大连快轨电力监控系统设计及关键技术实现Word格式文档下载.docx
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1.绪论
大连市轨道交通始于2002年，第一条城市轨道交通线路——快轨三号线建成通车，而2009年7月开工建设的大连地铁1、2号线则标志着大连城市轨道交通建设迈入了新的里程。
截至2014年9月，大连轨道交通已有快轨3号线、快轨3号线续建和202延长线等3条快轨线路。
地铁1、2号线一期工程正在紧张建设中，预计2015年4月，通车试运营。
2010年开工建设的快轨普湾新区线预计在2015年开通。
金普城际轨道、金州九里至普兰店快轨工程也在建设施工中。
地铁5号线、新机场连接线、3号线小窑湾改造工程和3号线东延工程等轨道交通建设项目与将陆续启动。
通过深入研究总结轨道交通电力监控（SCADA）大连快轨的应用经验，对大连未来的轨道交通电力监控体系设计及技术关键提出建议，有助于将来进一步实现电力监控体系与现场需求更紧密的结合，在经济上节省开发和维护成本。
1.1.研究背景
目前国内应用较广泛的是第三代SCADA体系，即基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的SCADA体系。
展望未来，轨道交通作为一种与我国国情和资源禀赋相适应的交通运输方式，发展前景十分广阔。
1.2.电力监控体系概述
1.2.1.电力监控体系作用
轨道电力监控系统对供电系统的实时性、安全性、可靠性、易用性、兼容性具有重要作用，是整个轨道交通供电体系必不可少的组成部分。
1.2.2.电力监控体系构成
大连快轨电力监控体系主要是计算机的资源管理体系，它实现对计算机资源的分配、控制、调度及回收。
在操作体系平台的选择上主要考虑以下性能特点：
可靠性、安全性、可移植性、实时响应性、柔软性、技术支持性、多任务并发处理能力、网络管理能力。
操作体系选用Windows操作体系。
电力监控体系由设在控制中心的控制站、设在沿线的牵引降压混合变电所、降压变电所（被控站）内的综合自动化体系、远动通道、供电车间复示终端体系组成。
用于实现对沿线各变电所内电气设备的遥控、遥信、遥测功能，监控范围包括沿线各变电所的变配电设备、接触网电动开关设备及沿线各迷流监测点。
电力监控体系的结构采用1：
N的集中监控方式。
体系的通信规约采用目前流行的问答式（Polling），网络为双重网络结构。
图1：
ISCS-PSCADA体系结构
Figure1:
ISCS-PSCADAarchitecture
1.2.3.电力监控系统功能
根据PSCADA体系的特点，中心级和变电所级监控的重心有所不同：
PSCADA体系的监控重心在中央控制中心（OCC），变电所保留对供电设备的控制功能但重点是监视；
对所控设备，中心、变电所遥控是互斥关系，即中心、变电所不可同时对受控设备进行遥控操作。
大连快轨电力监控体系的功能主要是通过人机对话来实现。
具体如下：
管理整个所内监控体系，并监视各间隔内的保护测控下位单元的运行状态；
接收控制中心或所内监控终端的控制命令，向控制中心或所内监控终端传送变电所开关位置、事故、预告等信息；
直接监视控制不宜装设监控单元的设备（如接触网上开关），或独立性较强的终端，如迷流监测体系终端。
1.3.电力监控体系的研究现状与发展
国外对轨道交通监控体系的研究开展较早，目前技术已经相对成熟。
德、美、加拿大、日本等对这一技术的探究位居世界前列。
日本欧姆龙公司在上世纪七十年代中期研发的ControllerLink环网控制技术，德国PhoenixContact公司于其后十年左右研发了INTERBUS现场总线技术，以及美国埃施朗公司在20世纪90年代推出的LONWORKS分布式轨道轨道交通监控体系（TMCS）技术，在轨道交通安全监控体系方面一直有着相当广泛的应用。
