關于鐵路供電SCADA系統主站技術標準的研究

喬凱慶

0 引言

隨著高速鐵路的快速發展，鐵路供電調度控制系統，即SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統的應用規模越來越大，SCADA系統在助力鐵路特別是高速鐵路不間斷供電、暢通運輸秩序中的作用愈發凸顯，尤其是隨著鐵路智能化建設的推進[1]，SCADA系統的功能和作用如何進一步發揮，成為必須面對的現實。《鐵路供電遠動系統（SCADA）主站暫行技術條件》（TJ/GD 013—2015）（以下簡稱“原技術條件”）作為鐵路供電SCADA系統基本技術標準、我國鐵路供電技術標準體系的重要組成部分，屬于鐵路工程建設標準的范疇，對指導鐵路供電SCADA系統發展初期建設起到了至關重要的作用。近年來，在國鐵企業改革和經營管理工作的有力推進下[2]，鐵路運營管理及供電調度管理模式發生了變化，加之我國高速鐵路供電技術發展迅速[3]，原技術條件已不能完全適應工程建設應用和運營需求。根據鐵路工程建設標準體系建設要求，國鐵集團在認真總結既有鐵路供電遠動系統的工程建設和運行經驗的基礎上，通過廣泛深入調研、工程實踐、運行效果驗證，收集了鐵路供電部門對系統的優化升級及新增需求的建議， 提出了企業標準的編制要求。經編制組多輪研討、專家論證，在SACDA系統原技術條件基礎上進行了補充完善，最終形成了《鐵路供電調度控制（SCADA）系統主站技術條件》（Q/CR 796—2020）（以下簡稱“技術標準”）。

1 技術標準修訂的必要性

較長一段時間以來，指導鐵路供電調度控制系統建設、運營維護的技術標準類文件主要依據2015年發布的標準性技術文件《鐵路供電遠動系統（SCADA）主站暫行技術條件》（TJ/GD 013—2015）。在該技術文件的實踐和應用過程中，總結了一些成熟的經驗：一是定義了鐵路供電SCADA系統的標準體系架構，以鐵路供電調度為中樞的主站系統串聯牽引變電所亭、電力變配電所亭和電力箱變等受控站主框架，滿足鐵路供電遠動控制的根本需求；二是快速、精準的控制策略符合鐵路供電可靠性、靈活性的內在需求，符合鐵路優質連續供電為鐵路運輸服務的指導思想；三是系統化、模塊化的架構設計為SCADA系統的進一步創新發展預留充分空間，為采納吸收新技術、豐富SCADA系統功能、提升SCADA系統性能創造了便利條件。

但隨著SCADA系統的建設、發展以及云計算、大數據[4]等IT技術的高速發展，原技術條件在指導SCADA系統建設、運用過程也發現了一些不適應：一是鐵路供電調度系統從過去具備單一的遠動控制功能向具備“橫向集成、縱向貫通、協同高效”特征的綜合調度控制系統發展，對SCADA系統的功能需求從單點的“一對一”精準控制向“一對多”“多對多”的系統聯動控制需求轉變；二是鐵路牽引供電專業巡檢保養屬地化、修理試驗專業化、運行值班無人化的改革方向，生產力布局調整和修程修制改革，鐵路供電作業方式逐漸由零散化向集約化、無人化的方向發展，對供電調度的指揮中樞功能發揮提出更高要求，尤其是大量牽引變電輔助監控裝置的應用對SCADA系統主站提出新的要求；三是電氣化鐵路體量的迅速發展，全國鐵路電氣化率已發展到接近75%（截至2020年底），電氣化鐵路比重的提升意味著電氣化鐵路在整個鐵路運輸格局重要性的提升，與此同時，對電氣化鐵路優質不間斷供電的要求也逐步提高，對SCADA系統快速精準判斷并切除故障分區、及時恢復供電、恢復運輸秩序提出更高要求；四是鐵路電力變配電的修程修制改革也在試點開展，提升電力供電品質，尤其是為鐵路信號等重要負荷提供電源的電力線路的供電可靠性、靈活性是鐵路電力供電的內在需求，這對鐵路電力尤其是高鐵電力SCADA系統的性能也提出更高要求。

因此，在行業既有應用成果基礎上，結合未來牽引變電、電力變配電所無人化的發展需求[5]，總結原技術條件應用的成熟經驗，結合行業發展現狀，適度考慮發展需求，修訂技術標準細節，轉化標準性技術文件為企業標準，引領鐵路供電調度控制系統建設，指導鐵路供電調度控制系統的運用維護是非常必要的。

2 技術標準的編制原則和內容

鐵路供電調度控制系統（SCADA系統）是對鐵路供電系統進行遠程數據采集、通信、監視、測量、控制、保護、輔助監控的系統。SCADA系統主站部署于國鐵集團/局/段級，基于云計算、大數據技術，以數據全景可視化、調度協同化為基本要求，實現與被控站的遠程通信及對鐵路供電系統的遠程監視控制、輔助監控等功能[6]，并支持與其他相關系統協調聯動。鐵路供電調度控制系統利用先進的計算機軟硬件技術、自動檢測和控制技術、計算機通信、虛擬化技術和網絡技術，對鐵路供電系統的重要環節，如變電所、分區所、AT所、開閉所、接觸網分段開關等進行自動監視和控制，保證鐵路牽引供電系統安全、經濟運行，為鐵路的安全運輸提供可靠的電力保障。

