第三章 高速铁路供电监控系统调度中心系统1213.docx
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第三章高速铁路供电监控系统调度中心系统1213
第三章高速铁路供电监控系统调度端
第一节高速铁路供电监控系统调度端的组成
在高速铁路供电监控系统（PSCADA）中，调度端能正确和及时地掌握每时每刻都在变化着的供电系统设备运行情况，完成天窗作业，处理影响整个供电系统正常运行的事故和异常情况，将分散在几十公里、几百公里以上至上千公里以外和变电所、分区厅、开闭所、配电所表征铁路供电系统设备运行状态的信息，迅速、正确、可靠地收集，及时以友好人机界面向调度员显示，并对所有数据进行分析，处理，存储及打印，并转发其它系统共享。
因此调度端（主站、调度中心）是高速铁路供电监控系统的指挥调度中枢。
高速铁路供电监控系统调度端通常又可称为高铁PSCADA主站系统。
一、高速铁路供电监控系统调度中心的系统架构
依据国家《中长期铁路网规划》，中国铁路客运专线将分别在管辖有客运专线的路局设置客运专线调度所，并在铁道部设置客运专线总调度中心，统筹实施对客运专线的统一调度指挥。
高速铁路供电监控系统充分考虑中国铁路客运专线“n＋1”调度指挥模式的需要，无论是位于部调度中心的高铁PSCADA主站系统，还是位于各路局调度所的高铁PSCADA主站系统均采用统一的硬件平台和系统软件平台，并通过通信传输承载网络将上述调度主站系统与各被控站系统联结起来，从而构成覆盖全国范围客运专线的PSCADA系统。
高速铁路供电监控系统的构成分为三层：
（1）高速铁路供电监控系统部调度中心系统；
（2）高速铁路供电监控系统区域调度所系统，目前包括全路18个铁路局；
（3）现场设备层，包括：
1）设置在客运专线沿线的牵引变电所、AT分区所、开闭所、AT所内的牵引变电所综合自动化系统。
2）设置在客运专线沿线的电力变配电所内的电力变配电所综合自动化系统。
3）设置在客运专线沿线的站场变电所、区间/站场箱变、高压环网柜内的电力远动监控终端（RTU）。
4）用于接触网开关监控的接触网开关控制系统。
图3.1分布式调度模式
PSCADA系统将实现与客运专线总体技术框架下统筹规划建设的客运专线运营调度系统、综合视频监控系统、综合维修管理信息系统、既有线电调系统的双向互连互通；与火灾报警系统（FAS）、时钟系统、国家电网调度系统实现单向的互连互通。
PSCADA系统与外部系统的接口如图3.2所示：
图3.2PSCADA系统与外部系统的接口
高铁PSCADA主站系统采用当今先进的分层、分布式控制技术。
调度主站分为两层，第一层是位于铁道部调度中心的调度中心系统，第二层是分布在各路局的调度所系统。
实现对全国范围内客运专线供电系统的调度指挥工作。
调度中心系统或调度所系统均采用统一的硬件平台和系统软件平台，并在此统一的软硬件基础平台上构建多层、基于SOA服务驱动的和基于COM＋组件的应用软件体系结构，同时还辅以统一完善的系统管理和安全保障体系，满足PSCADA系统的互操作性/互联性，应用的可移植性/可伸缩性，以及应用的集成性要求。
高铁PSCADA主站系统的技术架构如图3.3所示：
图3.3高铁PSCADA主站系统的总体技术架构图
高铁PSCADA主站系统基础硬件平台采用国际著名网络设备供应商思科（CISCO）公司的网络通信设备构成系统的网络通信平台，采用国际著名的计算机系统供应商IBM公司的刀片服务器、工作站计算机和SAN光纤存储系统构成了系统的计算平台。
在该统一的基础硬件架构平台上，采用双机、双网、双存储光通道热备方式的冗余措施，确保在系统体系架构的关键部分消除单点失效；采用刀片式服务器、模块化的网络交换机和UPS设备等，确保硬件架构的高可扩展性。
