中小運量軌道交通電力監控集成方式探討

■ 李志輝 李斌

1 概述

早期的軌道交通電力監控系統獨立設立，隨著自動化技術發展，綜合監控與電力監控系統集成度逐漸加深，綜合監控系統面對線網規模不斷擴大、不同運營體制、不同軌道交通制式的用戶需求，面臨著人工智能、大數據應用的新技術挑戰。如何利用現有軌道交通綜合監控規范體系，構建和設計面向未來的綜合信息化運營調度平臺（見圖1），仍然是當前面臨的重大課題。尤其是如何與其他機電自動化系統集成問題，關系到運營日常操作的安全、便捷、高效。

因此，總結過往軌道交通建設以及運營中一些實踐體會，針對新制式——中小運量軌道交通，重新梳理電力監控系統集成面臨的選擇十分必要。

圖1 綜合運營調度指揮平臺應用構架

2 電力監控系統及其實時性

城市軌道交通電力監控系統通常包括調度主站系統、變電站綜合自動化系統（子站）和底層測控裝置3部分。其中控制中心調度主站系統實現中心調度和全部管理功能，包括對所有車站的監視、遠動、登錄管理、趨勢、報表、查詢、時鐘同步、自檢等所有功能；變電所綜合自動化系統（子站）根據權限管理具備系統部分功能。獨立的軌道交通電力監控系統結構與綜合監控系統（ISCS）系統結構類似，但其規模較小，實時數據庫通常僅支持到10 000點左右。

《地鐵設計規范》（簡稱《規范》）要求ISCS應當與電力監控（PSCADA）系統集成，集成后的系統功能也應當滿足性能要求，特別是系統實時性的要求。PSCADA與ISCS的深度集成很好地解決了遙控命令傳送時間不大于3 s的要求。控制命令數據流由中心/車站操作員站→中心/車站服務器→通信控制器（FEP）→底層設備順序流轉，理論計算見表1、圖2。

另外，《規范》中還要求遙控命令在ISCS系統中的傳輸時間應小于2 s，對于與PSCADA系統深度集成的ISCS系統，通過合理配置設備、優化軟件完全可以滿足該指標要求。

獨立設置的PSCADA系統雖然其工作站傳輸至FEP的過程與ISCS傳輸到FEP的過程相同，但獨立的PSCADA系統規模較小，系統配置（包括服務器內存、CPU性能）較低，軟件結構簡單，因此造成服務器、FEP對遙控命令的處理時間較長。通過系統配置選擇，則可以滿足《規范》中要求遙控命令傳送時間不大于 3 s。

通過車站ISCS與變電站綜合自動化系統（子站）接口，實現ISCS與PSCADA數據互聯的系統，ISCS中央級或車站級操作員站監控全線或本站的供電設備，變電站綜合自動化系統（子站）管理現場供配電設備。對于這種接口方式，其控制命令需要在2個軟件系統中分別執行，即控制命令數據流由中心/車站操作員站→中心/車站服務器→通信控制器（FEP）→變電站綜合自動化系統（子站）→底層設備。與深度集成的ISCS系統相比，滿足遙控命令傳送時間不大于3 s的要求難度很大。此外，《規范》中還規定了控制命令的反饋時間、遙測數據量的采集時間。互聯的PSCADA系統同時滿足這些條件受FEP的配置條件、接入子站的PSCADA軟件設計、底層裝置及結構、巡檢周期等的影響很大。

3 深度集成的綜合監控系統

ISCS分為中央級、車站級和現場級，深度集成的ISCS系統是采用同一軟件平臺將被集成的子系統完全集成在一起，被集成系統的所有功能在ISCS平臺上實現，被集成子系統通過開放的數據接口實現系統間的數據交換。中央和車站監控工作站通過模塊化的軟件部署及權限管理實現各專業崗位的監控功能隔離和授權操作。簡言之，深度集成系統是一個結構、功能和性能的全面集成。

