城市轨道交通电力监控系统研究

　　

摘 要：提出了城市轨道交通电力监控系统分层分布总体架构、平台化的技术方案和累积性应用思路，旨在保证监控系统实时性、安全性、可实施性及应用的开放性，同时提出了以综合监控系统为基础的系统架构思路和应用框架。

关键词：城市轨道交通；电力监控；综合监控

0 引言
城市轨道交通电力监控系统主要是对城市轨道交通全线各类变配电所、接触网等电力设备运行情况进行分层分布远程实时监视和控制，处理供变配电系统的各种异常事故及报警事件，保障系统的正常运行，同时提升供变配电系统调度、管理及维修的自动化程度，提高供电质量，保证系统安全、可靠地运行。系统通过通信专业提供的通信通道与车站变电所综合自动化系统进行信息交换；变电所综合自动化系统通过所内通信网与所内各类现场测控装置互连，形成现场、车站和主控中心的多层应用体系。在系统整体网络拓扑结构中，控制中心主备监控系统和站级监控系统是数据采集、处理、分析与系统实时控制的关键节点和使用节点，而现场测控设备是整个监控的接口设备。
1 分层分布的系统架构
城市轨道交通电力监控系统经过多年的实践，单条线路基本上按照两级管理、三级控制方式进行使用和管理，与之相适应的监控系统架构考虑城市轨道交通的地域分布特点，监控系统采用分层分布的结构体系。分层分布系统架构在监控系统中属于大型复杂系统的系统结构，适用于跨地域、多层次、分级别的大型自动化系统，这种结构既满足目前城市轨道交通的电力应用需求，也满足今后城市轨道交通横向规模综合和纵向应用综合的两度应用发展对支持系统的基础架构要求。两级管理分别是中央级和车站级，三级控制分别是中央级、车站级和现场级。它们之间既相互联系又相对独立，分层分布原则确保了层次间的相对独立性，有效分解了系统的复杂度，提升了系统的可实施性；冗余和动态分布原则极大提升了系统的并行度，结合多种软硬件隔离和抗干扰措施，软件支持 1+N 冗余调度，实现系统高可用性的终极目标。
城市轨道监控应用中心系统通常采用主备冗余系统，它对全线重要监控对象的状态、性能数据进行实时收集和处理，通过各种调度员工作站以图形、图像、表格和文本的形式显示出来，供调度人员控制和监视。同时系统根据一定的逻辑关系自动向分布在各站点的被监控对象或系统发送模式、程控、点控等控制命令，由调度员人工发布控制命令，从而完成对全线供电设备集中监控和调度管理，确保轨道交通的供电质量和供电安全。
车站级电力监控系统对本站供电设备监控对象的状态、性能数据进行实时收集和处理，当中心系统或通信网络发生故障时，该系统可对车站范围内的供电设备进行控制，形成多级冗余。
现场级测控设备与监控系统的中心和车站级均有通信接口。它们位于各监控对象附近，起接口转换、信息采集、传送、汇聚、命令接收、执行和反馈作用。通常采用工业控制网络或现场总线，分散控制结构，自律式控制器保证系统的安全可靠。现场级测控设备通常设置当地/远方功能，为系统的现场维护调试和特殊情况提供现场操作选择。
2 系统平台化实现方案
国内外城市轨道交通经过多年的实践，基于平台化的实时监控系统显现出强大的优势，尤其在综合监控应用模式中，软件平台成为技术方案的核心和技术精华所在。平台化的方案使项目的设计、工程的实施和业主的应用更侧重关注应用技术和应用的本身，而不是支持系统的技术细节和计算机通信的基础技术。
目前，国内城市轨道交通综合监控系统中，广州地铁 3、4、5 号线采用的是基于法国的SCADASOFT 平台、北京轨道交通指挥系统采用的是基于新加坡的 OASYS 平台、北京地铁 5 号线采用的是基于英国的 RAILSCADA 平台、北京首都机场线采用的是基于国产化的 RAILSYS 平台。
由于平台软件建设是一个庞大的系统工程，而且基于平台的产品需要一定的应用累积和工程检验。国内自主研发的 RAILSYS 轨道交通实时应用支持系统（简称为 RAILSYS 软件平台）是结合了国情和行业应用特点研发的。该平台面向城市轨道交通、铁道行业实时应用，如城市轨道交通电力监控系统和综合监控系统、铁道行业行车调度、牵引供电远动、10 kV 电力与信号电源监控等实时应用开发的一套功能强大的、接口标准开放的大型自动化系统实时应用支撑软件平台，是国内比较优秀的软件应用平台（Application Plat）之一。
基于该软件平台可开发各种城市轨道交通和铁道实时应用系统，并保证系统实时性和可靠性，系统的应用构架由平台决定，具体的应用功能由基于平台的工程化实施完成。RAILSYS 软件平台在通用平台基础上增加了应用支持层，使平台具备一定的行业应用特点；同时它也丰富了产品群，尤其是工程支持包，实现了非量化工程软件实施使用的高可靠性。下面就该平台的基本构成作一介绍。
2.1 异构计算机/网络/数据库环境支持
RAILSYS 实时软件平台完全支持多个网络的分布式运行环境。支持多网络下的业务动态加载与分配。同时该系统底层采用虚拟操作系统技术和虚拟数据库技术，支持系统的运行环境适用于多种计算机的操作系统和商用关系数据库，包括现有的主流操作系统和主流数据库管理系统。
2.2 基于内存的实时关系数据库子系统
数据库支持多网络访问，支持多数据库冗余，支持 SQL 语言有限子集等。
2.3 实时中间件技术及轨道应用公共信息总线
结合轨道交通实时应用的需求，参照中间件接口标准开发的实时数据库中间件、实时通讯中间件、实时消息中间件等平台内核机制。
平台提供一套完备的轨道实时应用公共信息总线，本总线支持轨道交通供电应用、环境监控、机电设备等各种实时业务应用的数学模型以及其他相关扩展业务应用。
2.4 公共应用模型支持
自动化的深入应用会遇到应用模型的数学问题，作为平台软件，创新地在基础平台上增加了实时监控应用模型（属于公共应用模型的一种）的支持。国际上有 IEC 61970 CIM/CIS 的公共应用模型标准，结合国际标准和国内的具体应用，考虑开放性的标准，在 RAILSYS 轨道实时应用支持系统中采取外挂策略，支持应用模型，这种灵活的方式为支持系统带来广泛的适用性。同时也验证了平台的技术思路和开放性。