高铁PSCADA主站系统的系统软件平台采用了Windows操作系统，并在此基础上配置了数据库管理系统、集群管理系统和备份系统，通过其提供的数据备份恢复、系统恢复、数据日志、故障处理等系统故障对策，提高系统的高可靠性。
在统一的系统软件平台的支撑下，高铁PSCADA主站系统以具备高可靠性、移植性、扩展性、维护性的、成熟通用的WonderwareArchestrA作为二次开发的软件平台,并在此基础上二次集成开发PSCADA系统的各种应用软件。
二、高速铁路供电监控系统调度中心的硬件结构
分别设置在各路局客专调度所的高铁PSCADA主站系统均遵循相同的配置原则，只是具体的设备数量将依据各调度所管辖的客运专线总里程数而变化。
高铁PSCADA主站系统的配置原理如图3.4所示：
图3.4PSCADA主站系统配置原理图
如图3.4所示，高铁PSCADA区域调度所内的主要硬件设备包括：
1.计算机网络设备：
核心交换机、接入交换机、光纤存储交换机、数据采集交换机、接口交换机。
负责实现高铁PSCADA主站系统中各计算机节点或存储设备间的数据交换；
2.数据库服务器组：
包括历史数据服务器、应用及通信服务器、配置服务器、备份服务器、WEB服务器、接口服务器，用于完成系统的数据库管理、历史数据存储、SCADA业务逻辑处理、实现与被控站系统的通信、实现与外部接口系统的通信、系统配置管理、系统备份等功能；
3.SAN存储系统：
磁盘阵列、磁带库。
用以完成对系统的所有静态及历史数据的存储；
4.维护及域名管理台：
负责提供系统的各种增、添、修、改等SCADA维护功能以及IT系统的域管理功能；
5.调度台：
牵引调度工作站、电力调度工作站。
负责提供调度员用于日常调度操作的人机界面；
6.调度管理台：
调度长及统计分析工作站、维修管理工作站。
提供与调度事务相关的各种管理功能，如调度范围调整、统计分析、设备履历查询、停送电计划签收等功能；
9.网络管理及安全设备：
病毒防护工作站、网管工作站，IPS入侵监测设备、防火墙。
用于确保系统的网络安全，实现病毒防护、防火墙隔离、入侵检测等功能；
10.其它配套设备：
包括打印机、时钟等，用于完成系统的打印、时钟同步等功能
高铁PSCADA主站系统内各硬件设备的功能分别为：
为了确保系统的高可靠性，高铁PSCADA主站系统中的所有关键设备，包括局域网络设备、服务器、调度台均采用冗余配置。
（一）计算机网络设备
高铁PSCADA主站系统内部的局域网络根据不同的数据业务，分别独立设置了数据处理网、数据采集网、光纤存储网（SAN）和接口局域网，这4个子网相互独立，从而实现业务数据与通信数据的分流，降低了网络负载，提高系统响应时间。
数据处理网在网络构成上，采用配置冗余的核心交换机构成数据处理网络。
核心交换机可以通过扩展接口插件的方式方便地进行进一步的扩展，而且不影响其带宽。
PSCADA主站网络采用客户机/服务器和浏览/服务器相结合的数据应用模式，监控网络结构采用冗余快速交换以太网。
正常情况下双网同时工作，并可根据需要分担不同的数据传输或平衡网络负荷。
网络采用交换式以太网，通信协议采用TCP/IP协议，网络传输媒介可为超5类双绞线或光纤，通信速率为1000Mbps自适应。
系统在局域网内采用Client/Server模式的通信方式。
在初始化时通过配置文件对所有网络节点分配了其所处理的数据点。
当系统运行时，网络节点计算机的应用程序通过网络通信协议，以客户机身份向相关节点请求数据服务，以获得所需的实时数据或历史记录数据。
系统网络具有足够的扩展能力及良好的扩展性能，既能保证今后系统的扩容，又能保证客户机的增加不影响网络的各项性能指标，从而满足将来既有线接入的要求。
（二）服务器组设置
高铁PSCADA主站系统的主要业务包括SCADA数据处理、远动通信管理、历史数据存储、接口管理及WEB发布等，根据上述不同的业务处理类型，高铁PSCADA主站系统中的服务器组按照不同的处理业务，分别设置了接口服务器组、数据库服务器组、应用及通信服务器组。
