张文涧（1967-）

    男，硕士研究生，研究方向为地铁综合监控系统。


    摘要：信息技术的发展推动着地铁综合监控系统(ISCS)的不断改进，PSCADA(电力监控)系统作为承担地铁供电系统监控任务的一个综合监控子系统，对它的安全可靠性要求与对电力系统保障供电的要求相近。PSCADA系统必须连续稳定运行这一特点，要求我们在优化其技术方案过程中，遵循行业特点，从实际需求出发循序渐进地稳步推进。本文对三种有代表性PSCADA技术方案进行比较分析，阐述了在选择PSCADA系统方案时应注意的问题。文章素材来源于工程实施中遇到的问题。

    关键词：PSCADA；组网方案；冗余；可靠性

    Abstract: The development of information technology promotes the improvement of Integrated Supervisory Control System of (ISCS) in the Metro system. As a subsystem of ISCS, PSCADA undertakes the task of Monitoring the power supply system.  The requirements of  safety and reliability for PSCADA system  are  similar to the requirements for the power supply system . Based on the continuous and stable running feature of PSCADA system, we should follow the profession characteristic and the practical demand to optimize the technology schemes progressively . This paper analyzes three different kinds of typical PSCADA technology solutions, and describes what we should pay attention at selection of technology solution for PSCADA system . The materials in the paper mainly come from engineering implementation.

    Key words: PSCADA; networking solution; redundancy; reliability

    在城市轨道交通综合监控系统中，电力监控系统作为其一个深度集成的子系统已在业内广泛应用。电力监控系统的中央级（主控级）通常布置于控制指挥中心，车站变电所所内电力监控系统（以下统称PSCADA系统）在车站就地组建。PSCADA系统向上接入车站级综合监控系统局域网，向下与变电所内综合自动化间隔层设备接口，它与中央级（主控级）的通信通道和综合监控其他子系统共用。PSCADA系统的技术方案对确保地铁综合监控系统的整体可靠性至关重要。

    随着信息技术的发展，PSCADA系统的技术方案在不断地寻求进步和完善。良好的组网方式及设备选型对PSCADA系统的安全可靠性提高十分关键。本文针对工程实施中遇到的问题，对三种有代表性的技术方案进行比较分析，阐述了在选择PSCADA系统方案时应注意的问题。

    为便于表述，对文中三个示图中的图符所代表的意义说明如下：紫色框内的设备安装于控制室通信控制屏内；蓝色粗线代表光纤介质（网络）；绿色粗虚线代表光纤介质（串口）；青色粗线代表普通的串口连接；红色线代表与PLC的I/O模块连接的普通导线；黑色的连线代表双绞线（网络）；PSW代表交换机。三种方案的外部接口完全相同。

    1 方案一：分布式双以太网结构

    图1中有4台协议转换单元，实际为不含任何旋转介质的工控机，并可按工程需求配置数量不等的网络接口与通信串口，其作用主要是完成I/O服务，或者将它理解为间隔层与管理层的接口设备，简称为协议转换单元。符号“M/P”代表一种专用的协议转换模块，其功能是将DC1500V系统继电保护装置的串口通信协议Profibus-DP转换为Modbus-TCP。

    图1中4台协议转换单元分散安装在不同的设备房内，协议转换单元-1安装在地铁车站变电所控制室内的通信控制屏；协议转换单元-2安装于该变电所的400V低压配电室，并为其在低压配电室内专设一面屏体；协议转换单元-4安装在跟随变电所的400V低压配电室；协议转换单元-3安装在变电所DC1500V高压开关柜内。为便于供电专业维修人员在车站的巡检与作业，设置一套本地监控机，它负责对本车站变电所及跟随所供电系统的监控，提供本站PSCADA系统的人机界面，不与车站局域网及地铁控制指挥中心（OCC）主站进行数据交换。

        

                                    图1   分布式双以太网

    本方案实现了PSCADA系统通信层双以太网冗余，当PSW交换机或通信通道出现单点故障时，能够避免系统通信长时间中断。由于交换机与通信通道故障率很低，系统内的故障多见于工控机，通信层双以太网冗余的结构对系统整体的故障率降低实际作用并不大。如果要实现冗余到底的真正双冗余PSCADA组网结构，则要求每一台继电保护装置及测控单元提供两个冗余的接口（如同图1中的PLC装置），或者是继电保护装置本身实现双冗余。然而，目前在安全性与可靠性要求较高的电力系统内，也还没有在220kV以下变电所普遍推广完全双冗余结构。

