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摘要：对既有SCADA系统进行升级改造时，应充分了解既有SCADA设备的使用情况，在此基础上确定SCADA系统升级改造的设计、实施及调试方案，从而减少对运营的影响，确保运营的安全，文中以广州地铁八号线赤沙车辆段SCADA系统改造项目为例，介绍了对既有运营地铁SCADA系统改造设计，并在此基础上介绍了新系统在软硬件方面的关键技术和提升。
关键词：变电站自动化；通信控制器；升级改造
1 引言
广州地铁赤沙车辆段于2003年投入使用至今，已经运行十几年，各种工作情况基本正常。但是由于计算机技术和网络技术的高速发展以及当时需求的局限性，随着投运年限的增加，原有的SCADA系统的问题逐步显现：
(1) 系统配置低，响应速度慢，当系统数据交换量较大时，使画面数据不能及时刷新，甚至造成系统死机；
(2) 由于监控系统是全天24小时不间断运行，经过10多年运行，硬件老化日渐上升，故障率增高，备品备件日益匮乏，不易维护；
(3) 由于原系统为单机数据集中的架构，因而当系统中核心的通信控制器发生故障或通信链路发生中断时，SCADA系统将失去监控功能，给地铁运行安全造成影响；
(4) 由于西门子公司的技术壁垒，通讯协议没有对外开放，导致电力监控系统功能扩展困难。无法满足新增电气设备的监控需要。
另外，最近10年来，城市地铁服务性、应急安全性、乘客方便性的系统越来越完善，因此电力系统扩容，网络扩容，管理扩容以及要求标准都应该随之发展。因此，针对原SCADA系统日益凸显出来的问题现状，并结合未来地铁行业对电力系统的扩容需求，我们完全有必要对原有SCADA系统进行一次功能升级完善并且带有前瞻性的改造。
本文结合广州地铁赤沙车辆段SCADA改造项目对SCADA系统改造整个过程进行了阐述，根据原有电力系统的构架模式提出了新的SCADA系统设计方案，并在此基础上介绍了新系统在软硬件方面的关键技术和提升。
2 新系统结构设计方案
广州赤沙车辆段牵引变电所系统一、二次设备主要由33kV中压开关柜、1500V直流开关柜和低压400V开关柜组成，此外，还包括交直流电源装置、轨电位限制装置、整流变压器等其他装置。图1 为原赤沙牵引所自动化系统结构图。
图1 原自动化系统结构图
针对旧的系统数据集中的架构缺陷，新的系统方案采用了双冗余的系统架构，分散控制与集中管理相结合，在这种架构中，即使系统网络的某一台通信控制器出现故障，或是通信线路的某一部分受到损坏，也只有系统的这也部分瘫痪，不会影响到整个系统的正常运行。采用三级控制方式，正常运行时采用远动控制，当设备检修时，采用所内集中控制。在开关柜上设当地/远方选择开关，对于接触轨电动隔离开关和负荷开关，在控制信号盘上设置当地、远方转换开关和相应的分合闸开关，三种方式相互闭锁，以达到安全控制的目的。
图2 给出了双冗余的自动化系统结构图。本方案的特点体现在：
图2 新双冗余的自动化系统结构图
(1) 在改造方案中，整个数据采集和传输的核心设备为两台双机冗余的通信控制器，并新增加了交互机提供双机数据交互以及所内监控系统的数据通信。在通信控制器软件上采用了基于无扰动容错数据计算模型的软件构架，从软、硬件两方面保证了整个自动化系统冗余功能的实现，构建了安全可靠的冗余数据网络。
(2) 在改造方案中，根据双机冗余的软硬件架构，在与OCC后台监控系统通信中采用了双冗余链路的模式，A和B双通道同时连接两台通信控制器，保证在任意一台通信控制器和任意一条连接OCC的通道发生故障时，都不会影响到与OCC监控系统的正常通信。
(3) 针对原有PROFIBUS规约转换协议的通用性差、数据解析和监视手段不完善、不可配置性等诸多缺陷，以及未来变电所可能的扩容等需求，在改造方案中，新增了PROFIBUS网关装置，该装置进一步提高了对于西门子PROFIBUS协议转换的兼容性和可操作性，通过简单配置即可实现任意PROFIBUS总线接入总控系统的需求。
