城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)獨立組網方案與集成方案的對比分析

鄭 聰 程 暢

(1. 寶信軟件(成都)有限公司， 610093， 成都； 2. 上海寶信軟件股份有限公司， 201203， 上?！蔚谝蛔髡?， 助理工程師)

電力監(jiān)控(PSCADA)系統(tǒng)是保證城市軌道交通線路安全、有序運營的重要系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)具備對全線供電設備進行監(jiān)控的功能，通過采集、分析、整理各變電所內設備的數據，使得供電系統(tǒng)調度人員能夠實時、有效地掌握全線的供電情況，并為全線供電系統(tǒng)的調度、運維提供真實、準確的數據支撐。

在云技術、大數據、物聯(lián)網、人工智能、5G(第5代移動通信技術)、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等信息技術[1]快速發(fā)展的環(huán)境下，智慧城市軌道交通(以下簡稱“智慧城軌”)建設將得以蓬勃發(fā)展，這對PSCADA系統(tǒng)的性能及其功能應用的要求也將越來越高。目前，PSCADA系統(tǒng)有獨立組網方案和集成方案兩種主流技術方案，本文重點在數據流程、系統(tǒng)功能及數據應用等方面對這兩種方案進行對比分析。

1 PSCADA系統(tǒng)獨立組網與集成方案概述

1.1 PSCADA系統(tǒng)獨立組網方案

PSCADA系統(tǒng)的獨立組網方案是指PSCADA系統(tǒng)所涉及的變電所綜合自動化系統(tǒng)與電力調度系統(tǒng)之間使用一套專用的數據網，PSCADA系統(tǒng)獨占使用。獨立組網方案的數據流程如圖1所示，各車站變電所的電力數據經變電所綜合自動化系統(tǒng)設備(以下簡稱“綜自設備”)進行采集并整合后，通過變電所交換機、車站交換機、中央交換機經環(huán)網傳送到中央前置服務器，再經中央前置服務器分別傳送至中央系統(tǒng)服務器、中央接口服務器。其中：中央工作站獲取中央系統(tǒng)服務器的電力數據，供調度人員使用；電力數據通過中央接口服務器與信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等外部接口系統(tǒng)對接，提供外部接口系統(tǒng)所需的供電系統(tǒng)數據。

注：除變電所設備和工作站外，其余各層級的設備均有主、備2套冗余；箭頭表示數據流的方向。圖1 PSCADA系統(tǒng)獨立組網方案的數據流程Fig.1 Data flow path of PSCADA system independent networking scheme

1.2 PSCADA系統(tǒng)集成方案

PSCADA系統(tǒng)的集成方案是指PSCADA系統(tǒng)不建立專用數據網，而是復用ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))的數據網。在集成系統(tǒng)方案中，PSCADA系統(tǒng)作為ISCS的一個子系統(tǒng)，用以對城市軌道交通供電系統(tǒng)進行監(jiān)控，PSCADA系統(tǒng)深度集成于ISCS。因此，本文以ISCS作為PSCADA系統(tǒng)集成方案的一種應用體現(xiàn)。PSCADA系統(tǒng)集成方案的數據流程如圖2所示。

注：除變電所設備和工作站外，其余各層級的設備均有主、備2套冗余；箭頭表示數據流的方向；FAS——火災報警系統(tǒng)；BAS——環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)；TFDS——隧道火災探測系統(tǒng)。圖2 PSCADA系統(tǒng)集成方案的數據流程Fig.2 Data flow path of PSCADA system integrated scheme

電力數據和其他專業(yè)的數據由各自系統(tǒng)交換機經車站ISCS交換機傳送至車站的ISCS服務器。車站ISCS服務器對數據進行處理后，一方面將數據發(fā)送至車站工作站，另一方面通過車站交換機經ISCS主干環(huán)網送達中央交換機，最終由中央交換機把電力數據傳送至ISCS中央服務器。ISCS中央工作站從ISCS中央服務器獲取各站的數據信息，供調度人員使用。

2 獨立組網與集成方案綜合對比

PSCADA系統(tǒng)的獨立組網方案和集成方案均可實現(xiàn)PSCADA系統(tǒng)的自身業(yè)務功能，運營調度人員可通過這兩種方案分別對應的系統(tǒng)平臺對供電設備進行監(jiān)視和控制。為了進一步闡述這兩種方案的特性，本文將從以下5個方面對這兩個方案進行對比分析。

2.1 數據應用對比分析

2.1.1 單專業(yè)數據量對比分析

2.1.1.1 獨立組網方案的單專業(yè)數據量

采用獨立組網方案時，所有電力數據均集中在中央服務器。中央服務器的單個專業(yè)數據量與該城市軌道交通線路的車站數量成正比，車站數量越多，中央服務器的電力數據量也越多。這對整個中央服務器的系統(tǒng)性能要求非常高，對系統(tǒng)數據的采集與解析的要求也很高。為了盡量滿足中央服務器所需的性能要求，目前一般采用的對策為：采購高配置服務器，并通過虛擬機技術[2]、負載均衡技術[3]來分攤壓力。

