核心樞紐地位，能夠在各層級、設備間建立連接，促成指令的上傳下達，通信網(wǎng)絡引用光纖以太網(wǎng)，同時配合雙網(wǎng)冗余結構提升穩(wěn)定性，通信速率較好，網(wǎng)絡節(jié)點維持在64個以上。對于通信層與頂層之間的信號轉換任務，主要借助S3C4510B芯片完成，其實質上是一種32位單片機，裝設有嵌入式以太網(wǎng)控制器，配備18個I/O接口，均為可編程設計。最后是間隔設備層，其具備很好的模擬量轉化功能，同時可以對設備進行測量、保護，能夠在系統(tǒng)、設備之間建立良好聯(lián)系，主要包含了分散測控裝置、保護單元以及信息采集單元等，與隔離開關、排流柜等下層設備之間，均采用硬接點接入方式[2]。運行環(huán)節(jié)采用三級控制模式，在設備本體控制的基礎上，結合信號盤集成控制，以及管理站遠程控制，三種方式之間相互閉鎖，最大限度提升安全性能。

現(xiàn)階段地鐵變電所網(wǎng)絡拓撲結構設計中，常見的主要有以下幾種：其一是星型，排線時以站級計算機為中心，借助光纖、電纜等與外圍設備相連，監(jiān)控I/O、保護設備等分散布置，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)1∶N的形式。這種模式中各單元相互獨立，維修操作相對便捷，串行通信較為簡單，但缺點是接線復雜，施工成本相對較高。其二是環(huán)型結構，系統(tǒng)中不同IED采用兩兩相連方式，最終組成一個閉合的環(huán)狀，只有相鄰兩節(jié)點可以進行通信共享，當某段線路、某個單元發(fā)生故障時，并不會危害整個系統(tǒng)，但中繼器故障時，會面臨較高的系統(tǒng)癱瘓風險，故障診斷也相對困難，擴展性不容樂觀。其三是總線型結構，在局域網(wǎng)中，該結構屬于最為常見的形式，站級計算機主要經(jīng)由共享通道與IED相連，每個單元均有獨立地址，整體連通性好，通信費用低。結合地鐵運行實況，以及各線路結構優(yōu)勢特征，該文選擇了復合型拓撲架構，整體為總線形式，部分線路采用星型結構，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)可靠性、擴展性均有所提升。

3 基于嵌入式網(wǎng)絡智能通信單元系統(tǒng)的硬件設計

3.1 微處理器選擇

嵌入式微處理器（MPU）綜合功能強大，可以簡單將之視為小型CPU，主要采用集成化設計思路，對寄存器、指令集等進行整合，借助MPU，系統(tǒng)能夠輕松完成執(zhí)行、運算工作，智能化特征明顯。當前MPU技術發(fā)展主要聚焦于核設計層面，主流的有以下幾種：

（1）MIPS，共有32位、64位兩種選擇，最新產品R8000功能十分強大，在工業(yè)控制等領域均有廣泛應用。

（2）Power PC，其架構可伸縮性較好，整體靈活性高，高端工作站、服務器中均有其身影。

（3）X86，單純從嵌入式領域來看，8080是其首款主流產品，現(xiàn)階段市面上流轉的Pentium繼承了其指令集，整體兼容性較好，但會對CPU性能造成一定限制。

（4）ARM處理器，該種裝置兼具高性能、低功耗的特征，在半導體、整機廠商中廣受歡迎，其主要建立于RISC結構之上，指令數(shù)目較少且長度固定，在單個周期內即可完成任務，同時具有較強的指令處理功能，無須配備額外翻譯器，該文經(jīng)過綜合考量，最終選擇該種處理器。

3.2 電磁兼容設計

考慮地鐵運行環(huán)境特殊，設備種類數(shù)量繁多，系統(tǒng)中還進行了必要的電磁兼容設計，可以較好地規(guī)避電磁干擾因素下系統(tǒng)性能降低的問題，從原理上講，實現(xiàn)兼容設計的思路共有3種，即消除、抑制干擾源，降低受干擾對象敏感度，以及切斷電磁耦合路徑。對于PSCADA來說，可以采用屏蔽、接地處理方式，操作時需要引用低電阻材料，制成屏蔽體并對干擾源、受干擾對象等進行隔離，從而有效切斷耦合通道。接地環(huán)節(jié)要對總線電位進行監(jiān)控，保證各節(jié)點一致，若有多電路公用接地線的需求時，阻抗應當控制在一定范圍之內。也可以采用隔離、濾波操作方案，在PSCADA中，主要用于強、弱電線路的處理，兩者之間可以增設隔離變壓器進行干擾調節(jié)，也可采用光電耦合器進行優(yōu)化，其本身輸入阻抗較小，當電路接通時，兩回路之間分布電容減小，因此可以較好地解決內阻高、能量小的信號干擾問題[3]。

3.3 存儲器設計

存儲器系統(tǒng)設計時采用分布式思維，綜合多重因素后在內部設置FLASH模塊，其整體操作較為簡便，能夠滿足在線升級、擦寫等需求，為提高適用性，系統(tǒng)共設置了2種不同容量的芯片，512 K元件存儲信息較為基礎，包含啟動參數(shù)、配置參數(shù)等，如IP地址、主機名等均在其處理范圍之內;1 M元件則主要面向應用程序，系統(tǒng)芯片內部還安裝了8 K的緩存空間，提升存儲系統(tǒng)的可靠性。在此基礎上增加了一個容量為8 M的SDRAM，額定電壓為3.3 V，地址線為16位，直接通過接口與系統(tǒng)芯片相連，無須額外增設控制器，主要功能在于存放運行程序、數(shù)據(jù)等信息，當系統(tǒng)正式進入運行階段之后，512 K FLASH率先工作，運行啟動代碼，并將操作系統(tǒng)復制到SDRAM中，為后續(xù)事務處理奠定基礎。