表1 深度集成綜合監控系統控制命令時序表ms

圖2 深度集成ISCS系統控制命令時序圖

深度集成的ISCS系統以被集成子系統的實時數據為基礎，可以建立起堅實的數字信息共享平臺，所以在進行聯動時可靠而迅捷。而且，深度集成的ISCS系統以被標準化的點表數據結構為基礎，可以為今后ISCS系統數據的應用奠定基礎。同時，此類系統不存在平臺對接問題，調試、維護方便，系統擴展性好，從根本上保護了用戶的投資利益。

深度集成的ISCS系統結構見圖3，具有分層分布式系統結構、物理接口在底層設備、采用同一軟件平臺、響應實時性高、數據庫便于開放的特點。已被大多數城市軌道交通線路采用，如北京、深圳、廣州、天津等。除了深度集成的ISCS系統外，中心信息綜合型、中心集成型ISCS系統也有采用。

4 系統結構的安全性、可靠性提升

4.1 ISCS軟件內部結構

ISCS軟件屬大型監控軟件，監控對象規模大于20萬個實時點、5萬個報警信號、4萬個歷史趨勢、50臺操作員站；性能需達到網絡負荷不高于20%，系統響應時間＜1 s；而且需要實現幾十種通用功能（如登錄、權限管理、報表打印、檢索、冗余切換等）。

ISCS軟件通過多層次、標準化、結構化設計[1]，實現了大型監控軟件的開發和測試，具有較高的可靠性和安全性，軟件結構見圖4。

4.2 軟件系統安全性、可靠性

全面的分層、分塊、分功能、性能的測試和驗證，降低了對測試平臺、測試場景復雜度的要求，使大量測試內容在實驗室進行，現場僅對軟硬件、控制對象實物以及控制邏輯進行一致性的驗證。按照分塊測試可以劃分為：操作系統層面測試（支持Windows、Unix）、通用平臺功能測試（包含商用+共享軟件+系統軟件包+應用軟件包）、數據/腳本測試。通過充分、完整、全面的測試、驗證和調試，保證了系統的安全性和可靠性[2]。

另外，ISCS系統與PSCADA系統相比，具有模塊化分層、分布式軟件架構，以及開放的軟件平臺，支持符合特定專業需求的應用擴展。另外，ISCS具備用戶標識與鑒別、存取控制、視圖機制、審計、數據加密等安全控制機制，具有更高的安全性。

北京地鐵燕房線TIAS系統、深圳地鐵11號線、成都地鐵10號線、昆明地鐵3號線等ISCS項目的測試、驗證和調試實踐都表明：

圖3 深度集成ISCS系統結構

圖4 ISCS軟件結構

（1）標準化、規范化測試方法避免了現場修改代碼帶來的版本管理的混亂和隨意，軟件的可靠性大大提高。

（2）分層、分塊的測試驗證方法提高了調試版軟件的可用性，使版本控制、配置管理更加可行，提高了軟件的安全性。

（3）具備用戶標識與鑒別、存取控制、審計、數據加密等綜合監控安全控制機制應用更加廣泛。

5 深度集成系統結構面臨的挑戰

雖然深度集成系統在實時性、安全性、可靠性以及經濟性上具有很大優勢，但在規范中并沒有推薦或強制要求采用何種集成方式，各城市軌道交通建設管理模式、招標界面的劃分、運營的管理需要又不盡相同，特別是對中小城市的業主，受運營管理體制和投資的條件限制，提出簡化車站級PSCADA系統功能或簡單互聯PSCADA子系統的集成建議，主要理由如下：

（1）供電的調度在中心單獨設置崗位及操作界面，電調不查看其他子系統畫面，車站不監視電力系統畫面。正常情況下，可實現全線供電設備的操作，故障情況或維護維修時，操作人員通過現場子站（控制信號盤）操作設備。因此，位于車控室的車站級PSCADA系統監視畫面可用性很小，與ISCS集成顯得沒有必要。

（2）按照《地鐵設計規范》，PSCADA子系統屬于供電專業管理[3]，深度集成需要確定詳細的接口規格書和點表，對主管工程師的專業能力和協調能力要求高，互聯的系統結構更方便設計、招標以及工程實施過程中的管理。

