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[摘 要]地铁主变电所SCADA系统作为一体化的自动控制系统，可完成现场实时数据采集和远程控制等功能，它的可靠性是地铁安全运营的重要保证，而冗余设计对提高主变电所SCADA系统可靠性有重要意义。本文论述了一种冗余机制在主变电所SCADA系统中的应用，分析了该冗余机制在应用中出现的问题，并提出了可行的改进方案。
[关键词]主变电所；SCADA系统；可靠性；冗余；改进
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0305-01
地铁主变电所SCADA系统是城市轨道交通监控系统的一个重要组成部分，它的任何一个环节出现问题都会使主变电所供电系统处于失去监控的危险状态。如果此时主变电所供电系统发生故障，电力调度将得不到任何信息，极有可能对电网的安全运行和地铁的安全运营造成重大损失。为了增强主变电所SCADA系统的可靠性，通常会对其采用冗余设计。本文论述了一种冗余机制在主变电所SCADA系统中的应用，但由于通讯管理单元内部软件功能设计不够完善，该冗余机制在具体实现过程中存在某些问题，在此也提出了相应的优化方案和解决措施。
1 地铁主变电所SCADA系统结构
地铁主变电所SCADA系统采用分层分布式结构，系统分散布置、集中管理。系统结构分为所内管理层、网络通信层、间隔设备层，具体如下图所示：
通讯管理单元作为主变电所SCADA系统的核心设备，它通过后面板上的RS485串口、CAN网口接收现场微机保护装置和采集装置的信息传送至前置通讯控制器。为了节约传输介质和保证通讯质量，前置通讯控制器一般设置于邻近主变电所的车站，前置通讯控制器将接受到的信息经过车站综合监控骨干网（SDH）和OTN网转发至控制中心，供电力调度和维护人员使用。同时，从控制中心下发的遥控命令也通过前置通讯控制器转发至通讯管理单元来控制下位变电设备。由图1可以看出，为了提高系统可靠性，通讯管理单元、前置通讯控制器和通讯链路均采用了冗余配置。以下对前置通讯控制器、通讯管理单元的冗余机制以及二者之间数据交互的冗余方案进行分析。
2 地铁主变电所SCADA系统冗余方案
冗余是指重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。由图1可知，主变电所SCADA系统的前置通讯控制器、通讯管理单元采用不同的冗余机制，二者之间数据交互的冗余方案按照特定的方式形成。
2.1 前置通讯控制器的冗余机制
前置通讯控制器（FEP）采用的是整机冗余方式，整机冗余方式下任意时刻只有一台FEP运行主I/O服务。具体哪一台为主I/O服务，在前置通讯控制器电力监控软件的配置文件中进行设置。当启动前置通讯控制器电力监控软件工程时，我们设定为主机的FEP（FEP1）启动I/O server Primary，设定为从机的FEP（FEP2）启动I/O server Standby。FEP1启动时主动与下位设备建立通讯，通讯建立成功后就开始与设备进行数据交互。FEP2启动时会先检测系统中FEP1是否启动成功，如FEP1启动成功，FEP2则开始监听FEP1的状态，并与其进行数据同步；如FEP1启动失败，FEP2就会主动与设备建立连接并进行数据交互，在与设备建立连接之后FEP2继续监听FEP1的状态，如监听到FEP1重新正常运行，FEP2则回到监听的状态并与设备断开连接。
2.2 通讯管理单元的冗余机制
通讯管理单元采用任务冗余方式。所谓一个任务，是指采用同一协议和同一种组网方式的同一类设备。在任务冗余方式下各个任务被自由分割并分别运行在两台通讯管理单元上，当某一任务在通讯管理单元上运行异常时，这一任务将自动切换至另一台通讯管理单元上运行。任务运行于哪一台通讯管理单元上，则该任务所属的设备就接受该台通讯管理单元的监控。通讯管理单元之间通过心跳线COM-COM来监测与之冗余的设备是否正常运行。
2.3 通讯管理单元与前置通讯控制器之间数据交互的冗余方案
前置通讯控制器FEP1与通讯管理单元A进行数据交互，前置通讯控制器FEP2与通讯管理单元B进行数据交互。两台通讯管理单元分任务监控下位变电设备，遥信及遥测数据实现同步后上传至控制中心。单台通讯管理单元运行所有任务时，控制中心可以满足主变电所内所有设备的监控功能。
