地鐵SCADA 系統(tǒng)常見故障分析與處理

夏周勤

（南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司，江蘇南京 210008）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，綜合監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，變電所逐步趨于智能化、無人化管理，這一技術(shù)在給供電管理帶來便利的同時(shí)，也使得地鐵運(yùn)營更加依賴于智能化系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。一旦SCADA 系統(tǒng)發(fā)生故障，電調(diào)將無法對(duì)全線變電所設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，地鐵供電也將存在安全隱患，因此，加強(qiáng)SCADA 系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)與管理、保證其整體運(yùn)行穩(wěn)定在地鐵安全運(yùn)營中具有重要意義。

1 SCADA 系統(tǒng)概述

SCADA 系統(tǒng)[1]在電力系統(tǒng)中又稱電力監(jiān)控系統(tǒng)，是地鐵供電中的重要組成部分，在安全供電中占據(jù)重要地位。電力監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的供變電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等功能[2]。

SCADA 系統(tǒng)主要由控制中心調(diào)度系統(tǒng)、牽引降壓混合/降壓/主變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及通信通道構(gòu)成。控制中心調(diào)度系統(tǒng)通過通信環(huán)網(wǎng)與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)互聯(lián)。電力調(diào)度人員通過調(diào)度中心工作站的電力監(jiān)控平臺(tái)軟件，對(duì)全線變電所現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的高壓供變電設(shè)備及接觸網(wǎng)電動(dòng)隔離開關(guān)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程統(tǒng)一監(jiān)視和控制，確保供電安全。為確保控制的可靠實(shí)現(xiàn)，地鐵SCADA 系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程控制、所內(nèi)盤上集中控制、設(shè)備本體控制3 級(jí)控制方式，3 種控制方式相互閉鎖。根據(jù)故障影響的范圍，SCADA 系統(tǒng)故障可分為兩級(jí)，中心級(jí)系統(tǒng)故障和站級(jí)系統(tǒng)故障。

2 中心級(jí)故障及其處理措施

中心級(jí)故障在地鐵運(yùn)營中屬于嚴(yán)重事故，將影響電調(diào)進(jìn)行全線電力監(jiān)控。以南京地鐵3 號(hào)線為例，SCADA 中心調(diào)度系統(tǒng)主要由系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)、2 套系統(tǒng)服務(wù)器、2 套前置服務(wù)器、操作員工作站等構(gòu)成。中心電力監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示，同時(shí)系統(tǒng)配有一套UPS 不間斷電源設(shè)備，保障電力供應(yīng)。中心機(jī)房局域網(wǎng)絡(luò)采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，互為備用。正常狀態(tài)下雙網(wǎng)同時(shí)運(yùn)行，可自由切換；當(dāng)任一網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，系統(tǒng)軟件發(fā)出報(bào)警信息，并由非故障網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)全部的數(shù)據(jù)傳輸，以保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。服務(wù)器用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的后臺(tái)處理、歷史數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、節(jié)點(diǎn)資源分配等工作，當(dāng)一套服務(wù)器故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)切換到另一套服務(wù)器上。

圖1 電力監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

中心級(jí)系統(tǒng)故障根據(jù)功能可大致分為以太網(wǎng)設(shè)備故障、服務(wù)器故障和UPS 電源組故障。

2.1 以太網(wǎng)故障

當(dāng)SCADA 系統(tǒng)軟件后臺(tái)提示全線主網(wǎng)或備網(wǎng)通信中斷時(shí)，可推測(cè)中心機(jī)房以太網(wǎng)故障，需立即到機(jī)房查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括組網(wǎng)交換機(jī)、網(wǎng)線、光纖跳線等，一般來說長期運(yùn)行后中心級(jí)組網(wǎng)交換機(jī)損壞以及RJ45 接口、光口松動(dòng)的可能性較高，平時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備柜中主備網(wǎng)運(yùn)行指示燈的巡視，檢查連接是否松動(dòng)。

