城市軌道交通線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)研究

葛 淼，劉 琴，俞 銘，蔡一磊

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)作為地鐵專(zhuān)業(yè)的重要子系統(tǒng)之一，對(duì)全線供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)所屬范圍內(nèi)的電力設(shè)施實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在遇到緊急情況時(shí)，能夠快速實(shí)現(xiàn)故障定位和維護(hù)協(xié)調(diào)調(diào)度[1-3]。

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，我國(guó)城市軌道交通迎來(lái)了網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的跨越式發(fā)展階段，軌道交通供電系統(tǒng)也向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。單線電力監(jiān)控模式已經(jīng)無(wú)法滿足線網(wǎng)供電系統(tǒng)的操作需求，在支援供電、故障快速恢復(fù)供電、供電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方面，單條線路電力監(jiān)控系統(tǒng)缺乏對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的掌控，在全面調(diào)度決策上存在一定難度。另外，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速更迭，云架構(gòu)具備提高系統(tǒng)可靠性，快速擴(kuò)展，提供數(shù)據(jù)集中共享，快速響應(yīng)業(yè)務(wù)需求的優(yōu)勢(shì)，城市軌道交通線網(wǎng)級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的“云化”必將成為下一代監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

線網(wǎng)電力監(jiān)控系統(tǒng)采用云平臺(tái)對(duì)全線服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、交換機(jī)等硬件資源進(jìn)行集中式部署，相較傳統(tǒng)方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.1 線網(wǎng)集中部署，統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)管理

通過(guò)建立線網(wǎng)級(jí)的運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，設(shè)立統(tǒng)一的電調(diào)機(jī)構(gòu)，可以對(duì)所轄范圍內(nèi)線路的供電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)調(diào)度和管理，解決了控制責(zé)權(quán)不清的問(wèn)題。在多重故障發(fā)生的情況下，能夠從線網(wǎng)層面下達(dá)調(diào)度決策，可以同時(shí)操作多條線路的供電系統(tǒng)，也便于快速解決問(wèn)題，保證供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 轉(zhuǎn)變IT架構(gòu)管理，提高靈活度和服務(wù)器的利用率

傳統(tǒng)線路級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器CPU和內(nèi)存配置很高，實(shí)際利用率很低，造成資源浪費(fèi)嚴(yán)重，工程建設(shè)成本較高[4]，相對(duì)而言，也不利于后期的維護(hù)和管理，靈活性較低，后期的改造升級(jí)存在一定的難度。

1.3 提高電力監(jiān)控系統(tǒng)可靠性

在應(yīng)用層采用了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的主備冗余機(jī)制，具備虛擬化技術(shù)的高級(jí)功能，如動(dòng)態(tài)熱遷移、負(fù)載均衡策略、主機(jī)HA等。應(yīng)用虛擬技術(shù)借助豐富的云平臺(tái)資源，減少了由于硬件故障導(dǎo)致的損失，保證了安全可靠性，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)邏輯上可以分為云平臺(tái)運(yùn)維管理和線網(wǎng)電力監(jiān)控平臺(tái)。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸可以將線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控的軟件架構(gòu)細(xì)分為：數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)加工層、管理功能組件、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、訪問(wèn)層。系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖2 城市軌道交通線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)功能

2.1 數(shù)據(jù)接口層

線網(wǎng)級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)需要處理來(lái)自多條線路級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，線路級(jí)的電力監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)各主變電所、牽引降壓混合站、降壓站等變電設(shè)備進(jìn)行分布式遙信、遙測(cè)、遙控。通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)約將現(xiàn)場(chǎng)就地級(jí)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳送到線路級(jí)控制中心。通過(guò)圖形化界面，調(diào)度人員可以更直觀、更清晰地看到電力設(shè)施實(shí)時(shí)情況，便于分析處理。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層

從多條線路級(jí)電力監(jiān)控中心到線網(wǎng)級(jí)電力監(jiān)控中心，需要將多個(gè)線路級(jí)的采集數(shù)據(jù)(包含遙測(cè)/遙信)上傳至線網(wǎng)中心，同時(shí)，還需要將控制命令(包括單控/程控)從線網(wǎng)中心下發(fā)到線路中心。包含定值管理、故障錄波和故障報(bào)告等功能在內(nèi)的電力監(jiān)控系統(tǒng)拓展功能也需要實(shí)現(xiàn)線路到線網(wǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 管理功能組件

通過(guò)該部分提供的各類(lèi)組件對(duì)待收集或已收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的管理，包括歷史數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)定向采集、數(shù)據(jù)利用權(quán)限管理、計(jì)算服務(wù)(通過(guò)數(shù)學(xué)建模訓(xùn)練視頻或圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析以及生成輔助決策)、系統(tǒng)操作模式的切換、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)(數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)保存周期)。數(shù)據(jù)管理功能組件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能起到承上啟下的連接作用。