結合鐵路供電調度控制（SCADA）系統的技術特點，融合信息化、智能化技術發展成果，技術標準修訂堅持安全第一、一體化設計的理念，以適應生產力布局調整、修程修制改革為原則，以創新引領、提升質量、講求效益為目標，力求實現集約化、自動化、信息化、無人化、智能化。標準修訂過程中遵循以下幾點基本要求：

（1）標準內容符合統一性、協調性、適用性、一致性、規范性規則要求；

（2）標準技術內容安全可靠、科學先進、成熟穩定；

（3）充分整合既有標準性技術文件的要求，增加適應行業發展的應用功能，擴充和優化系統內外的接口功能，細化工程實施和系統接口的規范要求；

（4）標準實施后有利于提高鐵路產品質量、確保鐵路供電系統的安全可靠和經濟高效運行，符合鐵路行業發展需求。

修訂后新頒布的技術標準共分為9章，內容包括：范圍，規范性引用文件，術語和定義、縮略語，系統架構，系統功能，技術要求，測試方法，檢驗規則，標志、包裝、運輸和儲存等。另外，技術標準附錄還規定了鐵路供電調度控制系統的數據字典、接口規范、通信規約等內容。本次技術標準較原技術條件修訂的主要內容：

（1）定義了SCADA系統架構及系統的業務分區和安全分區，在原技術條件基礎上進一步明確了國鐵集團級、供電段級系統的技術要求；

（2）在整合原技術條件所涵蓋的技術要求基礎上，擴展了SCADA高級應用功能要求；

（3）擴展了遙視應用要求；

（4）擴展了對輔助監控應用的技術要求；

（5）增強了對網絡安全防護的技術要求；

（6）擴展了廣域網分類及詳細定義要求；

（7）優化了規范系統主站的外部接口要求；

（8）結合現場實際應用需求，修訂了附錄中遠動監控區人機界面制圖規范部分細節，增加了遠動監控區報警分級、牽引供電綜自遠動監控點表、遠動監控區運行統計報表、廣域網組網示例圖（報表、點表）以及外部接口等規范性要求。

3 技術標準要點研究與解讀

3.1 系統架構及分區

技術標準明確了系統采用國鐵集團-鐵路局集團公司-供電段三級架構，其系統總體結構如圖1所示。

圖1 鐵路供電調度控制系統主站總體結構

在原技術條件規定的既有系統架構下，增加了國鐵集團級、段級系統詳細的相關技術和功能要求。

從業務功能和系統功能兩個維度，提出了鐵路供電調度控制系統主站的應用和網絡安全分區，其應用和網絡安全分區如圖2所示。

圖2 鐵路供電調度控制系統主站的應用和網絡安全分區

鐵路供電調度控制系統主站根據業務功能劃分為兩類應用分區，即遠動監控應用區和輔助監控應用區。鐵路供電調度控制系統主站根據系統功能和業務數據安全等級劃分為兩個安全分區，即安全Ⅰ區、安全Ⅱ區，其中遠動監控類應用位于安全Ⅰ區，輔助監控類應用位于安全Ⅱ區。

3.2 SCADA高級應用功能

（1）自動巡檢。新增重要開關狀態智能巡檢功能，提前發現開關位置異常變化狀態，消除安全隱患。

（2）全景化展示。新增鐵路供電系統相關信息全景化展示功能，包括但不限于：供電系統運行方式；牽引變電所/配電所運行方式；設備檢修狀態；實時圖像信息；列車位置信息等。

（3）綜合告警。優化了綜合告警功能，可對跳閘產生的各類分散、孤立的故障和報警信息進行綜合展示，提高故障處置效率。可在遙控操作時自動關聯供電回路電流與網壓檢測，智能判定遙控結果并自動進行異常告警提示；可對各類分散、孤立、差異化的故障信息建立統一的告警模式，過濾冗余故障信息，并以供電臂為單元進行故障信息的綜合展示并具備智能告警功能；具備對遠動監控區歷史事件信息進行高頻告警以及具有對各類信號高頻告警的閾值進行設置的功能。

3.3 遙視應用

遙視應用與既有遠動監控的四遙功能深度融合，同臺展示；可與遠動監控區實現聯動，在操作開關設備或發生事故跳閘、火災報警等重大故障時聯動攝像機，實現多角度實時視頻監控，可通過智能圖像識別實現信息復核，并對整個操作過程進行全程錄像；提出了可通過圖文或動畫方式動態展示所亭輔助監控系統的重要報警信息，并可基于3D或BIM模型進行所亭設備可視化展示。

