安英霞

0 引言

自20 世纪80 年代末以来，国内自行研制的牵引供电SCADA 系统已完全取代国外进口装备，虽已经历了3 代系统的变迁，但仍然存在着标准化程度不高、兼容性差、监控规模偏小的不足。面对高速铁路牵引供电系统所采用的全新调度模式，以及系统规模大、建设周期长、互联互通要求高的特点，有必要研制满足中国高速铁路建设需求的新一代供电综合SCADA 系统。

1 应用需求分析

1.1 调度模式

国内高速铁路牵引供电系统采用N＋1 调度管理模式，即在全国范围内设置N 个区域调度所，一个灾难备用（以下简称灾备）调度中心。区域调度所负责管辖区域内的所有高速铁路供电系统的监视控制和调度指挥，灾备调度中心在正常工作模式下负责监视各区域调度所供电系统的运行状态，并在必要时提供协调性调度指挥建议，在灾备模式下，负责实现对某一区域调度所的灾难备用功能。

1.2 监控对象[1]

高速铁路供电综合SCADA系统不再沿用普速铁路中对牵引供电系统、电力配电系统分别设置独立监控系统的实现方式，系统的监控对象不仅包括牵引供电系统，同时还包括10 kV 电力配电系统。牵引供电监控对象包括牵引变电所、AT 分区所、AT 所、开闭所、接触网电动隔离开关。10 kV 电力配电监控对象包括：（35）10 kV（变）配电所、箱式变电站、10/0.4 kV 低压变电所。

1.3 监控容量

根据2008 年颁布的《中长期铁路网调整规划》，到2020 年，中国将建成总里程1.6 万公里的高速铁路网[2]。假定在全国范围内将建立6 个区域调度所，则每个区域调度所的平均监管里程约为2 700 km。根据对现已投运的高速铁路供电系统被控站点的统计分析，假定综合SCADA 系统的每一类被控站点的设置里程数、I/O 点数如表1 所示。

根据上述容量估算基础表格，可以估算出至2020 年时计划建设的区域调度所的被控站数量和总的监控I/O 点数：在不考虑每个区域调度所监管里程数差异的情况下，各所的I/O 监控容量至少为52 万点，若考虑系统扩容等影响因素，则I/O 监控容量可达62 万点。若考虑各区域调度所监管里程不一致的情况，对于监控里程数较多的调度所，其I/O 监控容量有可能高达100 万点。

表1 高速铁路被控站设置里程及I/O 点数估算表

1.4 功能需求

随着自动化系统应用的成熟和电气设备品质的提升，国内高速铁路牵引供电和电力配电系统的被控站点将采用无人值守的运行模式，所以供电综合SCADA 系统除了完成常规的监视和控制功能外，还需为电力调度人员、生产抢修人员提供丰富的故障分析数据（如故障录波、故障报告等），以加快供电系统事故的处理进程。同时，综合SCADA系统还需具备配电自动化系统DMS（Distributed Management System）的故障判断和故障隔离功能，以及对被控站系统的设定参数（如保护定值、各类阀值等）进行远程设置的功能。

1.5 接口需求

供电综合SCADA系统需要与国内高速铁路总体技术框架下统筹规划建设的运营调度系统[3]、综合视频监控系统、综合维修管理信息系统、既有线电调系统实现双向互连互通；与火灾报警系统（FAS）、时钟系统、国家电网调度系统实现单向互连互通。

1.6 建设目标

国内高速铁路供电综合SCADA系统按照统筹规划、分步实施的建设原则，结合调度系统的规划，建设一套适合国内高速铁路供电系统的统一标准、统一制式、统一调度指挥，具备先进成熟、安全可靠、灵活稳定特性的系统。

因此，国内高速铁路供电综合SCADA 系统的建设面临着大容量、高扩展、长周期的应用挑战。

2 系统架构

2.1 体系架构

高速铁路供电综合SCADA 系统采用分层、分布式结构，按照调度管理层、通信传输网络层和现场设备层进行建设。

调度管理层系统包括1 个灾备调度中心，N 个区域调度所。网络通信层包括连接灾备调度中心与各区域调度所之间、区域调度所与现场设备层间的通信传输承载网络，以及灾备调度中心与现场设备层间的灾难备用传输网络，采用SDH 或MSTP 传输承载网络[4，5]。

现场设备层系统分别设置在客运专线沿线的牵引变电所、分区所、开闭所、AT 所、（35）10 kV（变）配电所、10 kV 低压变电所、箱式变电站内，完成现场设备的监控及数据采集功能。

