以太網在重慶跨座式單軌交通系統(tǒng)中的應用

1、以太網在重慶跨座式單軌交通系統(tǒng)中的應用     摘要:研究目的:將以太網技術運用到的供電監(jiān)控系統(tǒng)中。提高城市軌交通供電系統(tǒng)的自動化水平。研究方法:對重慶跨座式單軌交通系電力監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)的結構和特點進行了詳細論述,其中對控制中心主站系統(tǒng)配置、系通信結構、系統(tǒng)軟件構成以及變電所綜合自動化系統(tǒng)結構進行了重點介紹;對實際運用過程中出現的變電所設備工況頻繁退出及通信數據丟包問題原因進行了分析,進行反復調試和試驗。研究結果:通過多次的試驗研究,光纖以太網在重慶跨座式單軌交通SCADA系統(tǒng)得到成功應用。研究結論:通過以太網在重慶跨座式單軌交通SCADA系統(tǒng)中

2、的成功應用,希望光纖以太網結構形式在未來軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的運用。關鍵詞:跨座式單軌;SCADA;以太網 1 概況      重慶輕軌較新線(二號線)東起市中心商業(yè)繁華地帶的較場口,至西工業(yè)中心新山村,共設18個車站,1個車輛段,全長19.06km。      重慶輕軌較新線采用跨座式單軌交通型式,軌道梁兩側安裝剛性接觸網,接觸網供電電壓為直流1500V,供電系統(tǒng)采用集中供電方式,設2座110kV/10kV主變電所,每座主變電所分別由城市電網引入兩路110kV獨立電源,經降壓為

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個控制中心主站(含供電復視系統(tǒng)),完成對2個主變電所、6個牽引降壓混合變電所、9個降壓變電所、1個車輛段跟隨式變電所、1個配電所(大堰村)及全線的接觸網的監(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計外,其他牽引降壓混合變電所及降壓變電所均按無人值班設

4、計。控制方式采用控制中心遠動控制、變電所內集中控制、供配電設備本體控制三級控制方式,正常運行時采用遠動控制,當設備檢修或故障時,采用所內集中控制或設備本體控制,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以太網構成局域網及網絡接口設備、網橋設備、SCADA主機、調度員工作站工程師工作站、復視系統(tǒng)、模擬盤系統(tǒng)設備、打印服務器及打印機、UPS電源、電池柜、配電柜等設備構成。2.1.1 主機采用2臺基于RISC技術、字長為64位的ALPHAServerDS20E服務器,冗余配置,互

5、為熱備用,故障時系統(tǒng)可自動切換到另一臺備用主機上。2套主機同時接收或發(fā)送網上數據,但僅在線機具備數據流控制管理功能。支持數據校驗以保證2套主機有完整一致的數據庫,同時提供對雙機工作狀態(tài)的在線檢測。為保證整個遠動裝置的時鐘同步,SCADA主機通過RS422接口采集控制中心的主母鐘發(fā)出的時鐘信號,進行SCADA系統(tǒng)的對時。2.1.2 交換機及網絡接口設備采用CISCO2950-24,其主要特性:      (1)快速10BASE-T/100BASE-TX自適應以太網口(RJ45);每臺設備以太網接口數目24。   &#

6、160;  (2)有系統(tǒng)擴展插槽,可多個交換機單元堆棧工作,也可中繼使用,提高網絡連接節(jié)點的數量。2.1.3 網橋設備采用Cisco2621路由器(2個100M以太網口1個10M以太網口)。該設備用于控制中心100M局域網與主備10M以太網通信通道的網間連接,實現信息的互連互通。該設備按主備方式進行設置,其主要特性有:      (1)有主備設備自動切換的功能;      (2)對應每個網段的接口數不低于2個;      (3)與通信系

7、統(tǒng)設備的接口形式為10M接口(RJ45),與控制中心100M局域網的接口形式為RJ45接口。2.1.4 調度員工作站為ALPHAXP1000,用于電力調度人員的日?？刂?、監(jiān)視和調度管理工作,以及系統(tǒng)采集數據的歸檔、統(tǒng)計、報表、檢索、維修計劃、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)實時數據庫、歷史數據庫及用戶畫面,定義、修改系統(tǒng)運行參數和維護、開發(fā)系統(tǒng)程序等,工程師工作站可與任意調度員工作站互換,成為調度員工作站的備用設備。其硬件配置與調度員工作站相同。2.2 系統(tǒng)通信結構      系統(tǒng)的主站設