3 地铁主变电所SCADA系统冗余方案的缺陷分析
3.1 遥控操作失败问题
当I/O服务运行在前置通讯控制器FEP1时，控制中心只能监控通讯管理单元A上的任务，当I/O服务运行在前置通讯控制器FEP2上时，控制中心只能监控通讯管理单元B上的任务。即同一时间只能有一台FEP与一台通讯管理单元通讯。主变电所SCADA系统正常运行时，I/O服务运行在前置通讯控制器FEP1上，前置通讯控制器FEP1与通讯管理单元A进行数据交互。当被遥控开关所属的任务运行在通讯管理单元B上的时候就会出现遥控操作失败的现象，此时需要重启通讯管理单元B，使被遥控开关所属的任务切换到通讯管理单元A，控制中心才可以实现遥控功能。
3.2 开关误动问题
在遥控主变电所下位设备时，若CAN网任务上的开关遥控失败，在远程重启通讯管理单元B的过程中该开关会出现随机性的误动现象。开关遥控失败后，命令虽然没有执行但被保存到了通讯管理单元 A中。当重启通讯管理单元B时CAN网任务被切换至通讯管理单元A运行，此时110KV采集装置的寄存器数据会通过CAN网被通讯管理单元A同步，之前保存在通讯管理单元 A中的遥控命令也随即发出。
遥控功能的实现机制为下发一个预置命令，待预置成功后再下发一个执行命令，两个命令有严格的顺序性。只有当保存到通讯管理单元A中的预置命令先于执行命令发出，该遥控失败的开关才会误动。因此，开关误动故障的出现具有随机性。
4 改进的方法
从上述设备冗余机制及数据流冗余方案的缺陷分析可以看出，要想更好地发挥冗余设备的作用，提高系统设备的可靠性，需对通讯管理单元的内部冗余机制进行修改：
（1）使互为冗余的2台通讯管理单元之间的遥控命令具备转发功能。通讯管理单元接收到从控制中心下发的遥控命令后也给它互为冗余的通讯管理单元进行一次性转发，可解决遥控操作失败的问题。
（2）通讯管理单元收到遥控命令后，无论执行成功与否，都限时自动清除遥控命令，可解决开关误动的问题。
5 结束语
目前，冗余机制已在地铁主变电所SCADA系统中广泛应用，但是系统冗余功能的实现和可靠性的提升不仅依赖于硬件的冗余，更重要的是对系统内部冗余机制的完善和挖掘。这里对主变电所SCADA系统用到的一种冗余机制进行了分析，提出了存在的问题，并给出了优化和改进方案，解决了主变电所遥控操作失败及开关误动的安全隐患。
参考文献
[1] 陈洪茹、傅强.地铁变电所综合自动化系统冗余机制研究[J].都市快轨交通，第25卷第 4 期2012（8）.
[关键词]主变电所；SCADA系统；可靠性；冗余；改进
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0305-01
地铁主变电所SCADA系统是城市轨道交通监控系统的一个重要组成部分，它的任何一个环节出现问题都会使主变电所供电系统处于失去监控的危险状态。如果此时主变电所供电系统发生故障，电力调度将得不到任何信息，极有可能对电网的安全运行和地铁的安全运营造成重大损失。为了增强主变电所SCADA系统的可靠性，通常会对其采用冗余设计。本文论述了一种冗余机制在主变电所SCADA系统中的应用，但由于通讯管理单元内部软件功能设计不够完善，该冗余机制在具体实现过程中存在某些问题，在此也提出了相应的优化方案和解决措施。
1 地铁主变电所SCADA系统结构
地铁主变电所SCADA系统采用分层分布式结构，系统分散布置、集中管理。系统结构分为所内管理层、网络通信层、间隔设备层，具体如下图所示：
通讯管理单元作为主变电所SCADA系统的核心设备，它通过后面板上的RS485串口、CAN网口接收现场微机保护装置和采集装置的信息传送至前置通讯控制器。为了节约传输介质和保证通讯质量，前置通讯控制器一般设置于邻近主变电所的车站，前置通讯控制器将接受到的信息经过车站综合监控骨干网（SDH）和OTN网转发至控制中心，供电力调度和维护人员使用。同时，从控制中心下发的遥控命令也通过前置通讯控制器转发至通讯管理单元来控制下位变电设备。由图1可以看出，为了提高系统可靠性，通讯管理单元、前置通讯控制器和通讯链路均采用了冗余配置。以下对前置通讯控制器、通讯管理单元的冗余机制以及二者之间数据交互的冗余方案进行分析。
2 地铁主变电所SCADA系统冗余方案
冗余是指重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。由图1可知，主变电所SCADA系统的前置通讯控制器、通讯管理单元采用不同的冗余机制，二者之间数据交互的冗余方案按照特定的方式形成。
