新一代地鐵變電所PSCADA系統組網方案探討

徐欽煒 賴沛鑫 陸學文 廖權保 余龍

摘? 要：通過挖掘現有地鐵變電所綜合自動化系統（PSCADA）系統組網方案存在的通信規約不統一、系統不開放、運維效率低等問題，結合電力系統自動化領域唯一的全球通用IEC 61850標準進行新一代PSCADA系統組網方案探討。分別從網絡結構框架、通信規約統一化、通信速率、故障弱化、運行維護等方面去對比新舊PSCADA系統組網方案的優劣，希望探討出的新一代地鐵變電所PSCADA系統組網方案能夠更加可靠、高效、經濟、智能。

關鍵詞：地鐵變電所;PSCADA;組網方案;IEC 61850

中圖分類號：TN915.852;TP277? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0056-03

Abstract：By digging out the problems of inconsistent communication protocol，the system not open and low operation and maintenance efficiency existing in the existing PSCADA system networking scheme for Metro substations，the new generation PSCADA system networking scheme is discussed in combination with the only universal IEC61850 standard in the field of power system automation. The advantages and disadvantages of the new and old PSCADA system networking schemes are compared from the aspects of network structure framework，unification of communication protocols，communication rate，fault weakening，operation and maintenance. It is hoped that the new generation of PSCADA system networking schemes for metro substations can be more reliable，efficient，economical and intelligent.

Keywords：subway substation;PSCADA;networking scheme;IEC61850

0? 引? 言

近二十年來，計算機、網絡通信、傳感器（物聯網）技術取得了突飛猛進的發展，技術的進步促進了很多行的產業結構的更新換代。而隨著城市化進程的發展，地鐵在城市軌道交通中扮演的角色也越來越重要，它的安全、穩定、經濟的運行，直接關系到人民的生命財產安全。但是，由于地鐵線路的增加、延長，運維成本的上升，原來的地鐵變電所PSCADA越來越不能滿足地鐵供電的新需求，急需進行技術創新，探索出更可靠、更高效、更經濟、更智能的PSCADA系統。

1? 地鐵變電所PSCADA系統概述

地鐵變電所綜合自動化系統（PSCADA），主要是對地鐵車站、停車場、車輛段、主變電站和變電所35kV中壓交流系統、1500V（750V）直流供電系統、0.4kV交流系統、接觸網系統進行監控[1]。它的主要功能有：數據采集和處理;遙測、遙信、遙控、遙調;界面顯示;事故和預告告警;故障錄波和事故追憶等，達到實施監視控制，保證供電穩定的目的。隨著信息技術的發展，PSCADA系統的技術方案在不斷地尋求進步和完善，良好的組網方式及設備選型對PSCADA系統的安全可靠提高十分關鍵。

2? 現有地鐵變電所PSCADA系統組網方案

地鐵變電所綜合自動化系統目前采用總控式的網絡結構，其網絡結構圖如圖1所示。

整個組網方案可以分成三部分組成：（1）35kV交流室的繼電保護測控裝置與所內的公用測控裝置直接通過網口（103規約）接入到網口交換機;（2）1500V直流室繼電保護測控裝置與負極柜通過串口匯集到一個串口服務器，轉換成網口通信后接入到網口交換機;（3）其余分散的串口通信裝置（如：溫控器、交直流屏裝置、0.4kV開關柜、軌電位、電度表）則直接接入到通信管理裝置進行規約轉換。

從數據流向來看，整個PSCADA系統的中心是“通信管理裝置”。一方面，它向下通過交換機和串口通信端子采集變電所內數據;另一方面，它向上接入車站級綜合監控系統局域網與中央級OCC系統通信，負責數據的上傳與下達[2]。此外，它還負責所內PSCADA系統的人機界面數據處理。所有的數據處理都由“通信管理裝置”進行采集、規約轉換、上傳下達，這樣的網絡結構不滿足設計的故障弱化原則。當它出現問題時，不管是所內PSCADA監控還是OCC監控都將失效，整個地鐵變電所將處于無監控狀態，操作只能在開關柜上就地進行，增加了運行風險。

另外，現有的“通信管理裝置”不但有RTU功能，還集成了規約轉換的功能，這使得網絡變得更加復雜，現場施工布線難度大。而且將遠傳、當地監控、規約轉換集中到一臺裝置上來實現，導致現場任何一個與之相關的改動，都會對“通信管理裝置”進行操作。這對日常的運行維護或者后期改造升級工作來說，都將擴大工作影響范圍，也讓變電所在進行“通信管理裝置”維護工作時處于了無監控狀態。

從通信介質來看，現有的網絡結構，除了35kV交流室的繼電保護測控裝置采用網絡103規約通信外，其余裝置的還是采用90年代的串口通信。整個網絡數據存在傳輸速率慢，上傳數據不完全等問題。這也導致現有的PSCADA系統無法進行一些面向運維的高級功能擴展，無法降低地鐵變電所的運維成本。同時，整個系統也存在著多個通信規約，無法簡單便捷地與其他系統進行數據交換，造成信息孤島。所有的數據需要經過“通信管理裝置”進行規約轉換，這就導致了現有地鐵變電所PSCADA系統的開放性較差，在后期改造、擴展上難度很大。