數據高度集中于中央服務器是獨立組網方案的特點，也是該方案的風險點。應用于獨立組網方案的交換機、服務器等設備，均需采用具備高實時性、高穩(wěn)定性和高可靠性的工業(yè)級設備。此外，通過采用虛擬機技術和負載均衡技術，一方面用于擴展網絡設備及服務器的帶寬，增加系統(tǒng)的吞吐量，加強網絡數據的處理能力；另一方面用于分攤集中在一起的電力數據，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和數據處理性能。

2.1.1.2 集成方案的單專業(yè)數據量

集成方案以車站為單位分布式處理電力數據，車站服務器只采集該站的電力系統(tǒng)數據。盡管車站服務器也集成了多個專業(yè)的數據，但相較于獨立組網方案，集成方案下的車站服務器所面對的單個專業(yè)數據量級要小得多。

2.1.2 數據處理及應用對比

2.1.2.1 獨立組網方案的數據處理及應用

獨立組網方案不僅具有供電系統(tǒng)設備的監(jiān)控和數據采集功能，還能對采集得到的數據作進一步的處理。例如，可對電力故障報警數據進行分類與分析，自動生成報警分析報告；通過采集得到的設備本體定額數值來計算設備的告警限值，并向調度人員提供正常數值范圍，供調度人員進行故障處理時參考。但對于包含多個設備專業(yè)的城市軌道交通系統(tǒng)而言，獨立組網方案只包含供電系統(tǒng)的數據處理與分析結果，輔助調度人員作出決策所需的關鍵數據過于單一。

2.1.2.2 集成方案的數據處理及應用

如圖2中所示，ISCS中央服務器根據需求可采集各站各專業(yè)數據。在集成方案下，這些數據將得到更好的應用。例如，對設備故障報警問題可結合供電、AFC(自動售檢票)、BAS、FAS等集成專業(yè)進行更全面的分析，得出的分析報告將更為可靠，可為調度人員決策提供更為準確的關鍵數據。除了故障報警分析外，數據報表、設備檢測預警、潮流計算、雪崩解決方案等也是數據綜合分析與應用進一步發(fā)展的方向，集成方案均能滿足這些方面的數據處理需求。由此可見，相比獨立組網方案，集成方案在數據分析應用方面的功能更為全面。

2.2 數據流程對比分析

采用獨立組網方案時，電力系統(tǒng)的所有數據均匯聚于中央前置服務器，這不僅增加了數據處理的難度，也加大了發(fā)生單點故障的風險。若中央前置服務器發(fā)生故障，將導致中央系統(tǒng)服務器和中央接口服務器的電力數據出現(xiàn)異常，這可能會導致調度工作站無法監(jiān)控全線的電力設備，還會使外部接口系統(tǒng)無法獲取所需的電力數據，進而擴大故障的影響范圍。

集成方案下，各車站的電力系統(tǒng)數據以車站為單位，采用分布式處理技術對數據進行處理。若某車站服務器發(fā)生故障，在中央服務器和中央工作站的實時電力數據中只有該站的數據存在問題，不影響其他車站電力數據的正常傳送，也不影響調度人員對其他車站進行正常的監(jiān)控。反之，當中央服務器或中央工作站出現(xiàn)故障而失去監(jiān)控能力時，可降級為由車站接管監(jiān)控。分布式數據處理方式可在一定程度上降低處理電力數據的壓力，降低服務器故障所帶來的影響，在運營過程中對故障的應急處理更為靈活，在整體上提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 建設成本對比分析

PSCADA系統(tǒng)獨立組網與集成兩種方案在建設成本中的主要區(qū)別體現(xiàn)在系統(tǒng)平臺的搭建及接口調試兩個方面。

2.3.1 獨立組網方案平臺的搭建及接口調試

采用獨立組網方案時，電力數據從變電所到中央工作站經由單獨的通道進行傳輸。獨立組網方案下的PSCADA系統(tǒng)除了變電所內的綜自設備系統(tǒng)和交換機外，至少還需采購2臺前置中央服務器、2臺中央系統(tǒng)服務器、2臺中央接口服務器、2臺中央交換機、1臺中央維護工作站和1臺電調工作站。

從PSCADA系統(tǒng)的設計角度分析，如需將ISCS作為PSCADA系統(tǒng)的備用監(jiān)控平臺，則PSCADA系統(tǒng)在中央接口聯(lián)調過程中至少有兩個接口調試環(huán)節(jié)；此外，在ISCS作為PSCADA系統(tǒng)備用監(jiān)控平臺的情況下，運營控制中心會有兩個具備電力監(jiān)控功能的平臺，無論是在城市軌道交通線路的試運行階段還是運營開通后的維護階段，都需要投入一定的人力與物力。