接口服务器组中包括接口服务器、WEB服务器；数据库服务器组中包括配置服务器、备份服务器、历史数据服务器。
其中接口服务器、WEB服务器、配置服务器、备份服务器的数量采用固定配置，而历史数据服务器、应用及通信服务器的数量根据系统的监控容量而变化。
1、历史数据服务器
历史数据服务器系统如图3.5所示：
图3.5高铁PSCADA主站系统历史数据服务器配置图
从可靠性方面考虑，为高铁PSCADA主站系统配置冗余的历史服务服务器对（可以扩展为多对），用于监控系统历史数据的存储。
历史数据服务器组通过2台SAN光纤存储交换机与磁盘阵列相连。
每组历史数据服务器采用双机冗余配置，集群工作方式，即可实现正常情况存储任务的负载均衡，又可实现故障情况下的双机互备。
当组内的2台历史数据服务器均故障时，其它组的任何一台历史数据服务器可以被部署来接替故障服务器组的工作，从而实现了双机热备加N＋1冷备的双重备用方式，大大提高了历史数据存储的可靠性，另外还配置了备份服务器及磁带库对系统及数据进行备份，进一步保证系统的可靠性。
服务器系统采用了虚拟技术，硬件使用刀片服务器，其优势在于：
所有服务器均插在一台刀片中心机架中，结构紧凑，节约空间，同时由于统一考虑了电源与散热问题，既保障了可靠性又节约了运营维护成本。
2、应用及通信服务器
应用及通信服务器系统方案如图3.6所示：
图3.6PSCADA主站应用及通信服务器配置图
从可靠性方面考虑，调度所配置了多套应用及通信服务器组，每套应用及通信服务器均采用双机冗余配置，并通过心跳监测网交互信息，当有应用及通信服务器故障时，其他服务器能够立刻顶替故障机运行，接管其业务；当组内的2台应用及通信服务器均故障时，其SCADA处理业务可以部署到任何一组的任何一台应用及通信服务器上，从而实现了双机热备加N＋1冷备的双重备用方式，大大提高了SCADA业务处理的可靠性。
应用及通信服务器主要完成功能：
（1）遥控处理
接收来自调度工作站的有关遥控操作的命令或上送报文，并进行相应的处理。
（2）遥信处理
接收来自被控站系统的遥信报文，对于开关位置信号，刷新开关状态；对于满足报警条件并反映了供电系统及供电设备非正常运行状态下的非紧急故障信号（预告）及发生事故后的紧急故障信息（事故）进行相应的显示及报警。
（3）遥测处理
1）模拟量处理：
遥测量的计算：
通过遥测库中定义的特性曲线，由遥测测量值计算出工程值，并进行相应处理；遥测越限的判断：
根据数据库中上限、下限的定义，确定是否越限，统计越限时间、复限时间及持续时间等；遥测极值的统计：
在所定时间范围内，统计遥测点的最大、最小值等。
2）脉冲量处理：
传送数值定义至数据库地址、增量和刻度计算以及限值校验等。
（4）作为调度所与被控站间的通信联络层，不仅对所管辖的所有被控站下发来自调度所的各种信息和命令，同时要处理和接收来自被控站的有效的信息，担负上、下行信息的接收、发送、预处理、通道状态的监视等任务。
（5）允许接入多种通讯规约，包括IEC60870-5-104等标准通信规约，易于实现与不同类型的被控站装置的接口。
还提供多种方式来定制特别的通讯连接协议，如ToolKit、RPM等。
3、配置服务器
配置服务器的方案如图3.7所示：
图3.7PSCADA主站配置服务器配置图
为调度所设置的配置服务器通过SAN交换机连接到磁盘阵列上，配置服务器建立开发的配置文件存贮在磁盘阵列上。
由于磁盘阵列采用了多种冗余措施，数据存储的可靠性高，从而保障了配置文件数据的可靠保存，从而保证系统的可靠性。
配置服务器功能：
①提供构建系统的开发环境，集成了多种用于系统开发、调试工具。
开发界面简单、友好，使用户能够简单、快速地开发自己的应用；支持多用户同时对分布在多个服务器上的综合监控应用进行开发。
②对开发出的应用进行分发与部署。
将开发出的应用具体分发、部署到应用及通信服务器及调度工作站上，同时保存系统的静态配置数据。