(4) 由于原系统中交直流电源装置的通信模块已拆除，新的改造方案中，把交直流装置的遥信及遥测信号用硬接线的方式通过新的测控装置接入到自动化监控系统中。
3关键技术与性能提升
3.1关键技术
在本次RTU柜改造升级项目中，针对变电系统对于安全性，可靠性以及实时性等方面的需求，我们不仅仅对原有硬件及网络架构进行了全面的升级和规划，而且提供了双机冗余的解决方案，在对各种冗余模式的可靠性静态指标、实现复杂度及经济综合分析比较后，本次改造通信控制器系统采用了带仲裁判决机制双机热备机制，硬件结构选用可用度较高的双机热备结构，软件选用了Linux系统平台，采用基于无扰动容错数据计算模型的软件构架。
带仲裁判决机制的双机热备通信控制系统在双机热备系统的基础上，增加了仲裁判决单元。系统中同样带有进行故障定位的自诊断程序。当检测定位了工作计算模块故障时，在切除了故障模块的同时，将处于正常工作的热备计算机模块接入系统。其工作原理是系统开始以带热备份的双主机方式模式运行。利用通信控制器上的容错管理软件使各单机上的任务进程协调运行，并通过比较任务进程中间和最终状态而进行系统故障检测，以实现系统的容错计算。从而提高了双机容错通信系统的可用度。容错管理软件设计成一个独立的层次，作为操作系统的补充，并提供容错应用接口作为容错管理层和应用软件层的接口。将用户程序的一次独立运行看作一个具有一定逻辑的任务，并一次提供作为双机CPU同步的基础，利用容错应用接口在应用程序中设立一个或多个比较，表决点实现任务的同步，对任务中间结果和最后输出进行一致性判断。
图3 通信控制器系统组成结构
在该系统方案中，在任一时刻，所有不同子系统的数据可以发往不同的FEP计算机，可以是FEP-A，也可以是FEP-B，对于某个特定的子系统，两台FEP计算机中只有一台是主机，存有当前该子系统的最新数据，另一台备用计算机的数据库要么是关闭的，要么只能接受主机的数据同步。从单个子系统的角度来看，数据是集中位于主FEP中，但从所有子系统的集合数据来看，数据是允许分布在两台冗余的FEP内的（当然也允许数据集中在某台FEP内）。此时，FEP整体在物理上并不存在主从机的概念，主从机仅是针对某个子系统的逻辑上的概念。以下将与某个子系统通信的FEP主机的通信任务称为主用任务，另一台FEP内与同一个子系统的通信任务称为备用任务。
3.2 与原RTU柜性能比较
从上表来看，数据分布式冗余技术除了实现复杂外，其他各项性能均优于单机数据集中式技术。
4总结
中国城市轨道交通行业方兴未艾，许多投运的城轨线路的电力监控系统设备老化问题，已经逐步显现出来，加之城轨变配电技术发展日新月异，原有的监控系统已经无法满足新设备的扩展要求。因此，探索一套城轨行业电力监控系统改造高效可行的实施方案，积累设计施工实践经验，有其重要的现实意义。
参考文献
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[4] Walker B K.”Fault tolerant control system reliability and performance Prediction using Markov models”，Vol.2，1997:1056-1067.
作者简介：
祁健 陈侃，本科，工程师，从事轨道交通自动化系统技术研究和项目管理
陈侃，本科，工程师，从事轨道交通自动化系统技术研究和项目管理
论文作者:祁健,陈侃
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/18
标签：系统论文; 双机论文; 冗余论文; 通信论文; 数据论文; 子系统论文; 控制器论文; 《电力设备》2016年第22期论文;