以太網(wǎng)在重慶跨座式單軌交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、以太網(wǎng)在重慶跨座式單軌交通系統(tǒng)中的應(yīng)用     摘要:研究目的:將以太網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到的供電監(jiān)控系統(tǒng)中。提高城市軌交通供電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。研究方法:對(duì)重慶跨座式單軌交通系電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)論述,其中對(duì)控制中心主站系統(tǒng)配置、系通信結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件構(gòu)成以及變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹;對(duì)實(shí)際運(yùn)用過程中出現(xiàn)的變電所設(shè)備工況頻繁退出及通信數(shù)據(jù)丟包問題原因進(jìn)行了分析,進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和試驗(yàn)。研究結(jié)果:通過多次的試驗(yàn)研究,光纖以太網(wǎng)在重慶跨座式單軌交通SCADA系統(tǒng)得到成功應(yīng)用。研究結(jié)論:通過以太網(wǎng)在重慶跨座式單軌交通SCADA系統(tǒng)中

2、的成功應(yīng)用,希望光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式在未來軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的運(yùn)用。關(guān)鍵詞:跨座式單軌;SCADA;以太網(wǎng) 1 概況      重慶輕軌較新線(二號(hào)線)東起市中心商業(yè)繁華地帶的較場(chǎng)口,至西工業(yè)中心新山村,共設(shè)18個(gè)車站,1個(gè)車輛段,全長(zhǎng)19.06km。      重慶輕軌較新線采用跨座式單軌交通型式,軌道梁兩側(cè)安裝剛性接觸網(wǎng),接觸網(wǎng)供電電壓為直流1500V,供電系統(tǒng)采用集中供電方式,設(shè)2座110kV/10kV主變電所,每座主變電所分別由城市電網(wǎng)引入兩路110kV獨(dú)立電源,經(jīng)降壓為

3、后向牽引降壓混合變電所(10kV/1500V/0.4kV)和降壓變電所(10kV/0.4kV)供電。全線共設(shè)7座牽引降壓混合變電所、13座降壓變電所和1座配電所。      重慶輕軌較新線SCADA系統(tǒng)包括1個(gè)控制中心主站(含供電復(fù)視系統(tǒng)),完成對(duì)2個(gè)主變電所、6個(gè)牽引降壓混合變電所、9個(gè)降壓變電所、1個(gè)車輛段跟隨式變電所、1個(gè)配電所(大堰村)及全線的接觸網(wǎng)的監(jiān)控。      SCADA系統(tǒng)除車輛段牽引降壓混合變電所、主變電所近期按有人值班設(shè)計(jì)外,其他牽引降壓混合變電所及降壓變電所均按無人值班設(shè)

4、計(jì)。控制方式采用控制中心遠(yuǎn)動(dòng)控制、變電所內(nèi)集中控制、供配電設(shè)備本體控制三級(jí)控制方式,正常運(yùn)行時(shí)采用遠(yuǎn)動(dòng)控制,當(dāng)設(shè)備檢修或故障時(shí),采用所內(nèi)集中控制或設(shè)備本體控制,3種控制方式相互閉鎖。2 控制中心主站系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)配置      控制中心主站如圖1所示,系統(tǒng)硬件由雙100M以太網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備、網(wǎng)橋設(shè)備、SCADA主機(jī)、調(diào)度員工作站工程師工作站、復(fù)視系統(tǒng)、模擬盤系統(tǒng)設(shè)備、打印服務(wù)器及打印機(jī)、UPS電源、電池柜、配電柜等設(shè)備構(gòu)成。2.1.1 主機(jī)采用2臺(tái)基于RISC技術(shù)、字長(zhǎng)為64位的ALPHAServerDS20E服務(wù)器,冗余配置,互

5、為熱備用,故障時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)切換到另一臺(tái)備用主機(jī)上。2套主機(jī)同時(shí)接收或發(fā)送網(wǎng)上數(shù)據(jù),但僅在線機(jī)具備數(shù)據(jù)流控制管理功能。支持?jǐn)?shù)據(jù)校驗(yàn)以保證2套主機(jī)有完整一致的數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)提供對(duì)雙機(jī)工作狀態(tài)的在線檢測(cè)。為保證整個(gè)遠(yuǎn)動(dòng)裝置的時(shí)鐘同步,SCADA主機(jī)通過RS422接口采集控制中心的主母鐘發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào),進(jìn)行SCADA系統(tǒng)的對(duì)時(shí)。2.1.2 交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備采用CISCO2950-24,其主要特性:      (1)快速10BASE-T/100BASE-TX自適應(yīng)以太網(wǎng)口(RJ45);每臺(tái)設(shè)備以太網(wǎng)接口數(shù)目24。   &#

