張　濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司電氣化工程設計研究院, 北京　100055)

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吉圖琿客運專線供電SCADA系統(tǒng)設計關鍵技術研究

張濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司電氣化工程設計研究院, 北京100055)

摘要：結合吉圖琿鐵路客運專線建設項目,從計算機技術、遠程監(jiān)視與控制技術、供電系統(tǒng)技術等方面進行研究,結合供電SCADA系統(tǒng)高實時、大容量、高可靠的建設需求,對系統(tǒng)中的分布式計算模式、實時數(shù)據(jù)處理技術以及存儲技術進行分析與研究,并在此基礎上對項目中的供電SCADA系統(tǒng)的建設方案進行初步設計,為后期進一步的設計方案奠定基礎。

關鍵詞：客運專線；SCADA；鐵路供電；設計

1概況

1.1項目概況

吉圖琿鐵路客運專線起點位于吉林市，終點位于地處中俄朝三國交界地的琿春市，新建線路正線長360.602 km，設計時速250 km。全線自吉林站城際場引出，沿線經(jīng)蛟河西、威虎嶺北、敦化、大石頭南、安圖西、延吉西、圖們北后進入琿春市北郊。吉圖琿鐵路客運專線將于2015年建成，建成后與長吉城際鐵路共同構成長春至琿春快速客運通道，屆時從長春到琿春的時間將縮短至2.5 h。

1.2通用SCADA系統(tǒng)構成

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)以計算機控制、網(wǎng)絡通信等技術為基礎，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中各供變電設備的運行進行監(jiān)視和控制，包括數(shù)據(jù)采集、設備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等功能[1，2]。SCADA系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　通用SCADA系統(tǒng)結構

1.3系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

本項目充分研究了客運專線供電管理的業(yè)務特點，將挑戰(zhàn)歸結為如下幾個方面。

(1)建設要求高

吉圖琿客運專線項目需要在中國客運專線統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施的建設規(guī)劃下，建設一套適合中國高速鐵路供電系統(tǒng)的統(tǒng)一標準、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)，無論在施工組織、運營理念以及工程質量方面都提出了極高的建設要求。

(2)監(jiān)控對象擴展

客運專線供電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)、AT分區(qū)所、AT所、開閉所、接觸網(wǎng)電動隔開，同時還包括10 kV電力配電系統(tǒng)(35)10 kV(變)配電所、箱式變電站、10/0.4 kV低壓變電所。

(3)系統(tǒng)功能擴展

隨著自動化系統(tǒng)應用的成熟和電氣設備品質的提升，中國客運專線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，所以供電監(jiān)控設備RTU除了完成常規(guī)的監(jiān)視和控制功能外，還需要為電力調(diào)度人員、生產(chǎn)搶修人員提供豐富的故障分析數(shù)據(jù)(如遙測越限、故障報告、故障錄波等)，以加快供電系統(tǒng)事故的預防及事故發(fā)生后的處理進程。

(4)與外部系統(tǒng)的接口復雜

鐵路供電SCADA系統(tǒng)需要與中國高速鐵路總體技術框架下統(tǒng)籌規(guī)劃建設的運營調(diào)度系統(tǒng)、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)雙向的互連互通；與時鐘系統(tǒng)、國家電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)單向的互連互通[3，4]。

2關鍵技術

就鐵路供電SCADA系統(tǒng)而言，為了應對在項目建設中的挑戰(zhàn)，需要從技術層面上進行全面深刻的研究，并基于研究成果對系統(tǒng)設計方案進行優(yōu)化與完善。

本文將從分布式系統(tǒng)、實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)壓縮等幾個方面進行關鍵技術的研究，為系統(tǒng)總體技術方案提供設計應用基礎。

2.1分布式系統(tǒng)的協(xié)作、自律機制

計算機分布式系統(tǒng)是一種多CPU的計算機系統(tǒng)，各CPU通過網(wǎng)絡互連構成統(tǒng)一整合的系統(tǒng)。分布式計算結構原理是把原來系統(tǒng)內(nèi)單獨CPU處理的任務分散給不同的CPU，通過各個CPU相互協(xié)調(diào)以實現(xiàn)不同功能共享的設備與軟件。分布式系統(tǒng)加快了數(shù)據(jù)的處理速度，簡化了單一主機的系統(tǒng)結構，具有成本較低，易于維護的特點，逐漸發(fā)展成為計算機應用領域的重要分支之一[5]。

