吉图珲客运专线供电SCADA系统设计关键技术研究

张　涛

(中铁工程设计咨询集团有限公司电气化工程设计研究院, 北京　100055)



吉图珲客运专线供电SCADA系统设计关键技术研究

张涛

(中铁工程设计咨询集团有限公司电气化工程设计研究院, 北京100055)

摘要：结合吉图珲铁路客运专线建设项目,从计算机技术、远程监视与控制技术、供电系统技术等方面进行研究,结合供电SCADA系统高实时、大容量、高可靠的建设需求,对系统中的分布式计算模式、实时数据处理技术以及存储技术进行分析与研究,并在此基础上对项目中的供电SCADA系统的建设方案进行初步设计,为后期进一步的设计方案奠定基础。

关键词：客运专线；SCADA；铁路供电；设计

1概况

1.1项目概况

吉图珲铁路客运专线起点位于吉林市，终点位于地处中俄朝三国交界地的珲春市，新建线路正线长360.602 km，设计时速250 km。全线自吉林站城际场引出，沿线经蛟河西、威虎岭北、敦化、大石头南、安图西、延吉西、图们北后进入珲春市北郊。吉图珲铁路客运专线将于2015年建成，建成后与长吉城际铁路共同构成长春至珲春快速客运通道，届时从长春到珲春的时间将缩短至2.5 h。

1.2通用SCADA系统构成

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统以计算机控制、网络通信等技术为基础，实现对电力系统中各供变电设备的运行进行监视和控制，包括数据采集、设备控制、参数调节以及信号报警等功能[1，2]。SCADA系统结构如图1所示。

图1　通用SCADA系统结构

1.3系统面临的挑战

本项目充分研究了客运专线供电管理的业务特点，将挑战归结为如下几个方面。

(1)建设要求高

吉图珲客运专线项目需要在中国客运专线统筹规划、分步实施的建设规划下，建设一套适合中国高速铁路供电系统的统一标准、统一制式、统一调度指挥，具备先进成熟、安全可靠、灵活稳定特性的系统，无论在施工组织、运营理念以及工程质量方面都提出了极高的建设要求。

(2)监控对象扩展

客运专线供电SCADA系统不再沿用普速铁路中对牵引供电系统、电力配电系统分别设置独立监控系统的实现方式，系统的监控对象不仅包括牵引供电系统、AT分区所、AT所、开闭所、接触网电动隔开，同时还包括10 kV电力配电系统(35)10 kV(变)配电所、箱式变电站、10/0.4 kV低压变电所。

(3)系统功能扩展

随着自动化系统应用的成熟和电气设备品质的提升，中国客运专线牵引供电和电力配电系统的被控站点将采用无人值守的运行模式，所以供电监控设备RTU除了完成常规的监视和控制功能外，还需要为电力调度人员、生产抢修人员提供丰富的故障分析数据(如遥测越限、故障报告、故障录波等)，以加快供电系统事故的预防及事故发生后的处理进程。

(4)与外部系统的接口复杂

铁路供电SCADA系统需要与中国高速铁路总体技术框架下统筹规划建设的运营调度系统、综合视频监控系统、综合维修管理信息系统、既有线电调系统实现双向的互连互通；与时钟系统、国家电网调度系统实现单向的互连互通[3，4]。

2关键技术

就铁路供电SCADA系统而言，为了应对在项目建设中的挑战，需要从技术层面上进行全面深刻的研究，并基于研究成果对系统设计方案进行优化与完善。

本文将从分布式系统、实时内存数据库以及数据压缩等几个方面进行关键技术的研究，为系统总体技术方案提供设计应用基础。

2.1分布式系统的协作、自律机制

计算机分布式系统是一种多CPU的计算机系统，各CPU通过网络互连构成统一整合的系统。分布式计算结构原理是把原来系统内单独CPU处理的任务分散给不同的CPU，通过各个CPU相互协调以实现不同功能共享的设备与软件。分布式系统加快了数据的处理速度，简化了单一主机的系统结构，具有成本较低，易于维护的特点，逐渐发展成为计算机应用领域的重要分支之一[5]。

本项目利用分布式计算机系统所具有的分散、自律处理能力的特性，将供电系统中各个监控设备抽象成内存应用对象，并根据业务设备自身的特性，将其部署至供电SCADA系统中的各个服务器节点上运行。在分布式计算技术支撑下，数据和信息对系统中的服务器节点是透明共享的，因此整个系统与运行在一台超级计算机上具有相同的效果。

2.2实时内存数据库应用技术

在实时数据处理系统中，内存数据库是满足实时事务处理要求的最佳选择，内存数据库最显著的特征是其数据库引擎及主要工作数据常驻内存，当前活动事务只与实时内存数据库的“内存影像”进行数据交互。