4、备份服务器及磁带库
备份服务器及磁带库的方案如图3.8所示：
图3.8PSCADA主站备份服务器及磁带库配置图
从系统的性能方面考虑，将磁带库连接在SAN交换机上，并通过备份服务器进行LANFREE的备份，这样在备份时可以不占用局域网的资源，从而保证了系统的实时性。
这样的配置可以对整个系统的实时数据进行备份，并将备份的数据保存在磁带上，从而完成数据的异地保存及长期保存，有助于数据的可靠保存。
同时可以对整个系统的文件系统进行备份，将关键文件据保存在磁带上，从而完成文件的异地保存及长期保存，有助于文件的可靠保存。
还可根据需要进行数据的还原及文件的还原。
5、WEB服务器
PSCADA主站中一般配置一套WEB服务器及相应的安全防护措施作为局域网内其他网络节点访问系统监控数据的门户。
它可以提供无论任何用户、任何地点均能通过网络以通用WWW浏览器的方式，实时浏览系统的实时画面、实时遥信、遥测、报警、历史数据等。
Web服务器通过使用TCP/IP来通信，并通过防火墙保障系统的安全。
防火墙只需开放http端口来传送信息。
门户可以放置到两个防火墙中间的DMZ，一个用于用户访问门户的Web服务器，另一个用于保护现场系统。
6、接口服务器
从可靠性方面考虑，调度所一般配置2台冗余互备的接口服务器，正常工作时每台服务器各自与相应的接口系统接口，当一台故障时，另一台可以接替其与所有外部系统接口，从而保证系统的可靠性。
从业务分工的角度考虑，其中一台负责实现与监控相关的外部系统，即FAS系统、既有线调度系统、国家电网调度系统的接口；另一台负责实现与客运专线相关系统，即运营调度系统，综合视频监控系统的接口。
从安全性考虑，接口服务器一般需配置防火墙等安全设备。
（三）存储系统配置
存储系统采用SAN存储局域网，为高铁PSCADA主站系统中历史数据及静态数据的本地存储及备份提供服务。
存储系统采用SAN存储局域网结构，共配置2台冗余备用的SAN全光纤交换机，1台RAID5光纤磁盘阵列，1台光纤磁带库，采用SAN存储局域网后，所有连接到SAN交换机上的历史数据服务器、配置管理服务器和备份服务器均可以访问同一个存储阵列。
（四）维护及域名管理台设置
维护及域名管理工作站一方面承担着PSCADA系统的维护管理工作，如静态数据、画面的增、删、修、查等工作。
同时，还承担着对调度所内的所有计算机系统的IT管理工作，如域的建立与维护等。
系统配置2台维护及域名管理工作站，这2台工作站即可并行工作，同时也互为备用。
（五）调度台设置
高速铁路供电监控系统中，牵引调度台与电力调度台合台设置，采用每500km左右设置一个调度台的配置原则，每个调度台配置2台调度工作站计算机。
为了扩大调度员的监视视野，每台调度工作站采用三台显示器的多屏显示配置方案，使操作员可以同时监视多幅主接线画面，或同时监视主接线、报警窗口及报表记录等画面。
从可靠性方面考虑，调度所的每个调度台均配置2台冗余互备的工作站级计算机，电力调度台与牵引调度台合台设置，互相之间也具备备用功能，当其中一台计算机故障时，另一台能够立刻顶替故障机运行，接管其业务，从而保证系统的可靠性。
调度员工作站作为应用服务器的客户端，为调度员提供图形化的人机界面；同时可通过显示器及鼠标器和键盘完成对被控站遥控对象的遥控操作，并进行操作前的合理性判定，任一时刻两台调度工作站者均能同时监视各种信息，但是仅允许一台操作员工作站发出控制命令。
图3.9调度员工作站实际图
（六）网络安全防护系统
高铁PSCADA主站系统的硬件配置还充分考虑到网络安全及管理的需要，在所有与外部系统的接口处均设置硬件防火墙，并在网络内部部署IPS防入侵检测系统以保护内网安全，防止非法数据入侵。
同时还配置专用的网管工作站以管理及监视远程数据采集网络的运行。
此外，系统还设置独立的网络病毒防护工作站、防火墙及防火墙&IPS入侵检测自适应安全设备，用于高铁PSCADA主站系统内所有计算机病毒的防护和入侵检测。