因此，在軌道交通PSCADA系統項目實踐過程中，形成了互聯的PSCADA系統及深度集成的甚至是分立的PSCADA系統結構的現狀。

6 中小運量軌道交通制式下的選擇

云軌屬于中小運量的交通制式，是對傳統跨座式單軌的改進，具有更輕量化的特點，車輛、供電、軌旁設備更加簡潔。因此，面對這種新趨勢，云軌PSCADA系統的體系結構需要重新思考，與綜合監控系統的集成方式也需要重新思考和定位，以滿足在確保安全的前提下，方便運營使用和維護。

6.1 監控對象及監控需求的比較

由于云軌屬于跨座式單軌制式，采用膠輪列車，不能利用鋼軌回流，造成了接觸軌牽引供電方式、軌電位限制，以及雜散電流系統防護需求的不同。主要供電設備電調監控需求的差異見表2。

6.2 功能需求比較

地鐵與云軌相比，監控對象、整體需求大體一致；云軌的變電所通常采用箱式變電所，無人值守；由于車輛設置了電池、供電網絡配置了后備儲能電源，使供電系統可以采用單環網結構（更加簡潔）。

雖然從總體看云軌供電系統相對比較簡單，但是對電力底層控制保護裝置以及監控系統的功能需求并沒有降低（見表3）。

表2 主要供電設備電調監控需求的差異

表3 電力監控功能需求

6.3 系統主要性能參數需求比較

軌道交通PSCADA系統主要用于實現供電系統的遠程操作和維護管理。由于運營環境中的監控對象、功能需求大體一致，因此其主要技術指標要求也基本一致[4]，具體要求見表4。

6.4 運營需求的適用性比較

通過對控制對象、功能需求和性能需求的比較發現，對于遠程操作維護的電調值班人員來說，深度集成的系統結構更能滿足實際需要，3類不同系統集成方式特點以及關鍵性能分析比較見表5。

6.5 項目總投資比較

對于目前市場上主流的綜合監控和PSCADA系統方案來說，都具備對外開放的數據接口以及平臺硬件支撐，是否集成、選用什么集成方案并不影響系統硬件的架構和成本。

表4 電力監控性能需求

綜合監控系統是面向數據匯集（data gather）的系統，控制中心獲得安全的數據和發出控制命令是在一個實時性和可靠性比控制網絡低的通信介質上，因此系統配置了一個功能強大的分布式數據庫。由于PSCADA系統數據量并不巨大，因此接入PSCADA系統并不改變數據庫的規模。

對于應用開發和人機界面來說，通過深度集成的方式反而降低了項目成本。因為綜合監控和PSCADA系統的絕大多數通用功能都一致，采用深度集成方式可以避免一些重復開發。

總之，采用何種集成方式項目總投資基本不變。

6.6 運營維護的比較

軌道交通運營管理體制模式一直是制約綜合監控系統應用發展的瓶頸。具體來說，終端應用包括中心調度員、車站操作員、電力設備維護維修人員、機電設備維護維修人員等，不管是將綜合監控交給機電、電力、還是專門的綜合監控專業運維管理都有缺陷。

但是對于中小運量制式來說，整體的系統規模簡化，對于統一管理會比地鐵更加容易實行，也因此更加需要深度集成的方式。

表5 系統集成方式比較

7 結束語

雖然中小運量軌道交通的供電系統網絡結構比較簡單，但規范、用戶需求并沒有降低監控系統的功能和性能要求。設置ISCS系統的軌道交通工程，PSCADA與綜合監控的集成既是必要的也是一種趨勢。深度集成的系統結構可以更好地滿足實時性要求，并且提高了可靠性、安全性和經濟性。

另外，車輛、供電、信號系統的數據互聯互通越來越迫切，通過車輛的牽引電流、信號行車模式、供電網絡回路、總電流及開關狀態的實時數據和歷史數據共享，借助大數據分析實現軌道交通綜合效益的提高變得越來越有可能，也使深度集成的綜合監控系統越來越重要。

因此，深度集成是ISCS系統的必由之路，PSCADA子系統是其重要的拼圖之一。對電力調度來說，深度集成提高了系統的實時性、安全性、可靠性，中小運量軌道交通的PSCADA系統應當與綜合監控系統深度集成。