2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要針對(duì)線網(wǎng)級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)為業(yè)主提供的應(yīng)用功能需求展開(kāi)分析，主要包括畫(huà)面顯示、拓?fù)渲?、事故推?huà)面、趨勢(shì)瀏覽、程控功能、實(shí)時(shí)/歷史SOE功能、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、操作記錄、定值和故障管理功能。

2.5 訪問(wèn)層

基于業(yè)務(wù)應(yīng)用層開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能，訪問(wèn)層可以通過(guò)線網(wǎng)級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)的顯示大屏分模塊實(shí)時(shí)查看各條線路上電力監(jiān)控專(zhuān)業(yè)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)功能

城市軌道交通線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)功能包含線網(wǎng)中心平臺(tái)管理功能、線網(wǎng)電力監(jiān)控業(yè)務(wù)功能、線網(wǎng)級(jí)/線路級(jí)電力監(jiān)控接口功能、權(quán)限移交功能、兼容云平臺(tái)部署運(yùn)行功能(見(jiàn)圖2)。

3.1 線網(wǎng)中心平臺(tái)管理功能

高性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)：系統(tǒng)高性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，為各個(gè)子功能模塊提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。組態(tài)配置功能：提供線網(wǎng)級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)、圖元、對(duì)話框、畫(huà)面、報(bào)警等數(shù)據(jù)庫(kù)模型和業(yè)務(wù)對(duì)象的組態(tài)配置功能。畫(huà)面顯示模塊：提供包含多條線路的線路接觸網(wǎng)圖、牽引供電一次圖、35 kV主接線圖、27.5 kV主接線圖、光字屏/遙測(cè)圖等多種畫(huà)面顯示功能。調(diào)度運(yùn)行管理模塊：支持用戶權(quán)限、角色、責(zé)任區(qū)管理功能，從而保證系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的安全性和可靠性。歷史存儲(chǔ)模塊：支持歷史數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警的存儲(chǔ)及管理功能。報(bào)警管理模塊：支持按等級(jí)劃分的報(bào)警觸發(fā)機(jī)制，支持聲光模式顯示報(bào)警，可提供歷史報(bào)警查詢功能。計(jì)算和統(tǒng)計(jì)功能：系統(tǒng)具備計(jì)算和統(tǒng)計(jì)功能，支持計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、檢索以及考核等操作。用戶及權(quán)限管理功能：系統(tǒng)具備用戶管理、用戶權(quán)限管理等功能，可為不同用戶提供不同的權(quán)限，分配不同的責(zé)任區(qū)。

3.2 線網(wǎng)電力監(jiān)控業(yè)務(wù)功能

遙信功能：可以實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如各種斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等的合/分狀態(tài)等數(shù)據(jù)，具體變位描述支持根據(jù)用戶需求定義。遙測(cè)功能：支持實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的模擬量，將測(cè)量對(duì)象的電壓、電流、功率因數(shù)等電參量信號(hào)上傳至線網(wǎng)級(jí)監(jiān)控后臺(tái)。遙控功能：選擇需要控制的車(chē)站、開(kāi)關(guān)、合/分閘等進(jìn)行控制操作，并在確認(rèn)后執(zhí)行?？刂坪驼{(diào)節(jié)對(duì)象包括但不限于：斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、保護(hù)定值、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)的遠(yuǎn)方復(fù)歸、自動(dòng)裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置等。程控功能：將多個(gè)遙控命令按既定的順序組合在一起，保存在一張程控卡片中。在卡片執(zhí)行時(shí)根據(jù)卡片的內(nèi)容逐一下發(fā)控制命令。拓?fù)渲δ埽焊鶕?jù)設(shè)備的連接狀態(tài)和開(kāi)合狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算，確定設(shè)備和線路的帶電狀態(tài)，并用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分顯示，幫助電調(diào)人員進(jìn)行監(jiān)視和分析。事故推畫(huà)面功能：在收到事故或保護(hù)動(dòng)作信號(hào)變位時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)顯著的方式提示用戶具體的事故站名，可自動(dòng)推出相應(yīng)事故信號(hào)對(duì)應(yīng)的畫(huà)面。

實(shí)時(shí)SOE功能：實(shí)時(shí)SOE事件順序記錄，可以顯示遙信變位動(dòng)作的先后順序及準(zhǔn)確時(shí)間，用于記錄分辨事件發(fā)生的先后順序。歷史SOE功能：歷史SOE事件查詢功能，可以根據(jù)時(shí)間、線路等條件查詢遙信變位動(dòng)作的先后順序及準(zhǔn)確時(shí)間。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能：可以利用各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)表組態(tài)工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、組合、累積、統(tǒng)計(jì)等加工處理，生成各種報(bào)表，報(bào)表可以由用戶自由設(shè)定以定期(日、月或年)、定時(shí)(每日指定的時(shí)間)或召喚(用戶指定的時(shí)間范圍)方式打印或以文件方式存儲(chǔ)。電力巡檢報(bào)表功能：定期對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集并生成巡檢報(bào)表，以供調(diào)度人員進(jìn)行查閱。操作記錄功能：主要是對(duì)所有用戶的各種操作、開(kāi)關(guān)變位等信息進(jìn)行記錄，包含有具體的時(shí)間和位置信息，也支持根據(jù)用戶需求定制。

