基于SOA 架構的牽引供電綜合SCADA 系統

安英霞

0 引言

自20 世紀80 年代末以來，國內自行研制的牽引供電SCADA 系統已完全取代國外進口裝備，雖已經歷了3 代系統的變遷，但仍然存在著標準化程度不高、兼容性差、監控規模偏小的不足。面對高速鐵路牽引供電系統所采用的全新調度模式，以及系統規模大、建設周期長、互聯互通要求高的特點，有必要研制滿足中國高速鐵路建設需求的新一代供電綜合SCADA 系統。

1 應用需求分析

1.1 調度模式

國內高速鐵路牽引供電系統采用N＋1 調度管理模式，即在全國范圍內設置N 個區域調度所，一個災難備用（以下簡稱災備）調度中心。區域調度所負責管轄區域內的所有高速鐵路供電系統的監視控制和調度指揮，災備調度中心在正常工作模式下負責監視各區域調度所供電系統的運行狀態，并在必要時提供協調性調度指揮建議，在災備模式下，負責實現對某一區域調度所的災難備用功能。

1.2 監控對象[1]

高速鐵路供電綜合SCADA系統不再沿用普速鐵路中對牽引供電系統、電力配電系統分別設置獨立監控系統的實現方式，系統的監控對象不僅包括牽引供電系統，同時還包括10 kV 電力配電系統。牽引供電監控對象包括牽引變電所、AT 分區所、AT 所、開閉所、接觸網電動隔離開關。10 kV 電力配電監控對象包括：（35）10 kV（變）配電所、箱式變電站、10/0.4 kV 低壓變電所。

1.3 監控容量

根據2008 年頒布的《中長期鐵路網調整規劃》，到2020 年，中國將建成總里程1.6 萬公里的高速鐵路網[2]。假定在全國范圍內將建立6 個區域調度所，則每個區域調度所的平均監管里程約為2 700 km。根據對現已投運的高速鐵路供電系統被控站點的統計分析，假定綜合SCADA 系統的每一類被控站點的設置里程數、I/O 點數如表1 所示。

根據上述容量估算基礎表格，可以估算出至2020 年時計劃建設的區域調度所的被控站數量和總的監控I/O 點數：在不考慮每個區域調度所監管里程數差異的情況下，各所的I/O 監控容量至少為52 萬點，若考慮系統擴容等影響因素，則I/O 監控容量可達62 萬點。若考慮各區域調度所監管里程不一致的情況，對于監控里程數較多的調度所，其I/O 監控容量有可能高達100 萬點。

表1 高速鐵路被控站設置里程及I/O 點數估算表

1.4 功能需求

隨著自動化系統應用的成熟和電氣設備品質的提升，國內高速鐵路牽引供電和電力配電系統的被控站點將采用無人值守的運行模式，所以供電綜合SCADA 系統除了完成常規的監視和控制功能外，還需為電力調度人員、生產搶修人員提供豐富的故障分析數據（如故障錄波、故障報告等），以加快供電系統事故的處理進程。同時，綜合SCADA系統還需具備配電自動化系統DMS（Distributed Management System）的故障判斷和故障隔離功能，以及對被控站系統的設定參數（如保護定值、各類閥值等）進行遠程設置的功能。

1.5 接口需求

供電綜合SCADA系統需要與國內高速鐵路總體技術框架下統籌規劃建設的運營調度系統[3]、綜合視頻監控系統、綜合維修管理信息系統、既有線電調系統實現雙向互連互通；與火災報警系統（FAS）、時鐘系統、國家電網調度系統實現單向互連互通。

1.6 建設目標

國內高速鐵路供電綜合SCADA系統按照統籌規劃、分步實施的建設原則，結合調度系統的規劃，建設一套適合國內高速鐵路供電系統的統一標準、統一制式、統一調度指揮，具備先進成熟、安全可靠、靈活穩定特性的系統。