4 基于嵌入式網(wǎng)絡智能通信單元的軟件設計

4.1 實時多任務操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)在計算機、信息技術領域經(jīng)過了多年的發(fā)展與完善，與各種新興技術融合、優(yōu)化，當前還衍生出了實時多任務操作方向。傳統(tǒng)模式中，一個單片機所面對的任務數(shù)量較少，在主循環(huán)中心下，配個多個順序調用模塊就可完成指令，但當前地鐵本身數(shù)據(jù)通信量極大，單片機技術也獲得了一定發(fā)展，多任務操作趨勢已經(jīng)愈發(fā)明朗。在硬件滿足需求的基礎上，還應關注PSCADA軟件設計問題，其在實際運行中需要同時控制多個IED，若仍舊沿用原有操作方式，很容易產生處理時間過程、響應中斷等問題，導致變電所運行穩(wěn)定性下降。當前較為可行的軟件設計方案主要有pSOSystem、VxWorks、嵌入式Linux等，它們在兼容性、靈活上各有優(yōu)勢，該文設計中主要引入μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，其源代碼開放，用戶可以較為直觀地查看其中注釋，便捷獲取函數(shù)解釋，整體可讀性極佳;在其代碼范例的設計中，很多是以PC機80×86CPU作背景給出的，可以較為輕松地在DOS窗口中運行，掌握難度大幅下降。從實用性能上看，μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)源代碼多數(shù)為C語言，所用匯編語言占比極少，整體體積也并不算大，能夠較好地滿足現(xiàn)實移植需求[4]。

4.2 網(wǎng)絡通信協(xié)議設計

在國家最新發(fā)布的變電站通信網(wǎng)絡標準中，明確強調了IEC 61850系列指標的關鍵地位，主要解決IED系統(tǒng)通信需求，能夠顯著提升變電所可靠性，降低工程投資，同時也能夠較好地應對傳統(tǒng)電磁式互感器中，磁飽和等不良問題，對于控制電纜引起的信號干擾情況，也有著較強的應對能力，是當前電力系統(tǒng)轉型發(fā)展的重要方向之一。當前PSCADA系統(tǒng)對IEC 61850系列的應用主要有3種形式，分別以站控層、傳統(tǒng)互感器以及全信息交換單元為依托進行設計，閉鎖聯(lián)跳等信息主要采用GOOSE服務，以簡單網(wǎng)絡取代硬接線，降低工程造價，對于35 kV/10 kV電壓等級變電所，采用單星型架構，信息傳輸可采用GOOSE報文形式，或者MMS報文形式。

5 PSCADA系統(tǒng)施工安全要求

PSCADA系統(tǒng)結構較為復雜，安裝施工環(huán)節(jié)應當采用全過程管理思維，施工前要做好圖紙審核、技術交底工作，提升各專業(yè)協(xié)調、統(tǒng)籌程度，同時核對檢查施工裝置器械，確保起重力矩限制器、吊鉤起升高度限位器等狀態(tài)良好，檢查支腿是否全部伸開，路基板或墊木是否墊實，以及電腦監(jiān)控器、報警系統(tǒng)能否滿足安全施工需求，盡可能減少交叉作業(yè)頻率。施工過程中也要筑牢安全意識，起重機行駛、工作的地面應當足夠平整，防止地面沉陷、傾斜等造成安全事故，設備行走過程中要遠離溝渠，與基坑等構造隔開一定距離。例行保養(yǎng)環(huán)節(jié)，要提前開啟起重機主離合器，將操縱桿掛在空擋位置，隨后檢查發(fā)動機傳動、自動部分，確保儀器、鋼絲繩等外觀良好，支腿要全部伸出，撐腳板下方墊上方木，提升機體平衡度，無負荷狀態(tài)下，回轉支承與地面的夾角不能超過1/1 000，并且插好支腿定位銷。施工作業(yè)時如發(fā)現(xiàn)起重機傾斜，或者支腿變形等異常狀況，則要立即放下重物，待到調整正常后繼續(xù)施工。吊裝完畢后要及時進行驗收管理，廣泛收集檔案資料，總結不足與優(yōu)勢，為下次施工作業(yè)積累經(jīng)驗。

6 結論

綜上所述，PSCADA系統(tǒng)是城市交通系統(tǒng)的關鍵組成部分，其運行效率、質量直接關系著出行安全性和體驗度，必須從實踐角度出發(fā)，對其實時性、兼容性等進行優(yōu)化設計。操作時要提前明確整體架構，做好功能、物理層劃分，選擇綜合性能較好的微處理器，采用分布式思維進行存儲器設計，關注通信接口、電源、復位模塊等的安排，同時引入μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)、IEC 61850系列標準完善軟件設計，全面提升PSCADA系統(tǒng)穩(wěn)定性與適用性。

參考文獻

[1]蔡一磊， 李佑文， 褚紅健. 基于夏令時解決方案的PSCADA系統(tǒng)應用與研究[J]. 江蘇科技信息， 2020（24）： 51-53.

[2]李瑩， 張志學， 鄒大云. 軌道交通PSCADA系統(tǒng)設計與應用[J]. 工業(yè)控制計算機， 2020（5）： 45-46+49.

[3]張俊強. 地鐵PSCADA系統(tǒng)升級改造的可行性研究[J]. 中國新技術新產品， 2020（4）： 11-12.

[4]徐欽煒， 賴沛鑫， 陸學文. 新一代地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案探討[J]. 現(xiàn)代信息科技， 2019（7）： 56-58.

收稿日期：2022-02-17

作者簡介：陳興亮（1973—），男，本科，工程碩士，工程師，從事軌道交通電力技術工作。