病毒防护工作站安装防病毒软件网络版，防病毒软件网络版可以有效地保障高速铁路供电监控系统的网络系统内部网络不受病毒侵扰。
防病毒软件网络版产品由以下几部分组成：
防病毒系统中心、管理员控制台、防病毒软件服务器端、防病毒软件客户端。
防病毒系统中心可以在整个网络内实现远程管理、智能升级、自动分发、远程报警等多种功能，有效的管理，严密的保护，杜绝病毒的入侵。
通过管理员控制台，管理员可以在网络中的任意一台计算机上对整个网络进行集中控制管理，清楚地掌握整个网络环境中各个节点的病毒监测状态，既方便管理员，又最大程度的减少整个网络中的安全漏洞，有效保障整个网络的系统安全。
管理员控制台能够全面集中管理网络，全网查杀毒、全网设置、直接监视和操纵服务器端/客户端、远程报警、移动式管理、集中式授权管理、统一的管理界面、支持大型的、多层级的、复杂网络的多级中心系统的统一管理的
接口服务器分别通过防火墙隔离后，再与调度所接口的各个系统接口；而WEB服务器由于需要与INTRANET相连，因此除为其配置了防火墙外，还配置了IPS入侵检测自适应安全设备，为网络提供更加广泛而深入的安全保障。
防火墙&IPS入侵检测自适应安全设备能够将最高的安全性和VPN服务与全新的自适应识别和防御架构有机地结合在一起。
作为自防御网络的关键组件，能够提供主动威胁防御，在网络受到威胁之前就能及时阻挡攻击，控制网络行为和应用流量，并提供灵活的VPN连接。
提供的强大多功能网络安全设备系列不但能为保护网络提供广泛而深入的安全功能，还能降低与实现这种安全性相关的总体部署和运营成本及复杂性。
有如下功能特点：
（1）第二层透明防火墙---无需更改任何地址，就能迅速地将防火墙&IPS入侵检测自适应安全设备部署于现有网络。
提供高性能状态第二到七层安全服务，和针对网络层攻击的保护，可集成复杂的路由、高可用性和组播环境。
（2）服务虚拟化---可将单一防火墙&IPS入侵检测自适应安全设备逻辑划分为多个虚拟防火墙，每个防火墙有自己的策略且分别进行管理。
（3）基于802.1q的VLAN支持---可方便地集成入交换式网络环境。
（4）OSPF动态路由服务---可在几秒内检测出网络中断并绕行断点传输流量，提高网络永续性。
（5）协议独立型组播（PIM）稀疏模式v2和双向PIM路由支持---可安全地供应关键性的实时企业应用、协作式计算应用和流媒体服务。
（6）IPv6支持---可安全地部署下一代IPv6网络。
（7）服务质量（QoS）---低延迟队列（LLQ）和流量监管特性可支持有严格QoS要求的应用，如语音或视频，以确保端到端网络QoS策略的实施。
对延迟敏感的流量会获得高于文件传输和其他较能适应延迟的流量的优先级。
（8）永续架构---提供了状态化主用/主用和主用/备用高可用性服务，以及VPN设备集群，可实现最高吞吐率和网络正常运行时间。
防火墙&IPS入侵检测自适应安全设备支持“零停机软件更新”，使企业可在故障恢复对上安装软件维护版本，且不会影响连接或网络正常运行。
此外，集成的动态负载均衡功能为远程接入VPN部署提供了高连接可扩展性和永续性。
（七）网管工作站
系统在数据采集网络上配置网管工作站，用于远程管理与所辖范围内所有高速铁路供电监控系统被控站通信相关的网络设备。
网管工作站用于管理网络系列设备，其管理功能按照TMN的规范进行设计，包括配置管理、故障管理、性能管理、维护管理和安全管理等，同时针对接入网的特点增加了一些维护功能，以方便用户在日常工作中能更好的、高效的完成对网络的维护和升级。
1）配置管理：
执行一些安装配置和业务配置操作。
2）故障管理：
对设备出现的故障进行管理。
3）性能管理：
对设备的性能如单板软件和流量监控等进行管理。
4）用户管理：
对用户进行创建设置期限以及删除用户等操作进行管理。
（八）时钟同步系统设置