8、備設在控制中心,供電復視系統(tǒng)設備設于車輛段,變電所綜合自動化系統(tǒng)設備設于各變電所內,通過10M光纖以太網通信通道構成SCADA系統(tǒng)?？刂浦行呐c各變電所內的綜合自動化設備、供電復視系統(tǒng)設備通信方式為對等通信方式,通信協(xié)議為工業(yè)ETHERNETTCP/IP,應用層協(xié)議采用專用工業(yè)控制協(xié)議。通過此協(xié)議SCADA系統(tǒng)能進行遠程診斷、維護和服務。      通信通道采用光纖數字傳輸方式,網絡采用首尾相連接構成的自愈環(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路的抗干擾能力和可靠性,使通信能

9、暢通。同時由于光纜具有比較大的帶寬,為以后系統(tǒng)升級,網絡的擴展留下了空間。對于SCADA系統(tǒng)計算機通信的主要要求是快。對網絡不僅要求傳輸速度快,在過程控制領域還要求響應快,即實時性要求。這樣“快”就有3種含義。2.2.1 傳輸速度快      指單位時間內傳輸的信息要多,通常用波特率來衡量。這條要求與普通計算機通信是一致的。2.2.2 響應時間短      指突然發(fā)生意外事件時,儀表將該事件傳輸到網絡上或執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時間。這個時間是由4個方面決定的:  &

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)議的應用層與物理層之間的傳輸時間;      (3)等待網絡空閑的時間;      (4)避免信息在網絡上碰撞的時間。      由于這個時間對大多數通信協(xié)議是1個隨機數,因此大部分通信協(xié)議不給這個參數。過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個時間達到最短,但它要求最大值是預先可知的,并小于一定值。 

11、    2.2.3 巡回時間短      指系統(tǒng)與所有通信對象都至少完成一次通信所需的時間。這個時間一般可由系統(tǒng)組態(tài)來調整。對那些單純靠優(yōu)先級解決實時性的搶先式通信系統(tǒng),當高優(yōu)先級事件發(fā)生比較頻繁時,低優(yōu)先級事件會長時間得不到響應;對這類通信協(xié)議,巡回時間是隨機量,預先不可知。過程控制系統(tǒng)希望最長巡回時間是預先可知的,并小于一定值。      響應時間和巡回時間反映了實時性,而實時性與通信協(xié)議有很密切的關系。重慶輕軌采用的這種以太網結構加上工業(yè)ETHERNETTCP

12、/IP就能很好地滿足上述要求。2.3 系統(tǒng)軟件構成      控制中心主站系統(tǒng)軟件平臺采用安全性很高的TRU64UNIX操作系統(tǒng),Sybase數據庫系統(tǒng)軟件和國產OPEN2000SCADA系統(tǒng)軟件。      控制中心主站系統(tǒng)具有較強的功能,具有控制功能(包括單獨遙控、程序遙控、復歸遙控及遙控試驗功能等)、遙信處理功能(包括設備運行狀態(tài)監(jiān)視、報警信息處理等)、遙測監(jiān)視和報表管理功能(包括遙測數據采集和處理功能、報表管理和打印功能)、人機交互功能強的畫面顯示功能、運行調度管理功能(包括值班調度記錄

13、功能等)、遠程維護功能等。      此外,系統(tǒng)還具有事故追憶功能,系統(tǒng)可以提供在一個特定事件(擾動)發(fā)生后,重新顯示事件(擾動)前后的運行情況和狀態(tài);系統(tǒng)還具有培訓功能,系統(tǒng)可以提供和實際系統(tǒng)同樣的操作環(huán)境及操作畫面,但其操作不影響系統(tǒng)的正常運行。3 牽引降壓混合變電所及降壓變電所綜合自動化系統(tǒng)牽引降壓混合變電所綜合自動化系統(tǒng),既RTU,采用分層分布式模塊化結構,系統(tǒng)分為3個部分:站級管理層,網絡通信層,間隔層。      其一個典型所牽引降壓混合變電所結構圖如圖2所示。  