因此，國內高速鐵路供電綜合SCADA 系統的建設面臨著大容量、高擴展、長周期的應用挑戰。

2 系統架構

2.1 體系架構

高速鐵路供電綜合SCADA 系統采用分層、分布式結構，按照調度管理層、通信傳輸網絡層和現場設備層進行建設。

調度管理層系統包括1 個災備調度中心，N 個區域調度所。網絡通信層包括連接災備調度中心與各區域調度所之間、區域調度所與現場設備層間的通信傳輸承載網絡，以及災備調度中心與現場設備層間的災難備用傳輸網絡，采用SDH 或MSTP 傳輸承載網絡[4，5]。

現場設備層系統分別設置在客運專線沿線的牽引變電所、分區所、開閉所、AT 所、（35）10 kV（變）配電所、10 kV 低壓變電所、箱式變電站內，完成現場設備的監控及數據采集功能。

2.2 技術架構

供電綜合SCADA 系統的技術架構如圖1 所示。

圖1 供電綜合SCADA 系統的總體技術架構圖

該系統的基礎硬件平臺包括交換機、防火墻等網絡通信平臺，以及由服務器、工作站和SAN（Storage Area Network）光纖存儲系統構成的計算平臺。

在統一的基礎硬件架構上，采用雙機、雙網、雙存儲光通道熱備方式的冗余措施，確保在關鍵硬件部分消除單點失效；采用高擴展的服務器、模塊化的網絡交換機和UPS 設備，以確保硬件架構的高可擴展性。

綜合SCADA的系統軟件平臺在底層操作系統的基礎上配置了數據庫管理系統、集群管理系統和備份系統，通過其提供的數據備份恢復、系統恢復、數據日志、故障處理等功能，提高系統的高可靠性。

在統一的系統軟件平臺支撐下，綜合SCADA系統采用了具備高可靠性、高擴展性、超大容量的平臺軟件，并在該基礎上集成開發綜合SCADA 系統的各種應用軟件。

3 系統實現

3.1 區域調度所硬件配置

綜合SCADA區域調度所系統內部的局域網絡根據不同的數據業務，分別獨立設置了數據處理網、數據采集網、SAN 光纖存儲網和接口局域網，這4 個子網相互獨立，實現業務數據與通信數據的分流，降低網絡負載，以提高系統響應時間。

綜合SCADA區域調度所的硬件配置還充分考慮到網絡安全及管理的需要，設置了硬件防火墻、獨立的網絡病毒防護工作站等。

3.2 基于SOA 的平臺軟件

綜合SCADA系統的平臺軟件可以按照硬件的配置以及應用的需要在一個廣域分布的系統中實現靈活的部署，無論是災備調度中心還是各區域調度所的系統均構建在該統一的軟件平臺上。

平臺軟件基于具備可重用性、低耦合、分布式和開放性特點的SOA 架構[6，7]和實時數據庫技術，在通用SCADA業務模型的基礎上提供了具有良好開放性的工業域名服務、軟件和設備通信集成服務、信息和數據管理服務、應用開發服務、系統管理和擴展服務，從而為高速鐵路供電綜合SCADA系統提供了一整套標準化、組件化的基礎解決方案，也便于實現與外部系統的數據交互。

平臺軟件支持超大規模的I/O 監控點數，可方便構建分布式多客戶端/多服務器架構，無論是客戶端還是服務器端均可由數量眾多的物理設備構成，并可按照N+1 調度模式的要求分別在災備調度中心、各區域調度所進行統一的分布部署。

3.3 災備調度中心實現方案

為了減少災備調度中心的信息處理流量，在正常運行模式下，災備中心不直接接收和處理來自現場設備層的實時采集數據，災備調度臺分別作為各區域調度所的分布式遠程調度臺，有關綜合SCADA 業務的處理及實時數據的采集均分別在相應的客運專線調度所完成。該分布式遠程調度臺的工作模式具備如下優點：