本項目利用分布式計算機系統(tǒng)所具有的分散、自律處理能力的特性，將供電系統(tǒng)中各個監(jiān)控設備抽象成內(nèi)存應用對象，并根據(jù)業(yè)務設備自身的特性，將其部署至供電SCADA系統(tǒng)中的各個服務器節(jié)點上運行。在分布式計算技術支撐下，數(shù)據(jù)和信息對系統(tǒng)中的服務器節(jié)點是透明共享的，因此整個系統(tǒng)與運行在一臺超級計算機上具有相同的效果。

2.2實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫應用技術

在實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是滿足實時事務處理要求的最佳選擇，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫最顯著的特征是其數(shù)據(jù)庫引擎及主要工作數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存，當前活動事務只與實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的“內(nèi)存影像”進行數(shù)據(jù)交互。

當然，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也要處理I/O，但它已不是傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫的概念，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用的事務處理算法、并發(fā)控制及數(shù)據(jù)恢復等技術對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來說可能不合適。

實時事務處理要求軟件系統(tǒng)能夠相對準確地評估事務耗時，對傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫而言，由于磁盤讀寫、數(shù)據(jù)傳遞和緩存、操作系統(tǒng)調(diào)度等待等使得事務平均實際執(zhí)行時間與估算的最長執(zhí)行時間相差較大，但若將整個數(shù)據(jù)庫放入內(nèi)存，使得每個事務在執(zhí)行過程中沒有不確定的I/O操作，系統(tǒng)就可以較準確估算事務的運行時間，從而實現(xiàn)事務的精確調(diào)度[6]。

在本項目中，利用面向對象的實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術，通過業(yè)務數(shù)據(jù)的優(yōu)先級定義，將優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)常駐在內(nèi)存中，有效減少處理數(shù)據(jù)過程的磁盤讀寫I/O操作，大大提高了供電SCADA系統(tǒng)中訪問數(shù)據(jù)庫的效率。

2.3數(shù)據(jù)存儲壓縮技術

在客運專線的供電SCADA系統(tǒng)中，由于監(jiān)控對象數(shù)量大且數(shù)據(jù)采集頻度高，在系統(tǒng)中存儲數(shù)據(jù)必須重點考慮提高系統(tǒng)的存儲能力和有效性。

對于提高存儲能力，可以通過增加投資配置大容量存儲環(huán)境來滿足大容量存儲要求。而對于提高數(shù)據(jù)存儲的有效性，則需要對數(shù)據(jù)進行合理的篩選和壓縮處理，以使系統(tǒng)中保存的數(shù)據(jù)量能夠達到業(yè)務部門的運行要求。

本項目采用高效的螺旋門壓縮算法，該算法應用變化遞歸壓縮的方法，在不損失數(shù)據(jù)變化信息情況下，將一些可以推演的數(shù)據(jù)刪除，從而達到有效減小數(shù)據(jù)存儲空間的效果。經(jīng)過大量應用證明，螺旋門壓縮算法在實際應用過程中具有良好的信息還原度，能在滿足業(yè)務要求前提下真實反映實際檢測量的變化趨勢。

3技術方案

3.1供電SCADA系統(tǒng)架構

供電SCADA系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件平臺和系統(tǒng)軟件平臺，并在此統(tǒng)一的軟硬件基礎平臺上構建多層、基于SOA服務驅動的和基于COM/DCOM組件的應用軟件體系結構，同時輔以統(tǒng)一完善的系統(tǒng)管理和安全保障體系，從而以滿足供電SCADA系統(tǒng)的互操作性/互聯(lián)性、應用的可移植性/可伸縮性以及應用的集成性要求[7]。

系統(tǒng)的技術架構如圖2所示。

圖2　供電SCADA系統(tǒng)的技術架構

如圖2所示，鐵路供電SCADA系統(tǒng)的基礎硬件平臺均采用電信級的網(wǎng)絡通信設備構成系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信平臺，采用刀片服務器、專業(yè)圖形工作站計算機和SAN光纖存儲系統(tǒng)構成了系統(tǒng)的計算平臺。