2.3.2 集成方案平臺的搭建及接口調試

采用集成方案時，所有專業(yè)數據均從車站服務器經由主干網傳輸到中央工作站，即使PSCADA系統(tǒng)沒有集成到ISCS中，ISCS的數據傳輸通道依然是存在的。所以，集成方案下的PSCADA系統(tǒng)的電力數據僅需通過變電所內綜自設備及交換機即可抵達車站服務器，進而通過ISCS已有的數據傳輸通道最終抵達中央工作站。相比獨立組網方案，集成方案至少可以節(jié)省2臺前置中央服務器、2臺中央系統(tǒng)服務器、1臺中央維護工作站和2臺中央交換機。

與獨立組網方案下ISCS作為PSCADA系統(tǒng)備用監(jiān)控平臺所需的接口調試相比，集成方案下可減少一個接口調試環(huán)節(jié)，同時可將電力監(jiān)控的所有功能集成于一個平臺上。由此可知，相較于獨立組網方案，集成方案所投入的成本更低。

2.4 系統(tǒng)功能應用對比分析

目前城市軌道交通調度對于PSCADA系統(tǒng)功能的需求主要分為車站級需求和中央級需求，其中：車站級的需求主要包括遙控、遙測、遙信、遙調等方面；中央級的需求主要體現(xiàn)在設備程控方面。無論是獨立組網方案還是集成方案，PSCADA系統(tǒng)均能滿足上述功能需求。在此基礎上，本文對兩種方案在調度的實際使用方面進行進一步的分析對比。

2.4.1 獨立組網方案監(jiān)控平臺的功能應用

對于大部分城市軌道交通的調度人員，其關注的內容不再局限于城市軌道交通某個專業(yè)設備，而是要盡可能地對城市軌道交通系統(tǒng)所有的設備進行實時、全方位的監(jiān)控。但獨立組網方案僅能在該監(jiān)控平臺上為調度人員提供對供電系統(tǒng)的監(jiān)控，調度人員無法在關注供電系統(tǒng)的同時關注其他設備系統(tǒng)，也無法在關注其他專業(yè)設備的同時關注供電系統(tǒng)。由此可見，獨立組網方案只能滿足調度人員日常使用的部分需求。

2.4.2 集成方案監(jiān)控平臺的功能應用

在集成方案下，調度人員通過系統(tǒng)集成平臺不僅能監(jiān)控城市軌道交通供電設備的實時運行信息，同時還能監(jiān)控其他專業(yè)設備的實時狀態(tài)。相較于獨立組網方案，集成方案具備多專業(yè)設備監(jiān)控的功能，更符合調度人員的實際使用需求。

2.5 運維對比分析

隨著城市軌道交通線網的快速發(fā)展，城市軌道交通的線路數、站點數不斷增加，設備運維的覆蓋面越來越大，隨之帶來的運維壓力也越來越大。提升城市軌道交通設備的運維效率、降低維護人員的作業(yè)強度、降低人工巡檢勞動強度[1]，以及對各線路資源實施精準調度與協(xié)同運轉，是當前城市軌道交通運維工作的重點和難點。在集成方案下各專業(yè)數據匯聚于一個平臺，車站服務器囊括了該站所有的專業(yè)數據，中央服務器可通過中央交換機獲取各站服務器內的數據。集成系統(tǒng)的監(jiān)控平臺可滿足多樣化的功能需求，車站和運營控制中心的集成監(jiān)控平臺均可根據運維人員的需求對采集的數據進行綜合分析與處理。例如，通過集成系統(tǒng)平臺可進行數據建模分析，實現(xiàn)狀態(tài)修與遠程巡檢功能，從而提高運維的效率、降低人工巡檢的勞動強度。

總體而言，雖然獨立組網方案與集成方案都能滿足PSCADA系統(tǒng)日常的運維需求，但綜合各專業(yè)的集成系統(tǒng)方案，對于城市軌道交通智能運維發(fā)展更為有利。

3 結語

數據共享、數據融合、系統(tǒng)集成、場景化應用等均是智慧城軌的發(fā)展要求。對于整個城市軌道交通系統(tǒng)發(fā)展而言，多專業(yè)系統(tǒng)集成才是未來行業(yè)發(fā)展的方向，發(fā)展數據分析、功能應用是PSCADA系統(tǒng)未來的方向。首先,PSCADA系統(tǒng)應保證其穩(wěn)定性、安全性、可靠性及調度功能完備性。其次，PSCADA系統(tǒng)應為集成平臺提供持續(xù)、穩(wěn)定的數據源，為系統(tǒng)高度集成、數據融合、數據綜合分析與功能應用的發(fā)展給予強有力的技術支撐。