6、160;  (2)有系統(tǒng)擴(kuò)展插槽,可多個(gè)交換機(jī)單元堆棧工作,也可中繼使用,提高網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。2.1.3 網(wǎng)橋設(shè)備采用Cisco2621路由器(2個(gè)100M以太網(wǎng)口1個(gè)10M以太網(wǎng)口)。該設(shè)備用于控制中心100M局域網(wǎng)與主備10M以太網(wǎng)通信通道的網(wǎng)間連接,實(shí)現(xiàn)信息的互連互通。該設(shè)備按主備方式進(jìn)行設(shè)置,其主要特性有:      (1)有主備設(shè)備自動(dòng)切換的功能;      (2)對(duì)應(yīng)每個(gè)網(wǎng)段的接口數(shù)不低于2個(gè);      (3)與通信系

7、統(tǒng)設(shè)備的接口形式為10M接口(RJ45),與控制中心100M局域網(wǎng)的接口形式為RJ45接口。2.1.4 調(diào)度員工作站為ALPHAXP1000,用于電力調(diào)度人員的日?？刂?、監(jiān)視和調(diào)度管理工作,以及系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的歸檔、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、檢索、維修計(jì)劃、記錄等。2.1.5 工程師工作站裝有Windows2000系統(tǒng),用于生成、修改和管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)及用戶畫面,定義、修改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和維護(hù)、開發(fā)系統(tǒng)程序等,工程師工作站可與任意調(diào)度員工作站互換,成為調(diào)度員工作站的備用設(shè)備。其硬件配置與調(diào)度員工作站相同。2.2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)      系統(tǒng)的主站設(shè)

8、備設(shè)在控制中心,供電復(fù)視系統(tǒng)設(shè)備設(shè)于車輛段,變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備設(shè)于各變電所內(nèi),通過10M光纖以太網(wǎng)通信通道構(gòu)成SCADA系統(tǒng)?？刂浦行呐c各變電所內(nèi)的綜合自動(dòng)化設(shè)備、供電復(fù)視系統(tǒng)設(shè)備通信方式為對(duì)等通信方式,通信協(xié)議為工業(yè)ETHERNETTCP/IP,應(yīng)用層協(xié)議采用專用工業(yè)控制協(xié)議。通過此協(xié)議SCADA系統(tǒng)能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)和服務(wù)。      通信通道采用光纖數(shù)字傳輸方式,網(wǎng)絡(luò)采用首尾相連接構(gòu)成的自愈環(huán)。采用光纖連接主站和被控站,能很好的解決遠(yuǎn)距離通信問題,由于光纜具有很好的電磁兼容性,能很大程度的提高通信網(wǎng)路的抗干擾能力和可靠性,使通信能

9、暢通。同時(shí)由于光纜具有比較大的帶寬,為以后系統(tǒng)升級(jí),網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展留下了空間。對(duì)于SCADA系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信的主要要求是快。對(duì)網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快,在過程控制領(lǐng)域還要求響應(yīng)快,即實(shí)時(shí)性要求。這樣“快”就有3種含義。2.2.1 傳輸速度快      指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒁?通常用波特率來衡量。這條要求與普通計(jì)算機(jī)通信是一致的。2.2.2 響應(yīng)時(shí)間短      指突然發(fā)生意外事件時(shí),儀表將該事件傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上或執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間是由4個(gè)方面決定的:  &

10、#160;   (1)儀表或執(zhí)行器控制中斷的能力;      (2)信息在通信協(xié)議的應(yīng)用層與物理層之間的傳輸時(shí)間;      (3)等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)間;      (4)避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時(shí)間。      由于這個(gè)時(shí)間對(duì)大多數(shù)通信協(xié)議是1個(gè)隨機(jī)數(shù),因此大部分通信協(xié)議不給這個(gè)參數(shù)。過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個(gè)時(shí)間達(dá)到最短,但它要求最大值是預(yù)先可知的,并小于一定值。 