国外轨道交通安全监控体系应用比较成功，其对轨道交通内的行车安全起到十分重要的作用。
国外长轨道交通中都安装了非常完善的监控体系，技术十分先进，其中尤以挪威的拉尔达轨道交通监控体系与日本的关越轨道交通监控体系最为著名，可谓轨道交通监控体系设计之范例，现简要介绍这两个轨道交通监控体系的基本情况。
拉尔达轨道交通全长24.Skm，是挪威两大城市一一卑尔根与奥斯陆之间的E16高速轨道上的重要轨道交通，同时也是当前世界上长度最长的轨道轨道交通，轨道交通通行方式设计为双向行车的单洞双车道轨道交通，其年日均车流量为1000辆。
拉尔达轨道交通同时建有世界上先进的轨道交通监控体系，较好地保证了轨道交通的运营安全。
拉尔达轨道交通监控体系包含通风调整子体系，交通传导调整子体系，照明调控子体系，火灾预警子体系，视频检测子体系以及中心计算机监督体系。
轨道交通外场设施使用双机冗余的PLC-5型可编程调整器作为轨道交通区域调整器，调整轨道交通的照明、通气和环境监测等子体系。
中心调整计算机与轨道交通范围调整器之间的通讯网络使用SDH<
SynchronousDigitalHierarchy）通讯网，保证了信息传递的稳定性以及实时性。
日本关越轨道交通包括上行轨道交通、下行轨道交通和避难轨道交通，上行轨道交通全长为11055m，下行轨道交通全长为11km，避难轨道交通全长为10943m。
轨道布铺设了两处直径达9.7m的通风竖井。
上行轨道交通轨道安装4处湿式静电吸尘设施，下行轨道交通轨道安装处干式静电吸尘设施。
关口轨道交通同样安装由多个子体系组建的使用DCS（DistributedControlSystem）集散型调整体系的监控体系，对轨道交通内机电设施展开即时监控，确保了关口轨道交通的运转安全性。
在欧洲，研究人员建立了轨道交通智能交通委员会，采用智能交通的概念，结合交通工程学的原则和办法，由全面监控转化为微观监控，对进入轨道交通的每个车辆，通过检测、建立信息卡以及出口识别，达到对轨道交通运营状态、轨道交通内车辆数与车辆类型展开即时监控和政策扶持、提升效率和减少消耗的目标，在信息高效整合的基础上，对检测设施进行全面调整，朝着智能调整的方向发展。
在通风照明调控方面，国外主要使用模糊通风调控技术、风光结合供电技术、模糊照明调控技术以及部分高效调控机器，高效光源等在确保轨道交通安全运行的基础上，科学减少轨道交通运行的投入。
国内研究人员对于轨道交通监控体系的研究和应用开始得比较晚。
我国国内轨道轨道交通监控体系的发展历程，是一个从无到有，从国外引进借鉴到自主开发创新的过程。
20世纪70年代以前，我国的轨道轨道交通长度短、等级低、数目少，没有条件配备相应的机电设备。
进入80年代，随着经济增长的加快，我国轨道轨道交通建设步伐也随之提速，轨道轨道交通机电体系的设计和施工也得到了较快的发展1987年7月，福建鼓山轨道轨道交通建成通车，轨道交通内布设有通信、闭路电视、防火、照明等诸多机电装置，是我国第一座较现代化的轨道轨道交通。
1987年7月，福建鼓山轨道轨道交通建成通车，轨道交通内布设有通信、闭路电视、防火、照明等诸多机电装置，是我国第一座较现代化的轨道轨道交通。
为了保证轨道交通运营安全，交通部组织大批科研、工程人员在学习和借鉴国外先进经验的基础上，结合我国的国情，于2001年制定并颁布了轨道轨道交通监控体系设计和施工的国家标准一一《高速轨道轨道交通监控体系模式》（GB/T18567-2001）。
此后，我国建成的轨道轨道交通大都配置有较高水平的轨道交通监控体系，秦岭终南山轨道交通和湖南雪峰山轨道交通是它们之中比较成功的典范，现简要介绍其基本概况。
秦岭终南山特长轨道交通长达18.02km，是我国规划建设的西部开发八条轨道干线中的“内蒙古阿荣旗一西安一重庆一广西北海”和“银川一西安一武汉”两条路线的共用段在山西穿越秦岭的关键项目。