3? 新一代地鐵變電所PSCADA系統組網方案

從目前地鐵工程建設實施的經驗以及國內外變電所設備運行維護的經驗來看，新一代地鐵變電所綜合自動化系統的關鍵在于實現通信接口標準化、提高設備間的互操作性、研發面對運維的高級應用功能這三方面進行[3]。最終，構建出一個開放、安全、穩定、高效、經濟、智能的新一代地鐵變電所綜合自動化系統。

IEC 61850規約于2003年由國際電工委員會發布，已成為國際先進標準。它通過對變電所自動化系統中的對象進行統一建模，采用面向對象技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口（ACSI），并支持TCP/IP協議，是一個開放的，代表了未來變電所綜合自動化技術發展方向的通信協議，IEC 61850標準強調了變電站自動化系統中信息的數字化，包括在站控層和間隔層實現基于高速以太網的實施通信，也包括在過程層實現基于網絡的通信。這種基于以太網的通信架構的采用，統一了通信系統的物理介質，減少了因為不同的物理介質而導致的互聯問題，同時在過程層中采用以太網進行二次電氣量的數字化傳輸，將大大減少變電站的接線工作，方便工程設計和維護[4]。

同時，國內電網行業于2004年將IEC 61850標準作為電力行業標準并開始在智能變電站中運用，該標準對電網智能化變電站技術進行了規范和統一，新建和改造了大量的新一代變電所，為地鐵變電所綜合自動化的發展積累了大量的經驗。基于IEC 61850規約，考慮現有的PSCADA系統網絡結構存在的問題以及地鐵變電所運行維護的需要，構建新一代地鐵變電所PSCADA系統組網方案，結構如圖2所示。

變電所內裝置采用IEC 61850規約（非IEC 61850規約裝置將由“規約轉換裝置”轉換成IEC 61850規約裝置），通過網線直接接入系統，站控層通信規約統一為IEC 61850。數據匯集到開放的網口交換機，各個客戶端軟件可以直接通過網線接入到交換機與所內二次裝置通信，獲取數據，無需通過規約轉換。由于所內監控后臺與“RTU遠動裝置”都可以直接通過交換機獲取數據，實現了所內PSCADA系統與OCC監控系統的解耦。這種通信方式取消了通信管理機這個中間環節，數據采集更直接，實時性更好。同時，因為采用IEC 61850規約通信，二次保護裝置需要建模，通信獲得的數據更全面，故障定位模塊化，同時也會對數據的有效性進行判斷，減少誤報情況。站內數據的采集還可以擴展到對過程層網絡（網絡化保護）的通信狀態GOOSE信息（保護閉鎖、跳閘、通信狀態等），可以對保護之間的配合回路與動作過程進行監視，避免因電纜虛接、斷裂、絕緣降低等原因出現拒跳、誤跳情況。

基于IEC 61850規約的PSCADA系統，不但在數據采集、網絡簡化、功能應用上具有優勢，而且對于工程建設、調試、改造、擴建更加方便快捷。通過配置系統描述文件SCD，可以做到自動生成數據庫，保證裝置、后臺、遠動等系統的信號保持一致，縮短現場調試工作量。

4? 結? 論

基于IEC 61850規約的新一代地鐵變電所PSCADA系統組網方案，它能大幅度改善信息技術和自動化技術的設備數據集成，減少工程量、現場驗收、運行、監視、診斷和維護等費用，節約大量時間，增加了PSCADA系統使用期間的靈活性。它解決了變電所綜合自動化系統產品的互操作性和協議轉換問題，還使變電站自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用的特性，極大地方便了系統的集成，降低了變電站綜合自動化系統的工程費用，可以在地鐵行業進行工程嘗試推廣。

參考文獻：

[1] 王惠.淺談地鐵電力監控系統 [J].工業控制計算機，2013，26（10）：35-36.

[2] 靳東.鐵路供電PSCADA系統數據流分析及方案設計 [D].成都：西南交通大學，2015.

[3] 王文怡.基于IEC 61850標準的地鐵變電所綜合自動化設計方案探討 [J].城市軌道交通研究，2013，16（4）：54-57+91.

[4] 劉衛東，林彥凱.IEC 61850標準在地鐵變電站自動化系統的應用 [J].電氣化鐵道，2008（1）：37-39.

作者簡介：徐欽煒（1988-），男，漢族，江西贛州人，工程師，本科，主要研究方向：城市軌道交通供電系統;賴沛鑫（1988-），男，漢族，廣東揭陽人，工程師，本科，主要研究方向：軌道交通智能變電站運維系統應用;陸學文（1988-），男，布依族，貴州都勻人，工程師，本科，主要研究方向：城市軌道交通供電管理技術;廖權保（1990-），男，漢族，廣東梅州人，工程師，本科，主要研究方向：軌道交通智能變電站數字化電流保護應用;余龍（1981-），男，漢族，四川眉山人，高級工程師，碩士，主要研究方向：城市軌道交通供電系統。