在統(tǒng)一的基礎硬件架構平臺上，采用雙機、雙網(wǎng)、雙存儲光通道熱備方式的冗余措施，確保在系統(tǒng)體系架構的關鍵部分消除單點失效；采用刀片式服務器、模塊化的網(wǎng)絡交換機和UPS設備等，確保硬件架構的高可擴展性。

在統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件平臺的支撐下，供電SCADA系統(tǒng)以具備高可靠性、移植性、擴展性、維護性、成熟通用的平臺軟件作為二次開發(fā)的平臺，并在此基礎上二次集成開發(fā)系統(tǒng)的各種應用軟件[8]。

3.2供電SCADA系統(tǒng)的硬件平臺構成

供電SCADA系統(tǒng)采用分布式多層體系結構，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)層、應用層及客戶端系統(tǒng)構成。供電SCADA系統(tǒng)設備主要包括：服務器、工作站、存儲設備、UPS電源及其他輔助設備等。

為了確保系統(tǒng)的可靠性，關鍵設備采用冗余配置并采用國際著名品牌產(chǎn)品。

對于網(wǎng)絡交換機、服務器、SAN存儲系統(tǒng)、UPS等系統(tǒng)共用設備，設備選型應采用模塊化、可擴展配置滿足未來客運專線線路的接入擴展需求。

3.2.1服務器設備

根據(jù)供電SCADA系統(tǒng)的業(yè)務需求，WEB及接口服務器、配置服務器、域管理服務器采用機架式服務器，其他服務器設備采用刀片服務器方案，刀片服務器類型主要包括：歷史數(shù)據(jù)服務器、應用及通信服務器。

(1)歷史數(shù)據(jù)服務器

系統(tǒng)配置歷史數(shù)據(jù)服務器，用于對電力配電系統(tǒng)的各種靜態(tài)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運行的歷史數(shù)據(jù)的存儲與管理。

(2)應用及通信服務器

應用及通信服務器是供電SCADA系統(tǒng)的實時業(yè)務處理的核心設備，主要完成供電SCADA的業(yè)務邏輯處理、實現(xiàn)與被控站系統(tǒng)的通信等功能，設備配置數(shù)量與被控站點的數(shù)量和I/O監(jiān)控點數(shù)密切相關。鑒于本項目供電SCADA系統(tǒng)的擴展需求大，考慮到傳統(tǒng)的機架式服務器系統(tǒng)受到機柜和機箱的限制，計算密度無法突破，安裝維護工作量和成本大，擴展能力有限的局限，應用及通信服務器采用刀片服務器配置，從而提高供電SCADA系統(tǒng)的計算密度、降低運行維護成本、提高系統(tǒng)的可擴展性[9-11]。

(3)WEB及接口服務器

系統(tǒng)配置WEB及接口服務器，一方面用于供電SCADA系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的接口管理與信息交互，另一方面用于提供遠程用戶的WEB瀏覽服務，采用機架式服務器配置。

(4)配置服務器

配置服務器用于提供供電SCADA系統(tǒng)相關軟件的配置管理服務，基本配置與接口及WEB相同。

3.2.2工作站

根據(jù)供電SCADA系統(tǒng)的調(diào)度管理、分析統(tǒng)計以及維護管理工作的需要，系統(tǒng)分別配置了調(diào)度工作站、域管理工作站和維護工作站，用以實現(xiàn)日常的調(diào)度操作、調(diào)度管理、統(tǒng)計分析以及維護管理工作。

計算機采用國際著名品牌的工作站級計算機，并采用三屏顯示器配置。

3.2.3網(wǎng)絡交換機

網(wǎng)絡交換機設備采用CISCO網(wǎng)絡交換機配置。

3.2.4存儲設備

系統(tǒng)采用先進的光纖存儲局域網(wǎng)SAN(Storage Area Network)技術，配置二套光纖存儲設備，主要用于供電SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲，主要設備包括：SAN光纖交換機、光纖磁盤陣列。

3.2.5UPS電源

UPS的使用是為了提高電源系統(tǒng)的可靠性。該設備需滿足遠期擴展需求，采用模塊化設計，未來容量不低于100 kVA，目前容量配置不低于30 kVA，電池容量滿足交流失電后30 min的要求。