2.2 服務(wù)器故障

由于服務(wù)器處于全年24 h 不間斷運(yùn)行，負(fù)載量較大，使用一定年限后，可能出現(xiàn)一些問題，當(dāng)系統(tǒng)后臺(tái)提示某臺(tái)服務(wù)器失步時(shí)判斷為服務(wù)器故障。一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，根據(jù)不同狀態(tài)，需要采取不同措施。

（1）服務(wù)器硬件是否停機(jī)。如果發(fā)現(xiàn)服務(wù)器運(yùn)行指示燈不亮、風(fēng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，首先檢查服務(wù)器供電回路、相關(guān)連接線、供電電壓是否正常，排除外部電源問題。如果外部電源正常，需聯(lián)系廠家返廠維修。

（2）服務(wù)器硬件運(yùn)行正常，系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常。這種情況一般為服務(wù)器宕機(jī)，常見的服務(wù)器宕機(jī)原因有運(yùn)行環(huán)境問題和服務(wù)器性能問題，發(fā)現(xiàn)服務(wù)器宕機(jī)后，要判斷其原因是否為系統(tǒng)功能模塊進(jìn)程掛死；是否為啟動(dòng)程序問題；是否為外部攻擊導(dǎo)致；是否為工作人員誤操作問題。服務(wù)器失步后，相關(guān)工作人員可先通過指令檢查服務(wù)器進(jìn)程，嘗試重新啟動(dòng)服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件；近年來根據(jù)公安部要求，為保證SCADA 系統(tǒng)信息安全，免受外部病毒攻擊導(dǎo)致的通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓，依照網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)制度要求，公司每年定期為SCADA 系統(tǒng)組織等級(jí)保護(hù)測(cè)評(píng)工作，進(jìn)行安全建設(shè)，同時(shí)對(duì)不合格項(xiàng)進(jìn)行整改，并加裝了網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)設(shè)備。

此外，由于SCADA 系統(tǒng)建設(shè)初期服務(wù)器預(yù)留內(nèi)存不足，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)空間無法滿足當(dāng)前大量數(shù)據(jù)的需求，經(jīng)常出現(xiàn)歷史信息無法查詢、報(bào)表數(shù)據(jù)沒有上傳等情況，此時(shí)需要對(duì)服務(wù)器進(jìn)行擴(kuò)容處理，同時(shí)定期做好關(guān)鍵數(shù)據(jù)備份工作。

2.3 UPS 電源故障

控制中心SCADA 機(jī)房設(shè)置一套UPS 電源設(shè)備，為機(jī)房內(nèi)SCADA 設(shè)備提供UPS 電源，主要包括UPS 主機(jī)、蓄電池組、UPS配電柜（含進(jìn)線雙電源切換裝置、輸入/輸出開關(guān)、監(jiān)控單元、蓄電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信裝置等）。UPS 電源故障通常為蓄電池組問題，蓄電池異常，機(jī)房服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備的電力供應(yīng)將得不到保障，SCADA 系統(tǒng)也就無法運(yùn)行。為保障電源供應(yīng)穩(wěn)定，維護(hù)人員需做好監(jiān)控單元報(bào)警信息、蓄電池運(yùn)行狀態(tài)巡視工作，發(fā)現(xiàn)蓄電池漏液、鼓包等情況應(yīng)立即查出原因予以處理，同時(shí)定期對(duì)電池做容量考核試驗(yàn)。