秦岭轨道交通建有非常完备的监管体系，包含交通监管子体系、照明监管子体系、环境检测及通风调控子体系、火灾报警子体系、电力监管子体系、闭路电视监管子体系以及中央监管子体系。
轨道交通现场调控器使用SIEMENS公司的SIMATICS7系列PLC可编程调整器，通讯网络使用现场总线与工业以太网集合的形式，确保了轨道交通信息传输的即时性和可信度。
雪峰山轨道交通是国家高速轨道网上海至瑞丽高速轨道少阳至怀化段的特大型轨道交通工程，全长6.95km，是湖南境内最长的轨道轨道交通，为上下分离式4车道轨道交通，设计车速8Okm/h。
雪峰山轨道交通设有完备的监管体系，包含:
轨道交通监管管理所中心调控体系、轨道交通现场掌控体系、电视画面监视体系、交通监管体系、通风监管体系、照明监管体系、火灾监测报警体系、有线电波体系、紧急通话体系、视频车辆检查体系、电力监管体系等。
轨道交通调整器使用罗克韦尔自动化公司A-B品牌的PLC现场调整器，集合1756-ENBT以太网通讯模块在双冗余以太网光纤环路的基础上进行环绕通电。
另一方面，目前我国轨道交通监管体系的探究普遍按照采取什么样的途径可以确保轨道交通运转的安全为中心展开。
但在实际运行中，除了这一点非常重要之外，还有一个非常重要的话题，那就是在确保轨道交通运转安全的前提下如何开展轨道交通运转的高效问题。
国内许多轨道交通在运行过程中都有明显的电能损耗问题，导致轨道交通运营管理方电费消耗颇大。
当前我国政府正在大力提倡建立资源节约型社会，大力发展低碳经济，显然轨道交通运营电能浪费的这种情况是必须要改变的，这样才能有利于国计民生。
轨道交通机电体系中耗能最大的部分当属轨道交通通风体系与轨道交通照明体系，而这两个体系同时也是保障轨道交通运营安全的不可或缺的部分。
因此，如何在保证轨道交通运营安全的前提下降低轨道交通通风体系与轨道交通照明体系的能耗成为了交通部门关注的焦点，同时也是当前我国轨道交通监管体系研究的热点。
1.4.本文的主要研究工作
笔者通过深入大连快轨交通现场查看调研轨道交通地形和轨道交通电力监控系统，并认真查阅了相关设计图纸，初步掌握了大连轨道交通的基本情况。
在此基础上，本文对大连轨道交通电力监控系统的功能需求分析和大连轨道交通监管体系的总体设计进行了论述，并在深入研究了大连快轨电力监管体系设计及关键技术实现等节能关键技术进行了阐述。
2.
电力监控体系技术基础
2.1.计算机控制体系
2.1.1.PLC体系
自20世纪60年代美国采用可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了迅速的发展，在世界各地得到了广泛应用。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用，大连快轨电力监控系统上也采用PLC体系
2.1.2.数据采集与监控体系
操作员在被控设备所在的显示画面上启动单控（鼠标左键双击弹出设备的控制页面，控制页面无操作超过20s关闭控制页面，如果操作者无控制权或者不可控的设备则自动弹到信息页），其操作步骤如下：
第一步：
PSCADA体系下发遥控选择命令，此时该设备被占用，保护测控单元检查自身执行条件，发送返校命令给PSCADA体系，PSCADA体系收到可以执行的返校命令方可执行操作，当有操作员对某设备进行操作时，PSCADA锁定该设备，不允许其他操作员同时对此设备进行操作。
当PSCADA下发选择命令后体系开始倒计时，在规定的时间（可以离线调整该时间）内如果没有收到返回指令，体系在操作命令显示区给与提示。
当选择成功后，体系的分合闸执行按钮被激活，体系开始等待执行下发倒计时；
第二步：
PSCADA体系下发执行命令，以规定时间内开关位置的变位信息来判断执行的结果。
断路器下发执行命令后，在规定时间内未收到正确的变位信息判断为执行失败。
遥控操作的说明：
初次进入控制面板时，仅“选择”按钮可以点击，“执行”、“取消”按钮为灰色不可点击。
