以太网在重庆跨座式单轨交通系统中的应用———以太网在重庆跨座

　　
  摘  要：研究目的:将以太网技术运用到的供电监控系统中。提高城市轨道交通供电系统的自动化水平。研究方法:对重庆跨座式单轨交通系统电力监控系统（SCADA）的结构和特点进行了详细论述,其中对控制中心主站系统配置、系统通信结构、系统软件构成以及变电所综合自动化系统结构进行了重点介绍;对实际运用过程中出现的变电所设备工况频繁退出及通信数据丢包问题原因进行了分析,进行反复调试和试验。研究结果:通过多次的试验研究,光纤以太网在重庆跨座式单轨交通SCADA系统得到成功应用。研究结论:通过以太网在重庆跨座式单轨交通SCADA系统中的成功应用,希望光纤以太网结构形式在未来轨道交通监控系统中得到广泛的运用。
  关键词：跨座式单轨;SCADA;以太网
  1 概况
  　　重庆轻轨较新线（二号线）东起市中心商业繁华地带的较场口,至西部工业中心新山村,共设18个车站,1个车辆段,全长19.06km。
  　　重庆轻轨较新线采用跨座式单轨交通型式,轨道梁两侧安装刚性接触网,接触网供电电压为直流1500V,供电系统采用集中供电方式,设2座110kV/10kV主变电所,每座主变电所分别由城市电网引入两路110kV独立电源,经降压为后向牵引降压混合变电所（10kV/1500V/0.4kV）和降压变电所（10kV/0.4kV）供电。全线共设7座牵引降压混合变电所、13座降压变电所和1座配电所。
  　　重庆轻轨较新线SCADA系统包括1个控制中心主站（含供电复视系统）,完成对2个主变电所、6个牵引降压混合变电所、9个降压变电所、1个车辆段跟随式变电所、1个配电所（大堰村）及全线的接触网的监控。
  　　SCADA系统除车辆段牵引降压混合变电所、主变电所近期按有人值班设计外,其他牵引降压混合变电所及降压变电所均按无人值班设计。控制方式采用控制中心远动控制、变电所内集中控制、供配电设备本体控制三级控制方式,正常运行时采用远动控制,当设备检修或故障时,采用所内集中控制或设备本体控制,3种控制方式相互闭锁。
  2 控制中心主站系统
  　　2.1 系统配置
  　　控制中心主站如图1所示,系统硬件由双100M以太网构成局域网及网络接口设备、网桥设备、SCADA主机、调度员工作站、工程师工作站、复视系统、模拟盘系统设备、打印服务器及打印机、UPS电源、电池柜、配电柜等设备构成。
      
   
   
  
　　2.1.1 主机采用2台基于RISC技术、字长为64位的ALPHAServerDS20E服务器,冗余配置,互为热备用,故障时系统可自动切换到另一台备用主机上。2套主机同时接收或发送网上数据,但仅在线机具备数据流控制及管理功能。支持数据校验以保证2套主机有完整一致的数据库,同时提供对双机工作状态的在线检测。为保证整个远动装置的时钟同步,SCADA主机通过RS422接口采集控制中心的主母钟发出的时钟信号,进行SCADA系统的对时。
  　　2.1.2 交换机及网络接口设备采用CISCO2950-24,其主要特性:
  　　（1）快速10BASE-T/100BASE-TX自适应以太网口（RJ45）;每台设备以太网接口数目24。
  　　（2）有系统扩展插槽,可多个交换机单元堆栈工作,也可中继使用,提高网络连接节点的数量。
  　　2.1.3 网桥设备采用Cisco2621路由器（2个100M以太网口1个10M以太网口）。该设备用于控制中心100M局域网与主备10M以太网通信通道的网间连接,实现信息的互连互通。该设备按主备方式进行设置,其主要特性有:
  　　（1）有主备设备自动切换的功能;
  　　（2）对应每个网段的接口数不低于2个;
  　　（3）与通信系统设备的接口形式为10M接口（RJ45）,与控制中心100M局域网的接口形式为RJ45接口。
  　　2.1.4 调度员工作站为ALPHAXP1000,用于电力调度人员的日常控制、监视和调度管理工作,以及系统采集数据的归档、统计、报表、检索、维修计划、记录等。
  　　2.1.5 工程师工作站装有Windows2000系统,用于生成、修改和管理系统实时数据库、历史数据库及用户画面,定义、修改系统运行参数和维护、开发系统程序等,工程师工作站可与任意调度员工作站互换,成为调度员工作站的备用设备。其硬件配置与调度员工作站相同。
  　　2.2 系统通信结构