3 站級(jí)系統(tǒng)故障及其處理措施

變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)由控制信號(hào)盤、開關(guān)柜內(nèi)的微機(jī)綜合保護(hù)測(cè)控單元和變電所維護(hù)計(jì)算機(jī)及所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式，各微機(jī)綜合保護(hù)測(cè)控單元安裝于各開關(guān)柜內(nèi)，進(jìn)行接口及規(guī)約的配合、轉(zhuǎn)換、組網(wǎng)后接入到通信處理設(shè)備即通信管理機(jī)，站級(jí)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。站控主單元通過所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視控制，實(shí)現(xiàn)變電所各種設(shè)備的控制、監(jiān)視、聯(lián)動(dòng)、聯(lián)鎖、閉鎖功能，自動(dòng)投切，電流、電壓、功率、電度采集功能。根據(jù)系統(tǒng)圖可以看出，造成站級(jí)系統(tǒng)故障的可以分為3 類，分別是網(wǎng)絡(luò)通道出現(xiàn)故障、控制信號(hào)屏設(shè)備故障以及設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元故障。

圖2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通道故障

3.1.1 光纖網(wǎng)故障

由于光纖網(wǎng)具有頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾性強(qiáng)、保真度高等優(yōu)點(diǎn)，地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)距離通信多為光纖網(wǎng)通信。光纖網(wǎng)絡(luò)主要由光電轉(zhuǎn)換器和光纖通道搭配組成，光電轉(zhuǎn)換器將以太網(wǎng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后利用光的全反射原理使其在光纖中傳播，光信號(hào)通過光纖后，再轉(zhuǎn)換成另一端工作設(shè)備需要的電信號(hào)。目前，地鐵供電中普遍使用的仍然是雙纖、雙向光纖收發(fā)器，需要一對(duì)光纖進(jìn)行光信號(hào)的發(fā)送和接收。

因?yàn)楣庠诠饫w中為單向傳播，鏈路的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就可能導(dǎo)致通信中斷。如果光電轉(zhuǎn)換器只有光口指示燈不亮，基本可判定為光纖網(wǎng)故障，光纖網(wǎng)通信故障可能有以下3 個(gè)原因：①光電轉(zhuǎn)換器本體故障；②光纖鏈路沒有交叉鏈接；③光纜、尾纖通道有斷點(diǎn)或光衰過大。確認(rèn)光纖網(wǎng)故障后，可先查驗(yàn)光纖鏈路是否交叉連接，如果沒有則調(diào)換相應(yīng)光電轉(zhuǎn)換器TX/RX 光口的尾纖；如果光纖鏈路連接正常，可安排兩個(gè)工作人員在光纖通道的兩端，通過光筆或光功率計(jì)打光檢查光纖是否存在光衰或斷點(diǎn)，如果光衰過大應(yīng)立即更換，如果光纖通道正常，則多為光電轉(zhuǎn)換器損壞，應(yīng)更換光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器故障是日常工作中最常見的故障，需注意的是更換的新光電轉(zhuǎn)換器需要滿足現(xiàn)場(chǎng)光信號(hào)波長、電源規(guī)格以及單模、多模等需求。

3.1.2 銅線網(wǎng)故障

銅線網(wǎng)是利用通信電纜來完成電信號(hào)傳輸?shù)模罔FSCADA系統(tǒng)使用的主要包括兩種：網(wǎng)線以及RS485 通信線。日常工作中銅線網(wǎng)常出現(xiàn)的通信故障原因有以下3 種：①RJ45 接口或RS485 串口接口松動(dòng)，電信號(hào)接觸不良導(dǎo)致通信中斷；②網(wǎng)線水晶接頭壓制不好；③開關(guān)柜內(nèi)RS485 通信電纜接線錯(cuò)。當(dāng)遇到銅線網(wǎng)故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先查看接線是否松動(dòng)，如果松動(dòng)需要進(jìn)行緊線或者更換插口；對(duì)于網(wǎng)線段可以利用同網(wǎng)段計(jì)算機(jī)ping 上層或下層設(shè)備對(duì)應(yīng)的IP 地址測(cè)試通道回路是否正常，找出故障段進(jìn)行更換；對(duì)于RS485 通信電纜可以利用多用表歐姆檔測(cè)試各回路段通斷或者測(cè)量線路電壓是否正常，縮小排查范圍，找出故障點(diǎn)。