当然，内存数据库系统也要处理I/O，但它已不是传统磁盘数据库的概念，传统数据库采用的事务处理算法、并发控制及数据恢复等技术对内存数据库系统来说可能不合适。

实时事务处理要求软件系统能够相对准确地评估事务耗时，对传统磁盘数据库而言，由于磁盘读写、数据传递和缓存、操作系统调度等待等使得事务平均实际执行时间与估算的最长执行时间相差较大，但若将整个数据库放入内存，使得每个事务在执行过程中没有不确定的I/O操作，系统就可以较准确估算事务的运行时间，从而实现事务的精确调度[6]。

在本项目中，利用面向对象的实时内存数据库技术，通过业务数据的优先级定义，将优先级较高的数据常驻在内存中，有效减少处理数据过程的磁盘读写I/O操作，大大提高了供电SCADA系统中访问数据库的效率。

2.3数据存储压缩技术

在客运专线的供电SCADA系统中，由于监控对象数量大且数据采集频度高，在系统中存储数据必须重点考虑提高系统的存储能力和有效性。

对于提高存储能力，可以通过增加投资配置大容量存储环境来满足大容量存储要求。而对于提高数据存储的有效性，则需要对数据进行合理的筛选和压缩处理，以使系统中保存的数据量能够达到业务部门的运行要求。

本项目采用高效的螺旋门压缩算法，该算法应用变化递归压缩的方法，在不损失数据变化信息情况下，将一些可以推演的数据删除，从而达到有效减小数据存储空间的效果。经过大量应用证明，螺旋门压缩算法在实际应用过程中具有良好的信息还原度，能在满足业务要求前提下真实反映实际检测量的变化趋势。

3技术方案

3.1供电SCADA系统架构

供电SCADA系统采用统一的硬件平台和系统软件平台，并在此统一的软硬件基础平台上构建多层、基于SOA服务驱动的和基于COM/DCOM组件的应用软件体系结构，同时辅以统一完善的系统管理和安全保障体系，从而以满足供电SCADA系统的互操作性/互联性、应用的可移植性/可伸缩性以及应用的集成性要求[7]。

系统的技术架构如图2所示。

图2　供电SCADA系统的技术架构

如图2所示，铁路供电SCADA系统的基础硬件平台均采用电信级的网络通信设备构成系统的网络通信平台，采用刀片服务器、专业图形工作站计算机和SAN光纤存储系统构成了系统的计算平台。

在统一的基础硬件架构平台上，采用双机、双网、双存储光通道热备方式的冗余措施，确保在系统体系架构的关键部分消除单点失效；采用刀片式服务器、模块化的网络交换机和UPS设备等，确保硬件架构的高可扩展性。

在统一的系统软件平台的支撑下，供电SCADA系统以具备高可靠性、移植性、扩展性、维护性、成熟通用的平台软件作为二次开发的平台，并在此基础上二次集成开发系统的各种应用软件[8]。

3.2供电SCADA系统的硬件平台构成

供电SCADA系统采用分布式多层体系结构，系统主要由数据层、应用层及客户端系统构成。供电SCADA系统设备主要包括：服务器、工作站、存储设备、UPS电源及其他辅助设备等。

为了确保系统的可靠性，关键设备采用冗余配置并采用国际著名品牌产品。

对于网络交换机、服务器、SAN存储系统、UPS等系统共用设备，设备选型应采用模块化、可扩展配置满足未来客运专线线路的接入扩展需求。

3.2.1服务器设备

根据供电SCADA系统的业务需求，WEB及接口服务器、配置服务器、域管理服务器采用机架式服务器，其他服务器设备采用刀片服务器方案，刀片服务器类型主要包括：历史数据服务器、应用及通信服务器。

(1)历史数据服务器

系统配置历史数据服务器，用于对电力配电系统的各种静态数据以及系统运行的历史数据的存储与管理。

(2)应用及通信服务器

应用及通信服务器是供电SCADA系统的实时业务处理的核心设备，主要完成供电SCADA的业务逻辑处理、实现与被控站系统的通信等功能，设备配置数量与被控站点的数量和I/O监控点数密切相关。鉴于本项目供电SCADA系统的扩展需求大，考虑到传统的机架式服务器系统受到机柜和机箱的限制，计算密度无法突破，安装维护工作量和成本大，扩展能力有限的局限，应用及通信服务器采用刀片服务器配置，从而提高供电SCADA系统的计算密度、降低运行维护成本、提高系统的可扩展性[9-11]。