    另外，本方案布局中还存在如下问题：① 协议转换单元不能集中布置于控制室内，而开关柜室相比控制室的环境条件（电磁扰动、机械振动、温湿度、粉尘等）恶劣；②PSCADA专业的设备维修人员不具备在高电压环境中进行作业的资质，在巡检与维修作业中会导致诸多不便，且对设备系统及人身安全均构成威胁；③《地铁设计规范-2003》要求“电力监控系统的基本功能应包括以友好的人机界面实现系统维护功能”， 方案中协议转换单元装有操作系统与监控软件，需要定期巡检与维护但它们一律未配置显示器、键盘、鼠标，缺乏良好的人机界面；④协议转换单元的数量较多且分布过于分散，不仅给PSCADA专业设备巡检工作带来不便，同时也使建设成本有明显增加。

    分布式处理系统适用于大型的数据处理系统，地铁车站级PSCADA系统的监控点数较少，一台普通的工控机足以处理全站的数据，而且设备在地下的安装空间十分有限，上述网络结构及设备配置存在诸多问题。

    2 方案二：集中式双以太网结构

    地铁车站级PSCADA系统采用集中式组网结构，已是工程应用的惯例。如图2所示，它沿用了通信层双以太网冗余的构架，只是将第一种方案中几台协议转换单元的信息处理功能由两台冗余的主机各自独立地完成，两台主机一主一备，主机之间通过心跳线连接，平时由主机处理相关业务，备机处于热备状态。当侦测到主机发生故障不能正常工作时，备机立即接管相关业务。任意一台主机均可完成全站数据的采集（包括协议转换功能）并与网络中的上层设备进行数据交互。方案中两台主机通过硬件切换方式共享一套显示器、键盘及鼠标。

    由于采用光纤介质，通信控制屏内的光电转换装置与光纤转串口的装置数量会比较多，它们尺寸虽小，屏内的设备与布线还是比较拥挤，不便于运营维护，光纤敷设的数量也会略多于第一种方案，但总体而言，本方案优于第一种方案，理由如下：① 系统内的设备集中安装于弱电环境中，PSCADA专业人员不必在高压设备区域进行作业，巡检效率提高，利于设备的运行与维护。② 故障率较高的主机实现了双冗余，系统可靠性大大提高，这是构建冗余双以太网方案的最大优点，此外，采用双主机方案可以省去运营管理单位对主机软件备份管理的工作环节。③ 本方案中的CN2650装置（注：CN2650具备双以太网接口，其作用可简单概括为：将“串口界面”与“网络平台”连接起来。NPORT装置与CN2650功能相同，只是其以太网接口仅有一个），内部不需安装庞大的操作系统及监控软件，品质成熟，故障率低，即使发生故障，更换也非常容易，不须进行重装软件系统费时复杂的操作。④ CN2650提供了精巧实用的人机界面，便于故障的快速诊断与处理。⑤ 关键设备均有就地的人机界面。

        

                                    图2   集中式双以太网

    3 方案三：单网单主机结构

    图3是地铁PSCADA系统常见的一种单网单主机的组网方式，目前，行业内大多采用这种组网结构，它具有简洁实用的优点，如果想要节省光纤的敷设数量，可将众多的串行通信接口挂接到一台串口服务器NPORT上，再由一条光纤上送到通信控制屏内的主机，由于NPORT故障率低（MTBF约150000~250000小时），尺寸小，附有人机界面，且其故障设备的更换操作简单易行，因此可以将它安装在高压柜的二次小室内，可见单网结构并不缺乏灵活性。

        

                                    图3   单网单主机结构
    图中的主机功能同图2中的主机，与第二种方案相比较，本方案有单台主机的缺点，但其优点是系统设备可以集中安装在弱电环境，通信控制屏内设备数量少，其经济性与可拓展性都很好，若采用串口服务器NPORT装置，可以最大限度地节省光纤的使用数量。

    4 结语

    综合分析，方案一存在较多不利因素，不宜采用；而采用方案三的单台主机方案时，要优先选择高可靠性的主机产品，只要运营维护部门做好单台主机内的程序备份并存有一定数量的备机，单主机带来的可靠性风险是可以接受的；无论从技术角度还是从维护管理角度分析，方案二、方案三均为较理想的技术方案。

    参考文献：

    [1] GB 50157-2003，地铁设计规范-2003[S]. 北京城建设计研究总院.

    [2] 城市轨道交通自动化系统与技术[M]. 魏晓东.

                                                        信息来源：自动化博览