11、    2.2.3 巡回時(shí)間短      指系統(tǒng)與所有通信對(duì)象都至少完成一次通信所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間一般可由系統(tǒng)組態(tài)來調(diào)整。對(duì)那些單純靠?jī)?yōu)先級(jí)解決實(shí)時(shí)性的搶先式通信系統(tǒng),當(dāng)高優(yōu)先級(jí)事件發(fā)生比較頻繁時(shí),低優(yōu)先級(jí)事件會(huì)長(zhǎng)時(shí)間得不到響應(yīng);對(duì)這類通信協(xié)議,巡回時(shí)間是隨機(jī)量,預(yù)先不可知。過程控制系統(tǒng)希望最長(zhǎng)巡回時(shí)間是預(yù)先可知的,并小于一定值。      響應(yīng)時(shí)間和巡回時(shí)間反映了實(shí)時(shí)性,而實(shí)時(shí)性與通信協(xié)議有很密切的關(guān)系。重慶輕軌采用的這種以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)加上工業(yè)ETHERNETTCP

12、/IP就能很好地滿足上述要求。2.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成      控制中心主站系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用安全性很高的TRU64UNIX操作系統(tǒng),Sybase數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件和國(guó)產(chǎn)OPEN2000SCADA系統(tǒng)軟件。      控制中心主站系統(tǒng)具有較強(qiáng)的功能,具有控制功能(包括單獨(dú)遙控、程序遙控、復(fù)歸遙控及遙控試驗(yàn)功能等)、遙信處理功能(包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警信息處理等)、遙測(cè)監(jiān)視和報(bào)表管理功能(包括遙測(cè)數(shù)據(jù)采集和處理功能、報(bào)表管理和打印功能)、人機(jī)交互功能強(qiáng)的畫面顯示功能、運(yùn)行調(diào)度管理功能(包括值班調(diào)度記錄

13、功能等)、遠(yuǎn)程維護(hù)功能等。      此外,系統(tǒng)還具有事故追憶功能,系統(tǒng)可以提供在一個(gè)特定事件(擾動(dòng))發(fā)生后,重新顯示事件(擾動(dòng))前后的運(yùn)行情況和狀態(tài);系統(tǒng)還具有培訓(xùn)功能,系統(tǒng)可以提供和實(shí)際系統(tǒng)同樣的操作環(huán)境及操作畫面,但其操作不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。3 牽引降壓混合變電所及降壓變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)牽引降壓混合變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng),既RTU,采用分層分布式模塊化結(jié)構(gòu),系統(tǒng)分為3個(gè)部分:站級(jí)管理層,網(wǎng)絡(luò)通信層,間隔層。      其一個(gè)典型所牽引降壓混合變電所結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。  

14、0;    站級(jí)管理層設(shè)備由監(jiān)控系統(tǒng)和通信控制器組成,組柜于控制信號(hào)盤內(nèi)。監(jiān)控系統(tǒng)采用D200和D100等監(jiān)控系統(tǒng),完成站內(nèi)監(jiān)視、控制等功能;通信控制器采用C200通信控制器,完成站內(nèi)各種設(shè)備的信息采集和處理,通過通信主通道,向控制中心主站系統(tǒng)傳送相關(guān)信息。網(wǎng)絡(luò)通信層即所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)以10M以太網(wǎng)為主網(wǎng),通信介質(zhì)采用6芯多模光纜,到間隔層采用通信接口轉(zhuǎn)換器NSC301將以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換成RS-485接口。      間隔層單元按供配電設(shè)備間隔分布配置,主要分散安裝于交流10kV開關(guān)柜、直流1500V開關(guān)柜及0.4kV開

15、關(guān)柜內(nèi),DC1500V接觸網(wǎng)上網(wǎng)電動(dòng)隔離開關(guān)及0.4kV開關(guān)測(cè)控單元等采用控制信號(hào)盤上集中安裝方式。10kV進(jìn)出線間隔單元采用西門子保護(hù)監(jiān)控一體化的7SD610光纖縱差保護(hù)繼電器作為10kV進(jìn)出線設(shè)備的主保護(hù)和和監(jiān)控,采用西門子保護(hù)監(jiān)控一體化的7SJ62電流繼電器作為10kV進(jìn)出線設(shè)備后備保護(hù),分散安裝于10kV進(jìn)出線開關(guān)柜內(nèi),完成對(duì)10kV環(huán)網(wǎng)供電設(shè)備的保護(hù)、監(jiān)控和測(cè)量。10kV饋線間隔單元采用西門子保護(hù)監(jiān)控一體化的7SJ62電流繼電器作為10kV饋線設(shè)備的主保護(hù)和監(jiān)控,分散安裝于10kV饋線開關(guān)柜內(nèi),完成對(duì)10kV饋線供電設(shè)備的保護(hù)、監(jiān)控和測(cè)量。10kV母聯(lián)間隔單元采用西門子保護(hù)監(jiān)控一體化