2.1 前置通讯控制器的冗余机制
前置通讯控制器（FEP）采用的是整机冗余方式，整机冗余方式下任意时刻只有一台FEP运行主I/O服务。具体哪一台为主I/O服务，在前置通讯控制器电力监控软件的配置文件中进行设置。当启动前置通讯控制器电力监控软件工程时，我们设定为主机的FEP（FEP1）启动I/O server Primary，设定为从机的FEP（FEP2）启动I/O server Standby。FEP1启动时主动与下位设备建立通讯，通讯建立成功后就开始与设备进行数据交互。FEP2启动时会先检测系统中FEP1是否启动成功，如FEP1启动成功，FEP2则开始监听FEP1的状态，并与其进行数据同步；如FEP1启动失败，FEP2就会主动与设备建立连接并进行数据交互，在与设备建立连接之后FEP2继续监听FEP1的状态，如监听到FEP1重新正常运行，FEP2则回到监听的状态并与设备断开连接。
2.2 通讯管理单元的冗余机制
通讯管理单元采用任务冗余方式。所谓一个任务，是指采用同一协议和同一种组网方式的同一类设备。在任务冗余方式下各个任务被自由分割并分别运行在两台通讯管理单元上，当某一任务在通讯管理单元上运行异常时，这一任务将自动切换至另一台通讯管理单元上运行。任务运行于哪一台通讯管理单元上，则该任务所属的设备就接受该台通讯管理单元的监控。通讯管理单元之间通过心跳线COM-COM来监测与之冗余的设备是否正常运行。
2.3 通讯管理单元与前置通讯控制器之间数据交互的冗余方案
前置通讯控制器FEP1与通讯管理单元A进行数据交互，前置通讯控制器FEP2与通讯管理单元B进行数据交互。两台通讯管理单元分任务监控下位变电设备，遥信及遥测数据实现同步后上传至控制中心。单台通讯管理单元运行所有任务时，控制中心可以满足主变电所内所有设备的监控功能。
3 地铁主变电所SCADA系统冗余方案的缺陷分析
3.1 遥控操作失败问题
当I/O服务运行在前置通讯控制器FEP1时，控制中心只能监控通讯管理单元A上的任务，当I/O服务运行在前置通讯控制器FEP2上时，控制中心只能监控通讯管理单元B上的任务。即同一时间只能有一台FEP与一台通讯管理单元通讯。主变电所SCADA系统正常运行时，I/O服务运行在前置通讯控制器FEP1上，前置通讯控制器FEP1与通讯管理单元A进行数据交互。当被遥控开关所属的任务运行在通讯管理单元B上的时候就会出现遥控操作失败的现象，此时需要重启通讯管理单元B，使被遥控开关所属的任务切换到通讯管理单元A，控制中心才可以实现遥控功能。
3.2 开关误动问题
在遥控主变电所下位设备时，若CAN网任务上的开关遥控失败，在远程重启通讯管理单元B的过程中该开关会出现随机性的误动现象。开关遥控失败后，命令虽然没有执行但被保存到了通讯管理单元 A中。当重启通讯管理单元B时CAN网任务被切换至通讯管理单元A运行，此时110KV采集装置的寄存器数据会通过CAN网被通讯管理单元A同步，之前保存在通讯管理单元 A中的遥控命令也随即发出。
遥控功能的实现机制为下发一个预置命令，待预置成功后再下发一个执行命令，两个命令有严格的顺序性。只有当保存到通讯管理单元A中的预置命令先于执行命令发出，该遥控失败的开关才会误动。因此，开关误动故障的出现具有随机性。
4 改进的方法
从上述设备冗余机制及数据流冗余方案的缺陷分析可以看出，要想更好地发挥冗余设备的作用，提高系统设备的可靠性，需对通讯管理单元的内部冗余机制进行修改：
（1）使互为冗余的2台通讯管理单元之间的遥控命令具备转发功能。通讯管理单元接收到从控制中心下发的遥控命令后也给它互为冗余的通讯管理单元进行一次性转发，可解决遥控操作失败的问题。
（2）通讯管理单元收到遥控命令后，无论执行成功与否，都限时自动清除遥控命令，可解决开关误动的问题。
5 结束语
目前，冗余机制已在地铁主变电所SCADA系统中广泛应用，但是系统冗余功能的实现和可靠性的提升不仅依赖于硬件的冗余，更重要的是对系统内部冗余机制的完善和挖掘。这里对主变电所SCADA系统用到的一种冗余机制进行了分析，提出了存在的问题，并给出了优化和改进方案，解决了主变电所遥控操作失败及开关误动的安全隐患。
参考文献
[1] 陈洪茹、傅强.地铁变电所综合自动化系统冗余机制研究[J].都市快轨交通，第25卷第 4 期2012（8）.