高铁PSCADA主站系统配置一套NTP时钟服务器系统。
在正常工作情况下，该NTP时钟服务器作为NTP客户端，接收来自客运专线时钟系统的时钟信号并据此同步高铁PSCADA主站系统内各计算机节点的时钟，并通过应用及通信服务器以NTP协议同步各被控站系统的时钟。
（九）打印机设置
高铁PSCADA主站系统内设置数据打印机、画面拷贝机、维护打印机，用于监控数据的打印、用户画面的拷贝及维护数据的打印。
打印机采用网络打印机配置方式，连接到数据处理网上。
画面拷贝机及维护打印机为系统共用设备，每个调度所系统均配置1台。
数据打印机的数量与调度台的设置有关，每个调度台分别配置一台数据打印机。
三、高速铁路供电监控系统调度中心的软件结构
高铁PSCADA主站系统的软件主要包括以下层次：
1）系统软件：
Windows2008Server,WindowsXP,MicrosoftSQLServer
2）平台软件：
WondwareArchestrA
3）应用软件：
GM-6000DAS
其中，应用软件GM-6000DAS是在成熟产品GM-2000DAS的基础上，结合客运专线PSCADA系统的具体需求，充分考虑系统监控容量规模，构建于WondwareArchestrA平台软件基础之上的分布式、大容量的SCADA应用软件。
GM-6000DAS应用软件主要包括以下层次：
1）数据管理层：
实现数据管理、存储、分析等功能，其中包括：
Ø历史数据服务器软件History-S
Ø备份软件SymantecVertias
Ø调度长及统计分析工作站软件YWS-D
2）业务逻辑层：
实现SCADA系统的数据采集、通讯管理和协议转换等业务逻辑，其中包括：
Ø应用服务器软件SM-D
Ø通信服务器软件EFCOM-D
Ø接口服务器软件IES-D
ØWeb服务器软件CWS-D
Ø配置服务器软件CFS-D
3）人机界面层：
实现调度人员、维护人员的人机界面显示，以完成各种监控操作，其中包括：
Ø牵引调度工作站OGW-Q
Ø电力调度工作站OGW-P
Ø维修管理工作站MMW-P
4）维护管理层：
完成系统配置、系统维护、网络维护及病毒防护等功能，其中包括：
Ø维护及域名管理工作站PGW-D
Ø病毒防护软件
Ø网络管理软件
四、高速铁路供电监控系统调度中心新技术的应用
为满足“统一规划、分期实施”“的大容量、高扩展的PSCADA系统的建设，高铁PSCADA主站系统的设计和实施需要充分利用虚拟化技术和平台软件技术。
（一）虚拟化技术
虚拟计算机技术是近两年来发展较快的技术之一，已经受到了越来越多的企业和媒体的关注。
然而，从早期的概念的虚拟机出现，到现代x86虚拟机的流行，虚拟机技术已经有几十年的历史了。
所谓的虚拟化，是指通过适当的基础设施建设，从管理层面将资源的功能从资源的实体上分离出来，从而达到更加灵活、专业、低成本地充分有效使用资源。
在企业系统平台以及各种应用层面中，服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、应用虚拟化和数据中心虚拟化等虚拟化解决方案，可以提高企业IT基础设施的资源虚拟化水平，集中并共享资源，从而实现降低成本、优化利用率的目的。
目前，虚拟化已经成为IT业界最热门的技术之一。
随着越来越多的IT厂商加入到虚拟化的潮流中来，以及用户端逐渐认识到虚拟化技术对于企业IT系统的贡献，虚拟化正逐渐从概念走向实用。
计世资讯（CCWResearch）分析认为，虚拟化技术使传统的企业IT基础架构逐步向虚拟化的IT环境演变。
早在20世纪70年代，IBM研究中心就在试验室里实现了其主机的镜像。
40多年来，虚拟机一直在大型机和小型机中运行，直到有一天，VMware将x86虚拟机带到了人们的面前，人们才真正意识到虚拟技术已经发展到这样的一个阶段。
目前，主流的x86虚拟机技术主要有以下几类：
1、虚拟硬件
升级会员 