定值管理功能：具備定值區(qū)、定值召取修改的功能。故障錄波功能：當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)功能，在開(kāi)關(guān)設(shè)備事故跳閘的同時(shí)，保護(hù)裝置自動(dòng)進(jìn)行故障錄波，具備錄波目錄和文件召取、錄波曲線顯示功能。故障報(bào)告功能：系統(tǒng)具備故障報(bào)告目錄及文件召取和顯示功能。培訓(xùn)仿真功能：系統(tǒng)提供電力監(jiān)控培訓(xùn)仿真功能，便于電調(diào)人員快速學(xué)習(xí)系統(tǒng)操作，掌握相關(guān)操作，從而提升故障分析和處理的業(yè)務(wù)水平，更好地做好調(diào)度工作。

3.3 線網(wǎng)級(jí)/線路級(jí)電力監(jiān)控接口功能

系統(tǒng)具備線網(wǎng)級(jí)/線路級(jí)電力監(jiān)控接口功能。線網(wǎng)級(jí)/線路級(jí)電力監(jiān)控通信接口主要完成線網(wǎng)級(jí)和線路級(jí)接口通信數(shù)據(jù)的生成和解析，使用指定格式傳送報(bào)文。通信接口主要包含：線網(wǎng)級(jí)通信接口、線路級(jí)通信接口和設(shè)備通信接口。

3.3.1 線網(wǎng)級(jí)通信接口

線網(wǎng)級(jí)通信接口作為全網(wǎng)的控制中心，只存在于線網(wǎng)中心，保持和不同線路中心與公共設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，具備多接口通信、接收、解析報(bào)文，獲取通知，讀取數(shù)據(jù)，拼接和發(fā)送報(bào)文的功能，接口使用IEC60870-104規(guī)約及其擴(kuò)展規(guī)約，能夠根據(jù)配置實(shí)現(xiàn)不同擴(kuò)展規(guī)約拼接和解析，也可根據(jù)要求使用MODBUS TCP實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制和監(jiān)視功能。

3.3.2 線路級(jí)通信接口

線路級(jí)通信接口部署在線路中心，主要負(fù)責(zé)線路級(jí)的相關(guān)服務(wù)，保持和線網(wǎng)中心通信接口的數(shù)據(jù)通信，具備讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，拼接和發(fā)送報(bào)文、解析線網(wǎng)中心報(bào)文的功能，接口使用IEC60870-104規(guī)約及其擴(kuò)展規(guī)約，也可根據(jù)要求使用MODBUS TCP實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制和監(jiān)視功能。

3.3.3 設(shè)備通信接口

設(shè)備通信接口通常作為服務(wù)端，完成線網(wǎng)中心或線路中心的報(bào)文接收、解析，將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)拼接成報(bào)文并發(fā)送給線網(wǎng)中心或線路中心接口。

3.4 權(quán)限移交功能

系統(tǒng)具備權(quán)限移交功能，權(quán)限移交包含權(quán)限的下放、回收和強(qiáng)取等功能。根據(jù)操作互斥原則，任一類(lèi)操作的操作權(quán)同一時(shí)刻不能為多層同時(shí)擁有。其中，權(quán)限下放是將公共設(shè)備的處理權(quán)限由線網(wǎng)中心轉(zhuǎn)移到相應(yīng)授權(quán)的線路中心；權(quán)限回收則是將線路管理中心的授權(quán)收回，公共設(shè)備的管理監(jiān)控由線網(wǎng)中心處理；權(quán)限強(qiáng)取是指在緊急情況下，線路中心可以獲得控制權(quán)限。

3.5 兼容云平臺(tái)部署運(yùn)行

系統(tǒng)順應(yīng)城市軌道交通云化趨勢(shì)，兼容云平臺(tái)部署運(yùn)行，由線網(wǎng)中心統(tǒng)一分配云平臺(tái)計(jì)算資源。線網(wǎng)級(jí)電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠在云平臺(tái)安裝、部署，各項(xiàng)功能均能夠在云平臺(tái)正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通在方便了居民生活的同時(shí)，也推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。城市軌道交通線網(wǎng)級(jí)云平臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施，有助于對(duì)整個(gè)線網(wǎng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)于提高城市軌道交通安全性與可靠性有著重要作用，符合建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)與智慧城市的需要?？萍紕?chuàng)新的步伐從未停歇，電力監(jiān)控系統(tǒng)必將獲得更大的技術(shù)支撐，取得更大的進(jìn)步。本文對(duì)于線網(wǎng)及云平臺(tái)電力監(jiān)控的探討可對(duì)未來(lái)城市軌道電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究起到一定的參考作用。