3.2 控制信號(hào)屏設(shè)備故障

控制信號(hào)屏主要包括通信管理機(jī)、測(cè)控裝置、光電交換機(jī)及電腦一體機(jī)等。如果出現(xiàn)整個(gè)車站與控制中心通信的故障，且保證控制中心系統(tǒng)正常的條件下，可以初步判定是通信管理機(jī)的故障或到通信環(huán)網(wǎng)的傳輸通道故障，然后可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行指示燈進(jìn)行下一步判斷。

通信管理機(jī)是A、B 機(jī)一體結(jié)構(gòu)，互為備用，通過以太網(wǎng)將變電所內(nèi)的所有35 kV、1500 V、400 V、變壓器、整流器等設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述設(shè)備的遙控、遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、SOE 等功能。所有站的通信管理機(jī)都接入到通信環(huán)網(wǎng)，使得操作員在中心工作站能夠?qū)λ姓炯?jí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中遙控，變電所內(nèi)網(wǎng)絡(luò)底層通信協(xié)議為TCP/IP，通信管理機(jī)接到通信環(huán)網(wǎng)的LAN 口具備一個(gè)唯一的IP 地址和相同的子網(wǎng)掩碼，使得全線所有的通信設(shè)備能夠同時(shí)在線工作。如果通信管理機(jī)A 機(jī)或B 機(jī)運(yùn)行指示燈異常，工作人員可以首先查看通信管理機(jī)異常部分LAN 口IP 地址設(shè)置是否正確，再排查硬件故障，硬件故障常見為通信管理機(jī)的CPU 插板損壞，更換CPU 板后需要對(duì)IP 地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行重新設(shè)置，實(shí)現(xiàn)與中心的通信。

若通信管理機(jī)正常而光電交換機(jī)指示燈異常，可用筆記本電腦接入網(wǎng)絡(luò)通道檢查通道工作狀態(tài)，如果是光電交換機(jī)故障，則需要更換備件。

3.3 設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元故障

設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元安裝于開關(guān)柜內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)采集和通信規(guī)約轉(zhuǎn)換。如果系統(tǒng)后臺(tái)出現(xiàn)某區(qū)域通信故障，可判斷故障位于該區(qū)域設(shè)備層通信接口轉(zhuǎn)換單元。

3 號(hào)線400 V、1500 V 開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置MOXA 5430I 串口服務(wù)器將開關(guān)柜內(nèi)的所有設(shè)備接入以太網(wǎng)，串口服務(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)總線的RS485 串口轉(zhuǎn)換為TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口，再通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后通過地下光纜連接到控制室通信管理機(jī)上，實(shí)現(xiàn)站級(jí)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的統(tǒng)一遙控。串口服務(wù)器需要對(duì)其各串口的波特率、接口標(biāo)準(zhǔn)、端口號(hào)等參數(shù)進(jìn)行簡單設(shè)置。如果在后臺(tái)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)某一端口通信出現(xiàn)問題，工作人員首先可以考慮是否該端口參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，排除參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤后，再利用控制變量法調(diào)換端口RS485 接線端子，確認(rèn)是否串口服務(wù)器端口本身故障，若是串口服務(wù)器故障，需立即更換備件。

4 結(jié)束語

通過對(duì)地鐵3 號(hào)線SCADA 系統(tǒng)故障的統(tǒng)計(jì)分析，梳理一些日常維護(hù)過程中常見的故障，對(duì)其原因進(jìn)行分析，給出常見故障的處理方法，為此后優(yōu)化相關(guān)設(shè)備提供參考。實(shí)際設(shè)備管理和維護(hù)過程中，應(yīng)結(jié)合設(shè)備圖紙以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障現(xiàn)象，分析具體故障原因，做出相應(yīng)處理措施，保障地鐵安全運(yùn)營。