  　　系统的主站设备设在控制中心,供电复视系统设备设于车辆段,变电所综合自动化系统设备设于各变电所内,通过10M光纤以太网通信通道构成SCADA系统。控制中心与各变电所内的综合自动化设备、供电复视系统设备通信方式为对等通信方式,通信协议为工业ETHERNETTCP/IP,应用层协议采用专用工业控制协议。通过此协议SCADA系统能进行远程诊断、维护和服务。
  　　通信通道采用光纤数字传输方式,网络采用首尾相连接构成的自愈环。采用光纤连接主站和被控站,能很好的解决远距离通信问题,由于光缆具有很好的电磁兼容性,能很大程度的提高通信网路的抗干扰能力和可靠性,使通信能畅通。同时由于光缆具有比较大的带宽,为以后系统升级,网络的扩展留下了空间。对于SCADA系统,计算机通信的主要要求是快。对网络不仅要求传输速度快,在过程控制领域还要求响应快,即实时性要求。这样“快”就有3种含义。
  　　2.2.1 传输速度快
  　　指单位时间内传输的信息要多,通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。
  　　2.2.2 响应时间短
  　　指突然发生意外事件时,仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的:
  　　（1）仪表或执行器控制中断的能力;
  　　（2）信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间;
  　　（3）等待网络空闲的时间;
  　　（4）避免信息在网络上碰撞的时间。
  　　由于这个时间对大多数通信协议是1个随机数,因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短,但它要求最大值是预先可知的,并小于一定值。
  　　2.2.3 巡回时间短
  　　指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统,当高优先级事件发生比较频繁时,低优先级事件会长时间得不到响应;对这类通信协议,巡回时间是随机量,预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的,并小于一定值。
  　　响应时间和巡回时间反映了实时性,而实时性与通信协议有很密切的关系。重庆轻轨采用的这种以太网结构加上工业ETHERNETTCP/IP就能很好地满足上述要求。
  　　2.3 系统软件构成
  　　控制中心主站系统软件平台采用安全性很高的TRU64UNIX操作系统,Sybase数据库系统软件和国产OPEN2000SCADA系统软件。
  　　控制中心主站系统具有较强的功能,具有控制功能（包括单独遥控、程序遥控、复归遥控及遥控试验功能等）、遥信处理功能（包括设备运行状态监视、报警信息处理等）、遥测监视和报表管理功能（包括遥测数据采集和处理功能、报表管理和打印功能）、人机交互功能强的画面显示功能、运行调度管理功能（包括值班调度记录功能等）、远程维护功能等。
  　　此外,系统还具有事故追忆功能,系统可以提供在一个特定事件（扰动）发生后,重新显示事件（扰动）前后的运行情况和状态;系统还具有培训功能,系统可以提供和实际系统同样的操作环境及操作画面,但其操作不影响系统的正常运行。
  3 牵引降压混合变电所及降压变电所综合自动化系统
  　　牵引降压混合变电所综合自动化系统,既RTU,采用分层分布式模块化结构,系统分为3个部分:站级管理层,网络通信层,间隔层。
  　　其一个典型所牵引降压混合变电所结构图如图2所示。
   
  
　　站级管理层设备由监控系统和通信控制器组成,组柜于控制信号盘内。监控系统采用D200和D100等监控系统,完成站内监视、控制等功能;通信控制器采用C200通信控制器,完成站内各种设备的信息采集和处理,通过通信主通道,向控制中心主站系统传送相关信息。
  　　网络通信层即所内通信网络以10M以太网为主网,通信介质采用6芯多模光缆,到间隔层采用通信接口转换器NSC301将以太网接口转换成RS-485接口。