3.4 輔助監控應用

輔助監控區應用由設置在國鐵集團公司、局集團公司調度所及供電段的輔助監控主站，以及設置在鐵路沿線各牽引變電所、分區所、AT所的輔助監控系統被控站及傳輸通道等構成，實現對牽引變電設備輔助監控的功能，同時在沿線車間設置輔助監控復示終端，滿足車間和工區應用需求。輔助監控國鐵集團級主站與輔助監控通道連接，實現與局級輔助監控系統主站的數據交互。輔助監控局級主站通過與輔助監控通道連接，實現與牽引變電所輔助監控系統、輔助監控段級用戶端的數據交互。輔助監控段級主站通過與輔助監控通道連接，實現與牽引變電所輔助監控系統、輔助監控局級主站的數據交互；通過與復示通道連接，實現與車間級輔助監控復示終端的信息交互。

輔助監控區用于收集鐵路沿線牽引變電所、分區所、AT所中供電設備狀態信息，并將各類信息實時匯集上傳到輔助監控系統主站平臺，主站平臺通過圖像智能識別、大數據等技術實現對所亭設備狀態的智能識別、自動巡檢及告警聯動，減少人工巡檢的工作量，提高對供電設備故障的綜合判斷力，為確保供電設備的安全運行、實現電氣化鐵路所亭無人值守提供技術支撐，為進一步實現供電設備故障的“提前預判，及時維修”提供可能性。

3.5 安全防護

鐵路供電調度控制系統的網絡安全防護遵循“安全分區、橫向隔離、縱向加密”的總體策略[7]，并根據系統功能和業務數據的安全定級對不同分區采用不同等級的網絡安全防護措施。其中，安全Ⅰ區（遠動監控區）采用網絡安全三級等保，并應具備基于安全域內所有計算機節點及用戶的統一安全管理功能，安全Ⅱ區（輔助監控區、調度運行區）采用網絡安全二級等保。鐵路供電調度控制系統與其他外部接口系統間的通信應通過網絡安全隔離裝置或防火墻進行隔離或防護；鐵路供電調度控制系統與復示通道的接口處應采用防火墻、網絡安全隔離裝置進行隔離防護；鐵路供電調度控制系統與遠動通道的接口處采用防火墻進行網絡防護。

技術標準結合GB/T 22239—2019《信息安全技術網絡安全等級保護基本要求》等信息安全技術網絡等級保護要求，通過分析建設一套穩定、先進、高效、可靠的工控安全監測防護體系，集中展現供電調度系統的整體工控安全態勢，提升整體工控安全監管水平和防御能力。SCADA系統工控信息安全防護建設主要通過分析各區域的業務實際和安全需求，根據“一個中心、三重防護”的思想，通過邊界防護、安全審計、主機防護、入侵檢測、未知威脅、運維管理、安全自查、集中管理多個模塊的互補搭配，結合管理及服務，構建縱深防御、技管并重的成型動態防御體系。

3.6 廣域網

技術標準綜合考慮到未來潛在的發展需求，將輔助監控通道、故障測距通道分別按牽引供電和電力分別進行要求，對主站三級總體架構下所涉及的通道類型進行了分類及詳細的定義和描述。鐵路供電調度控制系統的廣域網類別包括遠動監控類和輔助監控類。遠動監控類廣域網包括：國鐵集團級、各被控站至局、各被控站至段的遠動通道，故障測距通道，廣域保護通道，局至段/車間、段至車間的遠動復示通道。輔助監控類廣域網包括：國鐵集團級、局級、各被控站至段的輔助監控通道，段至車間的輔助監控復示通道。

高速鐵路供電調度控制系統主站的廣域網構成如圖3所示，普速鐵路與之大體類似，在此不再贅述。

圖3 高速鐵路供電調度控制系統廣域網構成

3.7 外部接口

技術標準規范明確了鐵路供電調度控制系統主站的應用部署及外部系統接口，如圖4所示。

圖4 鐵路供電調度控制系統主站的應用部署及外部系統接口

遠動監控區與輔助監控區之間分別在國鐵集團、局、段三級實現雙向的數據交互。

鐵路供電調度控制系統主站與外部系統的接口包括但不限于：在國鐵集團級、局級主站分別實現與鐵路時間同步網的接口等；在局級、段級分別實現與鐵路供電調度控制系統被控站的接口等。

3.8 附錄

在原技術條件附錄有關規范基礎上，修訂了附錄遠動監控區人機界面制圖規范，增加了遠動監控區報警分級要求、牽引綜自遠動監控點表規范、遠動監控區104傳輸規約協議、變電所輔助監控詳細接口、遠動監控區運行統計報表要求以及廣域網組網示例圖、報表、點表及詳細接口等規范要求。

4 結語

《鐵路供電調度控制（SCADA）系統主站技術條件》全面總結了近年來我國高速鐵路供電調度（SCADA）系統在設計、施工、運營方面的科研、運用成果實踐經驗，充分體現了科學性、先進性和技術經濟合理性，對指導和規范我國鐵路供電SCADA系統的工程建設、系統運用具有重要作用,是提高我國鐵路牽引供電、電力設備自動控制水平的重要頂層規范支撐，對提升我國鐵路供電系統的整體技術水平具有重要意義。