（1）大大減少了災備調度中心系統服務器硬件配置數量及其信息處理量，并充分利用了區域調度所的硬件處理能力。

（2）無需維護災備調度中心與各區域調度所的數據一致。

為了實現災難備用功能，綜合SCADA 系統災備調度中心配置了一套冷備的服務器組，以實現對所接管的災難調度所系統的數據庫管理、歷史數據存儲、SCADA 業務邏輯處理、遠程通信、系統配置管理等功能。考慮到部調度中心系統的災備模式啟用頻度極低，災備調度中心的服務器不再采用雙機冗余配置，其最終配置的服務器數量將根據監管容量最大的區域調度所確定。

3.4 系統擴展方案

在超大監控容量、支持分布式部署的平臺軟件的支持下，綜合SCADA 系統的擴展工程首先是進行硬件設備的擴展，然后通過平臺軟件將業務和數據部署到新增的服務器或工作站上。

硬件設備的擴展包括：網絡交換機端口數量、調度臺工作站節點、服務器節點、UPS 電源模塊等。其中調度臺的擴展可以通過設置新的調度臺，或者擴充既有調度臺的監控范圍來實現。對于服務器節點的擴展，可通過增加CPU 處理器個數、規模更大時可通過加入新的服務器節點實現服務器的外向擴展。

綜合SCADA系統平臺軟件具有在線維護的特性，所以當新增服務器和工作站節點后，在完全不影響正在運行的應用業務情況下，可以完成新增服務器或是工作站應用業務和數據的在線部署等工作，從而保證綜合SCADA 系統分步實施的無縫進行。

4 應用實例

高速鐵路供電綜合SCADA 系統自2009 年實施以來，已完成了3 個區域調度所基礎平臺的搭建，并分別接入了石太線、合武線、武廣線、鄭西線、滬杭線，接入高鐵線路的總里程近2 100 km。其中規模最大的區域調度所已管轄了近1 300 km的多條高速鐵路。截至2010 年底，相應的區域調度所將完成海南東環線、廣珠城際線、廣深港線的接入工作，2011 年將完成京滬線、寧杭線等高鐵線路的接入工作。

5 總結展望

目前，在投入運行的各線路中，該系統運行穩定，功能完善，達到了系統的功能設計要求。其中一個區域調度所已經實現了多條高速鐵路的接入，監控規模已接近25 萬點，從而驗證了系統軟硬件平臺所具備的監控容量大、擴展靈活的特點。通過該項目的實施，形成并完善了一系列配套的技術和工程應用標準，規范了相應的接口標準，從而大大降低了工程實施難度，縮短了實施周期。

但是，由于災備調度中心尚未開始建設，供電綜合SCADA 系統的災備方案尚需實踐驗證；系統的監控容量尚在擴展，系統仍然面臨著穩定性和實時響應能力的考驗；系統在信息展示的清晰一致方面還需完善，以便更直觀、簡潔地展示最有價值的運行數據。此外，對電氣設備在線監測數據以及接觸網檢測數據的接入，以及對基于海量監測數據分析挖掘之上的高級應用功能的開發也將是未來該系統的研究方向。

[1] TB 10621-2009 J971-2009 高速鐵路設計規范（試行）[S].

[2] 鐵道部.中長期鐵路網調整規劃[Z].北京，2008.

[3] 姚鈞.鐵路客運專線運營調度系統總體技術方案[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[4] 肖萍萍，吳健學.SDH 原理及應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5] 佟卓，謝宇晶，尹斯星.寬帶城域網與MSTP 技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[6] M.Huhns, and M.P.Singh.Service-Oriented Computing:Key Concepts and Principles [J].IEEE Internet Computing,2005, 7(1):75-81.

[7] N.M.Josuttis，程樺譯.SOA 實踐指南－分布式系統設計的藝術[M].北京：電子工業出版社，2008.