(3)WEB及接口服务器

系统配置WEB及接口服务器，一方面用于供电SCADA系统与外部系统的接口管理与信息交互，另一方面用于提供远程用户的WEB浏览服务，采用机架式服务器配置。

(4)配置服务器

配置服务器用于提供供电SCADA系统相关软件的配置管理服务，基本配置与接口及WEB相同。

3.2.2工作站

根据供电SCADA系统的调度管理、分析统计以及维护管理工作的需要，系统分别配置了调度工作站、域管理工作站和维护工作站，用以实现日常的调度操作、调度管理、统计分析以及维护管理工作。

计算机采用国际著名品牌的工作站级计算机，并采用三屏显示器配置。

3.2.3网络交换机

网络交换机设备采用CISCO网络交换机配置。

3.2.4存储设备

系统采用先进的光纤存储局域网SAN(Storage Area Network)技术，配置二套光纤存储设备，主要用于供电SCADA系统的数据存储，主要设备包括：SAN光纤交换机、光纤磁盘阵列。

3.2.5UPS电源

UPS的使用是为了提高电源系统的可靠性。该设备需满足远期扩展需求，采用模块化设计，未来容量不低于100 kVA，目前容量配置不低于30 kVA，电池容量满足交流失电后30 min的要求。

3.2.6通信接口设备

系统配置一套通信接口设备，用于与被控站和其他系统通信。

3.2.7其他配套设备

供电SCADA系统配置打印机，用于完成系统的监控画面、实时数据、报表等的打印。打印机采用彩色激光网络打印机，A3或A4幅面。

系统配置时钟同步装置作为调度系统的时钟源，具备GPS对时信号接收，并以NTP协议同步网络内所有计算机节点的时钟的功能。

3.3供电SCADA系统的软件平台构成

供电SCADA系统软件平台分为3层：系统软件、平台软件及应用软件。

3.3.1系统软件

系统软件包括操作系统、数据库管理系统、集群管理软件等。操作系统优先采用国际流行的Windows操作系统，具有实时多任务、多用户特点，并提供完善的调试、诊断手段，具有强大的网络管理功能。数据库采用工业数据库管理系统Historian。系统配置完善的应用软件包，满足现场运行管理的需要。系统软件需能支持通用开发工具，满足系统各种功能开发和扩展的需要[12]。

3.3.2平台软件

平台软件是位于系统软件之上、SCADA应用软件之下、可按用户需求进行二次开发的、成熟可靠的、具有良好开放性并与大规模监控系统相适应的，具备高可靠性、移植性、扩展性、维护性的通用软件平台。

平台软件应由供电SCADA业务组件、系统运行管理环境、系统集成开发环境等构成。本项目中采用超大规模监控容量的通用软件平台，该平台软件在合武、石太等客运专线供电SCADA系统中表现了优良的可靠性、扩展性，并极大地缩短建设开发周期，满足工程实施进度的要求。

3.3.3应用软件

供电SCADA系统的应用软件包括3部分，一是基于平台软件二次开发的、实现SCADA功能的应用软件，如供电SCADA调度员工作站软件、供电SCADA应用服务软件、通信管理软件等；二是调度管理类的应用软件，如调度管理及统计分析软件、维护管理软件等；三是其他确保供电SCADA系统安全运行所必须的应用软件网络管理软件等[13]。

4总结与展望

本项目对当前铁路客运专线的建设特点进行了研究，同时结合吉图珲客运专线的项目范围提出了供电SCADA系统建设的技术方案框架。

客运专线供电SCADA系统的建设是伴随着计算机技术、网络通信技术以及供电系统专业领域技术的发展不断演进的，对于新技术的追踪及应用也是推动铁路供电SCADA系统更新换代的核心动力，目前的铁路供电SCADA系统技术已处于相对先进、成熟的阶段，从系统设计和实施的角度看，未来的铁路供电SCADA系统也必将面临新一轮的技术更新。

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Research on Fundamentals in Power Supply SCADA System Design of Jituhun Dedicated Passenger Line Project ZHANG Tao

(The Institute of Electrification Engineering Design, China Railway Engineering

Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：With reference to Jituhun passenger dedicated line project, this paper focuses on the study of computer technology, remote monitoring, control technology and power system technology in combination with construction requirements for real-time, high capacity, high reliable power supply SCADA system to analyze calculation model, the real-time data processing and storage technology in distributed system. And based on these investigations and researches, the paper addresses the preliminarily design of the construction of the power supply SCADA system, which paves the way for future design scheme.

Key words：Dedicated passenger railway line; SCADA; Railway power supply; Design

中图分类号：U238； U223

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.028

文章编号：1004-2954(2015)01-0111-04

作者简介：张涛(1983—)，男，工程师，2005年毕业于西南交通大学电气工程及其自动化专业，工学学士，E-mail:cecdqhzt@163.com。

收稿日期：2014-04-25； 修回日期：2014-05-22