  　　间隔层单元按供配电设备间隔分布配置,主要分散安装于交流10kV开关柜、直流1500V开关柜及0.4kV开关柜内,DC1500V接触网上网电动隔离开关及0.4kV开关测控单元等采用控制信号盘上集中安装方式。10kV进出线间隔单元采用西门子保护监控一体化的7SD610光纤纵差保护继电器作为10kV进出线设备的主保护和和监控,采用西门子保护监控一体化的7SJ62电流继电器作为10kV进出线设备后备保护,分散安装于10kV进出线开关柜内,完成对10kV环网供电设备的保护、监控和测量。10kV馈线间隔单元采用西门子保护监控一体化的7SJ62电流继电器作为10kV馈线设备的主保护和监控,分散安装于10kV馈线开关柜内,完成对10kV馈线供电设备的保护、监控和测量。10kV母联间隔单元采用西门子保护监控一体化的7SJ62电流继电器作为10kV母联开关的主保护和监控,采用NSP40B母联备自投装置作为母联自动投切控制,分散安装于10kV母联开关柜内,完成对10kV母联开关的保护、监控、测量和自动投切。直流1500V间隔单元采用赛雪龙保护监控一体化的SEPCOS直流保护继电器作为直流1500V馈线的主保护和监控,分散安装于直流1500V馈线开关柜内,完成对直流1500V馈线供电设备的保护、监控和测量。
  4 在实际应用过程中出现的问题及解决方案
  　　重庆轻轨SCADA系统在试运行过程中出现变电所工况频繁投退和通信数据丢包问题。下面是原因分析以及解决方案。
  　　4.1 变电所综合自动化系统中工况经常退出问题
  　　变电所综合自动化系统（RTU）中,控制信号盘与变电所内的各开关柜通信通过通信单元NS301,各个开关柜工况的投入,退出都可以通过SCADA系统后台机控监控。在调试的初期,经常出现各个开关柜的工况退出现象,造成控制中心主站不能很好地完成监控功能。工况经常退出的设备主要是再生制动装置,接地漏电保护装置（64D）,以及动力变压器和整流变压器的温控器。SCADA系统与这些设备通信采用RS485接口,采用问答式通信规约,在SCADA系统后台机接收到上述设备传上来的报文,经过200ms延时后,后台程序发指令询问上述设备,要求再次发送报文,当设备没能上传报文时,后台程序就每隔1s询问1次,连续询问3次,如果连续询问3次都没有相应,那么后台程序便判断此设备工况退出。分析原因是由于200ms延时的时间对于上述各设备太短,设备内部的程序不能及时处理系统后台发送来的指令,造成工况的退出,通信的中断。采取的办法把200ms的间隔询问改为500ms的间隔询问,若设备还是没能上传报文时,后台程序每隔1s询问的次数有3次改为15次。这样处理后,工况退出问题得到解决。
  　　4.2 控制中心主站与变电所（RTU）之间的通信丢包率较高问题
  　　在SCADA系统的遥控调试过程中,出现对于同一个开关需要执行几次遥控命令才能成功的现象。我们分别在控制中心主站和变电所同时监测,当控制中心主站向变电所发送命令时,变电所有时会接收不到命令报文,也就是报文出现丢包现象。为了弄清楚丢包问题出现在哪个环节,现场调试人员采用了ping数据包的方法,测试在哪里丢包。首先在控制中心主站的服务器上连1台PC机,ping通信系统的OTN装置,ping了10000包数据,发现丢包率为0.9%。然后由主站向变电所ping数据包,也ping了10000包数据,丢包率为0.85%,说明问题出现在主站与OTN之间的通信上。从图1的控制中心主站系统配置图看出,主站和OTN连接采用10M以太网连接,根据OTN软件设置,OTN会自动把10M以太网设置为全波全双工工作方式,然而OTN指示灯上显示10M以太网为全波半双工工作方式,并且冲突灯亮,OTN没有把10M以太网自动设置为全波全双工工作方式。查到原因后,OTN把10M以太网强制设置为全波全双工工作方式。设置后冲突灯不亮了。再次从主站ping变电所,ping了30000包,只丢了2包数据,完全符合使用要求。这样处理后,主站与变电所之间很好的实现了监控功能。
  5 结束语
  　　重庆轻轨SCADA系统采用了光纤以太网组成通信网络,整个系统网络为分布式光纤以太网结构,选用了可靠性高的系统硬件和系统软件,系统具有较高的可靠性;系统具有较强的功能,特别是具有事故追忆功能和培训功能,有利于事故的分析和调度操作人员的培训;系统完成了对变电所所有供电设备的控制和监视,实现了牵引降压混合变电所和降压变电所的无人值班。由于以太网第一次在跨座式单轨交通系统中应用,在调试过程中也出现了工况频繁投退和通信数据丢包等问题,通过反复试验和分析这些问题也都得到了很好解决。综上所述,光纤以太网在重庆跨座式单轨交通SCADA系统的成功应用,对国内轨道交通领域有一定的借鉴意义,在未来轨道交通监控系统中必将得到广泛的运用。
  参考文献:
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