14、0;    站級管理層設備由監(jiān)控系統(tǒng)和通信控制器組成,組柜于控制信號盤內。監(jiān)控系統(tǒng)采用D200和D100等監(jiān)控系統(tǒng),完成站內監(jiān)視、控制等功能;通信控制器采用C200通信控制器,完成站內各種設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)傳送相關信息。網絡通信層即所內通信網絡以10M以太網為主網,通信介質采用6芯多模光纜,到間隔層采用通信接口轉換器NSC301將以太網接口轉換成RS-485接口。      間隔層單元按供配電設備間隔分布配置,主要分散安裝于交流10kV開關柜、直流1500V開關柜及0.4kV開

15、關柜內,DC1500V接觸網上網電動隔離開關及0.4kV開關測控單元等采用控制信號盤上集中安裝方式。10kV進出線間隔單元采用西門子保護監(jiān)控一體化的7SD610光纖縱差保護繼電器作為10kV進出線設備的主保護和和監(jiān)控,采用西門子保護監(jiān)控一體化的7SJ62電流繼電器作為10kV進出線設備后備保護,分散安裝于10kV進出線開關柜內,完成對10kV環(huán)網供電設備的保護、監(jiān)控和測量。10kV饋線間隔單元采用西門子保護監(jiān)控一體化的7SJ62電流繼電器作為10kV饋線設備的主保護和監(jiān)控,分散安裝于10kV饋線開關柜內,完成對10kV饋線供電設備的保護、監(jiān)控和測量。10kV母聯間隔單元采用西門子保護監(jiān)控一體化

16、的7SJ62電流繼電器作為10kV母聯開關的主保護和監(jiān)控,采用NSP40B母聯備自投裝置作為母聯自動投切控制,分散安裝于10kV母聯開關柜內,完成對10kV母聯開關的保護、監(jiān)控、測量和自動投切。直流1500V間隔單元采用賽雪龍保護監(jiān)控一體化的SEPCOS直流保護繼電器作為直流1500V饋線的主保護和監(jiān)控,分散安裝于直流1500V饋線開關柜內,完成對直流1500V饋線供電設備的保護、監(jiān)控和測量。4 在實際應用過程中出現的問題及解決方案重慶輕軌SCADA系統(tǒng)在試運行過程中出現變電所工況頻繁投退和通信數據丟包問題。下面是原因分析以及解決方案。4.1 變電所綜合自動化系統(tǒng)中工況經常退出問題 

17、     變電所綜合自動化系統(tǒng)(RTU)中,控制信號盤與變電所內的各開關柜通信通過通信單元NS301,各個開關柜工況的投入,退出都可以通過SCADA系統(tǒng)后臺機控監(jiān)控。在調試的初期,經常出現各個開關柜的工況退出現象,造成控制中心主站不能很好地完成監(jiān)控功能。工況經常退出的設備主要是再生制動裝置,接地漏電保護裝置(64D),以及動力變壓器和整流變壓器的溫控器。SCADA系統(tǒng)與這些設備通信采用RS485接口,采用問答式通信規(guī)約,在SCADA系統(tǒng)后臺機接收到上述設備傳上來的報文,經過200ms延時后,后臺程序發(fā)指令詢問上述設備,要求再次發(fā)送報文,當設備沒能上傳報文

18、時,后臺程序就每隔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,那么后臺程序便判斷此設備工況退出。分析原因是由于200ms延時的時間對于上述各設備太短,設備內部的程序不能及時處理系統(tǒng)后臺發(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,若設備還是沒能上傳報文時,后臺程序每隔1s詢問的次數有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)的遙控調試過程中,出現對于同一個開關需要執(zhí)行幾次遙控命令才能

19、成功的現象。我們分別在控制中心主站和變電所同時監(jiān)測,當控制中心主站向變電所發(fā)送命令時,變電所有時會接收不到命令報文,也就是報文出現丟包現象。為了弄清楚丟包問題出現在哪個環(huán)節(jié),現場調試人員采用了ping數據包的方法,測試在哪里丟包。首先在控制中心主站的服務器上連1臺PC機,ping通信系統(tǒng)的OTN裝置,ping了10000包數據,發(fā)現丟包率為0.9%。然后由主站向變電所ping數據包,也ping了10000包數據,丟包率為0.85%,說明問題出現在主站與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以太網連接,根據OTN軟件設置,OTN會自動把10M以太網設置為全波全雙工工作方式,然而OTN指示燈上顯示10M以太網為全波半雙工工作方式,并且沖突燈亮