选择操作执行成功后，“选择”按钮变灰，“执行”、“取消”为可点击状态。
操作执行后，或者取消操作后，“选择”按钮会再次可点击，“执行”、“取消”按钮为灰色。
如果在给定时间内未达到最终目标状态，则PSCADA将产生一个“控制操作失败”报警，并记入日志。
如果设备正常工作，则PSCADA将在设备状态改变后产生状态正常变位日志，不产生报警。
此超时时间可离线整定。
在控制窗口提示栏显示操作成功或失败信息及失败的原因。
若操作失败，产生报警，并在报警信息中有明确的失败原因。
控制窗口打开一定时间（20s）无操作时，自动关闭。
监视信息窗口手动关闭。
以上每步操作的倒计时时间可离线配置，当计时为0时依然没有收到下一步的指令，体系自动收回并取消操作；
该设备须重新进行选择命令后才可再次执行。
下为PSCADA设备的控制对话框：
图4：
PSCADA设备控制对话框
Figure4:
PSCADADeviceControldialog
控制序列
请参见《控制序列》章节。
设备控制禁止
在设备对话框中的标签页，通过设备挂牌的方式，可抑制控制输出（即：
控制页被禁止），以确保当技术人员在现场作业（如电力线路作业）时，其它操作员不能发送控制指令，只具有设备监视功能，数据正常扫描刷新。
在摘牌后，恢复设备的控制功能。
检修人员在电调、车站变电所值班员挂检修牌后（在中心维修工作站，即NMS工作站、车站、变电所），可以不受挂牌（及软闭锁条件）的限制，允许进行控制操作，电调则不能进行任何控制操作。
维护人员无权挂检修牌。
图5：
遥控屏蔽
Figure5:
Remoteshield
设定检修牌后，中心/车站全部挂检修设备相关报警列表将被体系自动确认，报警项无闪烁及其报警音响将被抑制。
屏蔽和解除屏蔽是实现对设备开关的闭锁、解锁操作，被屏蔽的对象禁止单控或控制序列操作。
在中心授权的情况下，维护人员可以对任何一个或多个供电体系受控设备进行屏蔽，使其不能被遥控操作；
屏蔽解除后才能恢复遥控功能。
屏蔽分为单个对象屏蔽、一组对象屏蔽及全站对象屏蔽：
单个对象屏蔽指屏蔽一个遥控设备。
一组对象屏蔽包括按电压等级、按站设置屏蔽。
电压等级，如1500V电压等级的所有开关、35kVI段的所有开关、35kVII段的所有开关、400kVI段的所有开关、400kVII段的所有开关。
全站屏蔽，即屏蔽一个变电所内所有的遥控开关。
点击PSCADA设备控制对话框中的“高级”按钮，切换到详细操控窗口，如图5所示。
通过点击“设置屏蔽”/“取消屏蔽”控制操作按钮，可对单个设备进行开关的闭锁、解锁操作。
“设置屏蔽”/“取消屏蔽”控制操作按钮的激活/禁止按实时状态变更，如实时状态为“屏蔽”，“设置屏蔽”按钮被禁止，“取消屏蔽”按钮被激活。
图6：
遥控屏蔽管理面板1
Figure6:
Remotemanagementpanelashield
在电力菜单中点击“遥控屏蔽”选项，主显示区中出现一组对象的遥控屏蔽管理面板，如下图所示。
选择所需操控的组别，通过点击“设置屏蔽”/“取消屏蔽”控制操作按钮，可对一组设备进行开关的闭锁、解锁操作。
“设置屏蔽”/“取消屏蔽”控制操作按钮的激活/禁止按实时状态变更，如实时状态为“屏蔽”，“取消屏蔽”按钮将为激活状态，“设置屏蔽”按钮为禁止状态。
图7：
遥控屏蔽管理面板2
Figure7:
Remotemanagementpanelshield2
不同方式的屏蔽操作可重复执行，但不能同时解除。
具有控制权限的操作员可以设定控制屏蔽；
相同位置、相同级别或更高级别的操作员可以互相解除屏蔽；
进行屏蔽后，在供电体系图及主接线图界面会显示屏蔽标志（白色边框）。
所有的屏蔽/解锁操作均记录在事件列表中，同时记录时间、操作对象和操作人。
保护信号复归
复归功能包括：
保护复归；
信号复归（PSCADA对保护装置上的瞬时报警信号提供保持的功能，直到有操作员通过复归此信号报警信息才可恢复）。