2.5 轨道交通实时应用的人机界面组态工具
完整的实时监控平台可细化为通信平台+SCADA 平台+ALARM/EVENT+HMI 平台。当今软件产品人机界面占的分量越来越大，通常在实时应用行业所占比例约在 50～60%，而通用软件所占的份额更大。平台的产品特点要求把组态软件分成支持和应用 2 部分。从图元底层、数据源头 2 方面把握，提供上层应用的有力支持（通常脚本支持）；平台软件中提供典型的应用和应用模板，一方面丰富支持系统，另一方面验证支持系统的正确性。
3 累积性应用
对于轨道交通监控应用，目前国内积累了一定的经验，但是针对高密度行车、网状线路、突发事件处理、多专业协调互动、营运管理和专业维修支持等应用都在探索中。在监控应用的多专业接口缺乏规范情况下，只有平台化思路，才能制订从通信、数据、应用等各种不同匹配层的标准和规范。
4 RAILSYS 软件平台的应用
RAILSYS 软件平台在北京市轨道交通首都机场线综合监控系统电力监控子系统的工程实践中已经显现出优势。其综合监控系统（ISCS）按照两级管理、三级控制的结构体系进行架构。RAILSYS系统软件从设计到实现充分考虑和体现了分层分布、高可靠性、高实时性、模块化、接口的完整、规范和开放的特点，保证了系统的安全可靠和应用的灵活多样性。其优势集中体现在以下几点：
（1）高可靠性解决方案，1+N 容错运行模式。该系统设计时充分考虑到地铁实时监控对可靠性的极高要求，采用关键结点硬件冗余配置热备运行，软件运行方式实现 1+N 容错模式，最大限度地保证系统的可用性。
（2）支持混合软硬件计算机支撑环境。RAILSYS 系统软件平台在混合软硬件支撑平台上统一设计并实现，支持混合计算机硬件平台，不同的操作系统及各种主流商用数据库，系统核心应用采用 UNIX 环境，人机接口采用 Windows 环境。
（3）先进的多层体系系统构架。系统按照多层体系结构的框架，划分前置通讯预处理层、实时监控应用的数据处理层、实时数据库/历史数据库支持层、客户端应用的服务层和客户界面应用层。
（4）强大系统可扩展性支持应用的延展。该系统从设计到实现一直把系统的可扩展性贯串始终，系统强大的可扩展性是对用户投资和系统发展的最大保障。RAILSYS 系统采用分层、分布式的支持实时监控应用的平台结构，保证了系统在应用上的不断扩展，同时该系统在软件设计容量上不进行限制，仅根据实际工程的计算机性能、内存、数据库、可能的最大应用规模等综合性能进行配置限制，保证了系统在规模上的持续扩展。
（5）实时数据库与商用数据库相结合。实现数据开放性和应用实时性的完美解决方案，遵照商用数据库接口标准实现的实时数据库通用、高效，接口开放，满足不断发展的实时监控应用需求和实时系统高标准的实时性指标。
（6）图模库一体化。该系统开发出面向供电及其他具有拓扑逻辑结构的应用图模库一体化机制。在绘图的同时自动建立供电应用数学拓扑模型，智能形成应用模型实际参数并自动录入到数据库中，因此极大地提高了系统建模的正确性，减轻了建模和参数录入工作量，便于整个系统的一体化维护，保证了系统图模库的一致性和准确性。
（7）强化的异常捕捉和事故处理。该系统强化异常捕捉和事故处理，增加事故追忆及反演，完善故障录波、故障判断及自动隔离（DA）等一系列功能，同时系统设计了独立报警和事项处理机制，支持多媒体语音报警、手机短信等功能，进一步延伸异常捕捉和事故处理后的深层应用。
5 结束语
本文以实际平台软件和国内实践为例，研究了城市轨道交通电力监控系统总体分层分布架构、平台化实施方案和累积性应用。重点论述分布分层的系统架构和平台内核的技术要点。从今后轨道交通应用的角度，提供了一个整体解决思路和持续可用的技术策略。选择一个符合行业应用的平台化系统，支持包括电力监控系统在内的建设和使用，累积横向多专业应用和纵向应用发展，制订相应的规范和接口标准。这样，为行业的中长期发展从体系结构上保证系统构架的技术可现实性、工程经济性、应用拓展性、以及技术持续先进性协调发展。

参考文献：
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