16、的7SJ62電流繼電器作為10kV母聯(lián)開關(guān)的主保護(hù)和監(jiān)控,采用NSP40B母聯(lián)備自投裝置作為母聯(lián)自動(dòng)投切控制,分散安裝于10kV母聯(lián)開關(guān)柜內(nèi),完成對(duì)10kV母聯(lián)開關(guān)的保護(hù)、監(jiān)控、測(cè)量和自動(dòng)投切。直流1500V間隔單元采用賽雪龍保護(hù)監(jiān)控一體化的SEPCOS直流保護(hù)繼電器作為直流1500V饋線的主保護(hù)和監(jiān)控,分散安裝于直流1500V饋線開關(guān)柜內(nèi),完成對(duì)直流1500V饋線供電設(shè)備的保護(hù)、監(jiān)控和測(cè)量。4 在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及解決方案重慶輕軌SCADA系統(tǒng)在試運(yùn)行過程中出現(xiàn)變電所工況頻繁投退和通信數(shù)據(jù)丟包問題。下面是原因分析以及解決方案。4.1 變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中工況經(jīng)常退出問題 

17、     變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(RTU)中,控制信號(hào)盤與變電所內(nèi)的各開關(guān)柜通信通過通信單元NS301,各個(gè)開關(guān)柜工況的投入,退出都可以通過SCADA系統(tǒng)后臺(tái)機(jī)控監(jiān)控。在調(diào)試的初期,經(jīng)常出現(xiàn)各個(gè)開關(guān)柜的工況退出現(xiàn)象,造成控制中心主站不能很好地完成監(jiān)控功能。工況經(jīng)常退出的設(shè)備主要是再生制動(dòng)裝置,接地漏電保護(hù)裝置(64D),以及動(dòng)力變壓器和整流變壓器的溫控器。SCADA系統(tǒng)與這些設(shè)備通信采用RS485接口,采用問答式通信規(guī)約,在SCADA系統(tǒng)后臺(tái)機(jī)接收到上述設(shè)備傳上來的報(bào)文,經(jīng)過200ms延時(shí)后,后臺(tái)程序發(fā)指令詢問上述設(shè)備,要求再次發(fā)送報(bào)文,當(dāng)設(shè)備沒能上傳報(bào)文

18、時(shí),后臺(tái)程序就每隔1s詢問1次,連續(xù)詢問3次,如果連續(xù)詢問3次都沒有相應(yīng),那么后臺(tái)程序便判斷此設(shè)備工況退出。分析原因是由于200ms延時(shí)的時(shí)間對(duì)于上述各設(shè)備太短,設(shè)備內(nèi)部的程序不能及時(shí)處理系統(tǒng)后臺(tái)發(fā)送來的指令,造成工況的退出,通信的中斷。采取的辦法把200ms的間隔詢問改為500ms的間隔詢問,若設(shè)備還是沒能上傳報(bào)文時(shí),后臺(tái)程序每隔1s詢問的次數(shù)有3次改為15次。這樣處理后,工況退出問題得到解決。4.2 控制中心主站與變電所(RTU)之間的通信丟包率較高問題      在SCADA系統(tǒng)的遙控調(diào)試過程中,出現(xiàn)對(duì)于同一個(gè)開關(guān)需要執(zhí)行幾次遙控命令才能

19、成功的現(xiàn)象。我們分別在控制中心主站和變電所同時(shí)監(jiān)測(cè),當(dāng)控制中心主站向變電所發(fā)送命令時(shí),變電所有時(shí)會(huì)接收不到命令報(bào)文,也就是報(bào)文出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。為了弄清楚丟包問題出現(xiàn)在哪個(gè)環(huán)節(jié),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員采用了ping數(shù)據(jù)包的方法,測(cè)試在哪里丟包。首先在控制中心主站的服務(wù)器上連1臺(tái)PC機(jī),ping通信系統(tǒng)的OTN裝置,ping了10000包數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)丟包率為0.9%。然后由主站向變電所ping數(shù)據(jù)包,也ping了10000包數(shù)據(jù),丟包率為0.85%,說明問題出現(xiàn)在主站與OTN之間的通信上。從圖1的控制中心主站系統(tǒng)配置圖看出,主站和OTN連接采用10M以太網(wǎng)連接,根據(jù)OTN軟件設(shè)置,OTN會(huì)自動(dòng)把10M以太網(wǎng)設(shè)置為全波全雙工工作方式,然而OTN指示燈上顯示10M以太網(wǎng)為全波半雙工工作方式,并且沖突燈亮