3.2.6通信接口設備

系統(tǒng)配置一套通信接口設備，用于與被控站和其他系統(tǒng)通信。

3.2.7其他配套設備

供電SCADA系統(tǒng)配置打印機，用于完成系統(tǒng)的監(jiān)控畫面、實時數(shù)據(jù)、報表等的打印。打印機采用彩色激光網(wǎng)絡打印機，A3或A4幅面。

系統(tǒng)配置時鐘同步裝置作為調(diào)度系統(tǒng)的時鐘源，具備GPS對時信號接收，并以NTP協(xié)議同步網(wǎng)絡內(nèi)所有計算機節(jié)點的時鐘的功能。

3.3供電SCADA系統(tǒng)的軟件平臺構成

供電SCADA系統(tǒng)軟件平臺分為3層：系統(tǒng)軟件、平臺軟件及應用軟件。

3.3.1系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、集群管理軟件等。操作系統(tǒng)優(yōu)先采用國際流行的Windows操作系統(tǒng)，具有實時多任務、多用戶特點，并提供完善的調(diào)試、診斷手段，具有強大的網(wǎng)絡管理功能。數(shù)據(jù)庫采用工業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Historian。系統(tǒng)配置完善的應用軟件包，滿足現(xiàn)場運行管理的需要。系統(tǒng)軟件需能支持通用開發(fā)工具，滿足系統(tǒng)各種功能開發(fā)和擴展的需要[12]。

3.3.2平臺軟件

平臺軟件是位于系統(tǒng)軟件之上、SCADA應用軟件之下、可按用戶需求進行二次開發(fā)的、成熟可靠的、具有良好開放性并與大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)相適應的，具備高可靠性、移植性、擴展性、維護性的通用軟件平臺。

平臺軟件應由供電SCADA業(yè)務組件、系統(tǒng)運行管理環(huán)境、系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境等構成。本項目中采用超大規(guī)模監(jiān)控容量的通用軟件平臺，該平臺軟件在合武、石太等客運專線供電SCADA系統(tǒng)中表現(xiàn)了優(yōu)良的可靠性、擴展性，并極大地縮短建設開發(fā)周期，滿足工程實施進度的要求。

3.3.3應用軟件

供電SCADA系統(tǒng)的應用軟件包括3部分，一是基于平臺軟件二次開發(fā)的、實現(xiàn)SCADA功能的應用軟件，如供電SCADA調(diào)度員工作站軟件、供電SCADA應用服務軟件、通信管理軟件等；二是調(diào)度管理類的應用軟件，如調(diào)度管理及統(tǒng)計分析軟件、維護管理軟件等；三是其他確保供電SCADA系統(tǒng)安全運行所必須的應用軟件網(wǎng)絡管理軟件等[13]。

4總結與展望

本項目對當前鐵路客運專線的建設特點進行了研究，同時結合吉圖琿客運專線的項目范圍提出了供電SCADA系統(tǒng)建設的技術方案框架。

客運專線供電SCADA系統(tǒng)的建設是伴隨著計算機技術、網(wǎng)絡通信技術以及供電系統(tǒng)專業(yè)領域技術的發(fā)展不斷演進的，對于新技術的追蹤及應用也是推動鐵路供電SCADA系統(tǒng)更新?lián)Q代的核心動力，目前的鐵路供電SCADA系統(tǒng)技術已處于相對先進、成熟的階段，從系統(tǒng)設計和實施的角度看，未來的鐵路供電SCADA系統(tǒng)也必將面臨新一輪的技術更新。

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Research on Fundamentals in Power Supply SCADA System Design of Jituhun Dedicated Passenger Line Project ZHANG Tao

(The Institute of Electrification Engineering Design, China Railway Engineering

Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：With reference to Jituhun passenger dedicated line project, this paper focuses on the study of computer technology, remote monitoring, control technology and power system technology in combination with construction requirements for real-time, high capacity, high reliable power supply SCADA system to analyze calculation model, the real-time data processing and storage technology in distributed system. And based on these investigations and researches, the paper addresses the preliminarily design of the construction of the power supply SCADA system, which paves the way for future design scheme.

Key words：Dedicated passenger railway line; SCADA; Railway power supply; Design

中圖分類號：U238； U223

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.028

文章編號：1004-2954(2015)01-0111-04

作者簡介：張濤(1983—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西南交通大學電氣工程及其自動化專業(yè)，工學學士，E-mail:cecdqhzt@163.com。

收稿日期：2014-04-25； 修回日期：2014-05-22