城市轨道交通电力监控控制中心系统设计研究

摘　要　针对城市轨道交通自动化技术的快速发展, 提出了电力监控控制中心系统应考虑的设计与技术问题, 旨在保证系统健壮性及应用开放性。

关键词　城市轨道交通,供电系统,电力监控,控制中心系统,监控和数据采集

电力监控系统完成对城市轨道交通全线各种变电所、接触网设备运行的远程实时控制、监视及测量,处理供变电系统的各种事故及报警事件,实现供变电系统的运行、维修调度管理自动化,提高供电质量,保证供电系统安全、可靠。
在轨道交通电力监控系统整体网络拓扑结构中,控制中心监控系统是数据采集、数据处理、数据管理、数据存储、数据共享、数据分析与系统实时控制的核心节点。控制中心监控系统通过通信通道与变电所综合自动化系统进行信息交换,变电所综合自动化系统通过所内通信网与所内各智能化电气装置( ied) 通信。因此控制中心监控系统设计的可用性、健壮性、开放性、拓广性与可维护性极为关键。本文通过一个设计方案论述了部分设计思想与技术要素。
1 　系统设计准则
(1) 开放性设计原则
从今后轨道交通企业信息网发展的全局考虑, 控制中心监控系统位于承上启下的中间环节。为此,系统设计应充分考虑其应用扩展性及与其它系统的互连性。开放性设计是关键要素,要应用成熟的国际与工业标准。在系统构成上,采用并设计开放式的系统支撑平台结构与应用平台结构。两平台应为分离架构。
(2) 分布式系统原则
按照不同的功能要求,将不同的应用及其数据驻留于空间上分布于不同位置的工作站节点。按功能进程分划,将处理能力分布到所需之处,包括硬件/ 软件/ 功能/ 处理/ 数据的分布等。网上客户/ 服务器分布式模式是一种优化模式,提供了所必需的灵活性。它不仅仅是客户/ 服务器在网上的物理连接与通信,而且其优化的核心在于应用程序、数据和处理任务按功能进程在网上分划,并使故障清晰隔离;并以响应/ 请求的网络通信模式构成分布技术支持,从而成为规模优化的性价比高的构架方案。
(3) 网络互连原则
以工业标准为标志,如tcp/ ip 网络协议、u2 n ix 等操作系统和迅速发展的全球internet 网,形成轨道交通监控系统有效集成,从而可使各个分布网络数据共享。从总体应用及网络拓扑意义上讲, 这些分布系统的综合将更为有效地保证轨道交通各监控系统运行,减少系统集成的复杂性及高成本,使数据共享的意义大为增值。
2 　系统结构
基于以上原则所设计的一个轨道交通的电力监控和数据采集系统(scada) 整体网络拓扑结构如图1 所示。控制中心与被控站之间采用通信系统专用透明以太网络通信通道。控制中心监控系统利用两个标准的独立网络端口与各变电所自动化系统之间构成共享总线式以太网结构形式。
系统集成架构应基于系统不同的应用层次综合考虑不同节点的配置。如核心与骨干计算机节点可采用64 位risc unix 服务器。其中数据库服务器采用部门级服务器和共享磁盘阵列方案,数据库平台采用主流的标准关系型商用数据库管理系统,从而提高系统可用性与可靠性指标。
由于以太网使用基于竞争的介质访问机制,应考虑通过网络分层及分段来分割冲突域。应注意的是,为减少网流负荷、提高网络性能所建立的网络互连构件应以交换机为主,以区别采用路由分段2003 年
的不同。局域网(lan) 交换机可用于对多个同/ 异类lan 的分段。如同类交换机透明地将一个单一lan 分成多段,每段代表一个独立的不连续单元,成多个相对独立的客户/ 服务器族。每一族中客户与服务器等同地位于同一交换机上,从而平滑网络结构。

图1 　电力监控系统结构图
　　系统整体结构均采用客户/ 服务器模式,将实时数据处理工作分配给scada 服务器端。而将人机界面部分集中至客户端,实现信息资源的高度共享,提高系统整体性能。此外,这种分布式结构使得系统的配置(硬件与任务) 灵活,系统扩充和升级方便;同时,开放式系统设计可保证系统资源得到充分共享。