当复归标志出现后，用鼠标左键双击体系图上显示的复归标志（红色实体圆点），将弹出复归控制窗口。
复归窗口按钮包括：
保护复归。
鼠标左键单击“保护复归”按钮，对设备进行复归操作，在“状态”栏中会显示复归操作的过程。
2.1.3.PC-Based监督/控制体系
随着网络时代的到来，工业PC或PC-based控制器由于可以完全融入到网络时代的信息系统中，PC-based控制器从外观到可靠性也都开始可以与PLC相近。
PC-BASED控制器将取代传统PLC，当然首先必须解决可靠性及编程问题。
在编程方面，由于IEC61131-3编程语言标准的推出和广泛采用，为PC-based控制器的高速发展铺平了道路。
这样，PC-based控制器不仅具有PC的优势，也具有传统PLC的优势。
它可无缝地融合到电力监控的信息系统中。
2.1.4.几种系统的比较与选择
推出的“A电力监控体系”的主要核心分布式体系，其借助IP网络对分布在大范围内的众多变电站的输变电线路展开全面监控。
本体系可对35KV以下变电站内输变电线路展开同步遥控、信号传输，即时检修线路问题并即时报警，不间断监测变电站内的自动化设施的工作状态以及相关系数，并能凭借声音、电话语音、小灵通信息、手机信息等多种渠道做出预警提示，第一时间告知维修人员对系统进行检修。
本体系的建设是为了提升变电站电网的管理能力，快速、精确地获取变电站运转的即时资料，全面地掌握变电站的实时运转状态，快速找出变电站运转的毛病并给出对应的处理意见，同时可以让值班管理人员按照变配电体系的运转现状展开负荷剖析、恰当调度、遥控合分闸、躲峰填谷，掌握安全监控、事故整治的主动性，降低和杜绝操作、误判断，减少事故停电时段，完成对变配电体系的现代化运营管理
2.2.通信网络与现场总线技术
2.2.1.计算机网络基础
计算机网络采用成熟、可靠、通用性和容错能力强的以太网（Ethernet），网络访问方式为客户机/服务器方式，网络通信协议为TCP/IP协议。
网络采用双网冗余配置，并行工作方式。
在正常运行时，网络采用网络负载均衡技术，实现双网同时工作并合理分担负载量。
当某一网络故障时，另一网络能够完全接替故障网络执行全部功能。
体系网络应具有足够的扩展能力及良好的扩展性能，既能保证今后体系的扩容，又能保证客户机的增加不影响网络的各项性能指标。
通过虚拟网络划分（VLAN）功能，对各被控站网络进行划分，以强化网络管理和网络安全，控制不必要的数据广播。
以太网三层交换机的主要性能指标如下：
背板带宽不小于8.8Gbps
第二层和第三层最大传输带宽4.4Gbps
基于64字节数据包的转发速率不小于6.6Mpps
不小于8MB包缓冲结构
32MBDRAM和8MB内存
每台不少于24口
支持IEEE802.3ab1000BaseT、IEEE802.3ab1000BaseTx及IEEE802.310BaseT及IEEE802.1QVLAN规范
支持10BaseT、100BaseTX、1000BaseT端口上的IEEE802.3x全双工操作
通信速率10M/100/1000Mbps自适应
具有多层交换的性能，并具备虚拟网络（VLAN）划分功能
可堆叠工作方式
具有各端口运行状态指示灯
支持冗余电源
2.2.2.工业通信网络
工业通信网络是网络技术和现场总线技术在工业应用中的融合，是体系集成和企业信息化的关键。
被控站设在沿线的牵引降压混合变电所、降压变电所内。
大连快轨电力监控体系的通讯网络各被控站采用当地综合自动化体系，完成所内的控制、保护、测量及体系监控终端的功能，各被控站通过所内综合自动化体系的通信处理单元实现与控制中心的信息交换，即遥测、遥信信息的上传和下行遥控信息的接收和执行，以实现变电所的无
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