控制中心监控系统主要包括冗余scada 服务器、冗余数据库服务器、操作员工作站、统计报表工作站、维护工作站、网关等主要节点。其中冗余数据库服务器采用共享磁盘阵列实现数据高度一致共享,采用ra id5 逻辑磁盘组实现磁盘冗余备份。系统采有冗余100 mbit 以太网双网体系结构,网络通信协议为tcp/ ip 。正常情况下,两个lan 网同时工作,传送不同的系统信息。当其中一个网络发生异常或故障时,系统自动将全部需传送的信息切换到另一个网络上。
scada 服务器利用隔离的数据采集网,接收被控站通过通信系统专用透明以太网络通道上传的生数据,将其处理成熟数据后,从网络服务器后端的双网提供给全系统其它节点机使用。
位于停车场的供电复示系统,通过通信系统提供的透明以太网通道与控制中心监控系统通信。供电复示系统利用网络服务器作为路由,从采集网经由网络服务器享受后端主网的数据服务。
3 　软件设计
控制中心系统软件设计应根据城市轨道交通被控单元分布特性,以及集中控制与分布控制相结合的应用特点来考虑。在此仅列举某些要素。
基于开放式支撑平台,并采用面向对象技术的分组分层分块式,中间层为构件块的软件体系结构(如图2 所示) 。此分层平台体系设计旨在保证平台的中性结构,支持应用层面上多样性的各应用系统。
系统中的所有软件功能,如应用程序、数据处理与通信任务等按功能进程都基于客户/ 服务器结构在网上相对分划,分布于整个网络中。网络中任何一节点都可在线同时访问到系统中的所有功能, 实现完全意义上的功能分布。
跨平台的电力监控自动化一体化解决方案中, 如设计一个可视化及图形用户接口( gu i) 子平台, 一次性gu i 设计及绘图,多平台(各种unix 、win2 dows 、web 浏览器) 调用,可实现可视化效果的一致性、调图实时性及良好的可维护性。

图2 　控制中心系统软件层次结构
采用商用数据库和实时数据库相结合的数据库系统,可同时满足对数据的可靠性管理和电力监控系统对数据实时性的要求。商用关系型数据库具备开放的国际标准数据库语言访问接口,方便与外系统的互联和数据共享。客户/ 服务器分布式处理及访问模式,数据源统一,从根本上保证数据的一致性。完善的触发器处理机制,可保证相关数据的一致性、完整性。所设计的实时数据库与描述参数库有完备的映射关系。更改描述库内容时,自动更新实时库,保证一致性。应采用“软总线”应用程序访问接口,支持各种实时应用。系统应支持不同类型的实时数据库或者同一实时数据库的备份,分布在不同的网络节点上。分布式实时数据库应设定主值数据库(参考库) 、数据库的备份(用于冗余服务器) 和镜像(用于客户端) 。同一数据库的不同镜像的数据要保证一致性。一幅画面上的动态数据可取自不同数据库节点。
网络上任何节点对服务器的写访问,均由分布式数据库透明访问机制导向主备双服务器。对服务器的读访问,均由分布式数据库透明访问机制导向主服务器。简言之,全网均使用主服务器处理的结果为唯一数据源;备份服务器的数据库仅供热备用,不提供使用。镜像库结点不处理,完全依照主服务器的实时库进行可靠同步。
提供针对高实时性应用及突发性数据需专门开发瞬时同步大批量存储技术,使得本来适用于信息事务处理的商用数据库能够高速而有效地存取实时系统的数据。
网关机配有web 实时画面发布服务,以开放的方式向外系统提供最便利的anytime & any2 where 实时画面浏览访问及远程系统维护支持,还可有效地支持大屏幕系统和信号系统的实时画面浏览访问。设计矢量画面技术,保证web 画面调用响应与常规监控界面接近。
4 　结语
本文涉及的城市轨道交通电力控制中心监控系统的设计与技术,仅为快速发展的计算机技术、网络通信技术、数据库管理技术以及相关设计要素中的几项。从今后轨道交通企业网发展的全局考虑,一个电力监控系统的建设包含诸多相互关连的部门应用及设计属性,例如电力监控系统所处企业网系统的位置、与环境及其它辅助监控系统的平台一致性、网络架构优化、系统安全性、数据优先性、传输系统开销等。重要的是,应制订一个适合的近、远期发展体系结构,以保证系统构架的现实性、实用性、长远性、经济性,可拓性以及技术持续先进性的有机协调发展。

参　考　文　献
1 　王明俊等. 面向对象设计的开放式能量管理系统. 北京:中国电力出版社,1997
2 　高鸣燕,陆文. 电力自动化与信息化系统的技术进展. 中国电力,1999 , (32) :11
3 　高鸣燕,陆文. 电网scada/ ems/ dms 平台建设技术. 电力系统自动化,1999 , (23) :14

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