2.2 技术架构

供电综合SCADA 系统的技术架构如图1 所示。

图1 供电综合SCADA 系统的总体技术架构图

该系统的基础硬件平台包括交换机、防火墙等网络通信平台，以及由服务器、工作站和SAN（Storage Area Network）光纤存储系统构成的计算平台。

在统一的基础硬件架构上，采用双机、双网、双存储光通道热备方式的冗余措施，确保在关键硬件部分消除单点失效；采用高扩展的服务器、模块化的网络交换机和UPS 设备，以确保硬件架构的高可扩展性。

综合SCADA的系统软件平台在底层操作系统的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、故障处理等功能，提高系统的高可靠性。

在统一的系统软件平台支撑下，综合SCADA系统采用了具备高可靠性、高扩展性、超大容量的平台软件，并在该基础上集成开发综合SCADA 系统的各种应用软件。

3 系统实现

3.1 区域调度所硬件配置

综合SCADA区域调度所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、SAN 光纤存储网和接口局域网，这4 个子网相互独立，实现业务数据与通信数据的分流，降低网络负载，以提高系统响应时间。

综合SCADA区域调度所的硬件配置还充分考虑到网络安全及管理的需要，设置了硬件防火墙、独立的网络病毒防护工作站等。

3.2 基于SOA 的平台软件

综合SCADA系统的平台软件可以按照硬件的配置以及应用的需要在一个广域分布的系统中实现灵活的部署，无论是灾备调度中心还是各区域调度所的系统均构建在该统一的软件平台上。

平台软件基于具备可重用性、低耦合、分布式和开放性特点的SOA 架构[6，7]和实时数据库技术，在通用SCADA业务模型的基础上提供了具有良好开放性的工业域名服务、软件和设备通信集成服务、信息和数据管理服务、应用开发服务、系统管理和扩展服务，从而为高速铁路供电综合SCADA系统提供了一整套标准化、组件化的基础解决方案，也便于实现与外部系统的数据交互。

平台软件支持超大规模的I/O 监控点数，可方便构建分布式多客户端/多服务器架构，无论是客户端还是服务器端均可由数量众多的物理设备构成，并可按照N+1 调度模式的要求分别在灾备调度中心、各区域调度所进行统一的分布部署。

3.3 灾备调度中心实现方案

为了减少灾备调度中心的信息处理流量，在正常运行模式下，灾备中心不直接接收和处理来自现场设备层的实时采集数据，灾备调度台分别作为各区域调度所的分布式远程调度台，有关综合SCADA 业务的处理及实时数据的采集均分别在相应的客运专线调度所完成。该分布式远程调度台的工作模式具备如下优点：

（1）大大减少了灾备调度中心系统服务器硬件配置数量及其信息处理量，并充分利用了区域调度所的硬件处理能力。

（2）无需维护灾备调度中心与各区域调度所的数据一致。

为了实现灾难备用功能，综合SCADA 系统灾备调度中心配置了一套冷备的服务器组，以实现对所接管的灾难调度所系统的数据库管理、历史数据存储、SCADA 业务逻辑处理、远程通信、系统配置管理等功能。考虑到部调度中心系统的灾备模式启用频度极低，灾备调度中心的服务器不再采用双机冗余配置，其最终配置的服务器数量将根据监管容量最大的区域调度所确定。

3.4 系统扩展方案

在超大监控容量、支持分布式部署的平台软件的支持下，综合SCADA 系统的扩展工程首先是进行硬件设备的扩展，然后通过平台软件将业务和数据部署到新增的服务器或工作站上。

硬件设备的扩展包括：网络交换机端口数量、调度台工作站节点、服务器节点、UPS 电源模块等。其中调度台的扩展可以通过设置新的调度台，或者扩充既有调度台的监控范围来实现。对于服务器节点的扩展，可通过增加CPU 处理器个数、规模更大时可通过加入新的服务器节点实现服务器的外向扩展。

综合SCADA系统平台软件具有在线维护的特性，所以当新增服务器和工作站节点后，在完全不影响正在运行的应用业务情况下，可以完成新增服务器或是工作站应用业务和数据的在线部署等工作，从而保证综合SCADA 系统分步实施的无缝进行。

4 应用实例

高速铁路供电综合SCADA 系统自2009 年实施以来，已完成了3 个区域调度所基础平台的搭建，并分别接入了石太线、合武线、武广线、郑西线、沪杭线，接入高铁线路的总里程近2 100 km。其中规模最大的区域调度所已管辖了近1 300 km的多条高速铁路。截至2010 年底，相应的区域调度所将完成海南东环线、广珠城际线、广深港线的接入工作，2011 年将完成京沪线、宁杭线等高铁线路的接入工作。

5 总结展望

目前，在投入运行的各线路中，该系统运行稳定，功能完善，达到了系统的功能设计要求。其中一个区域调度所已经实现了多条高速铁路的接入，监控规模已接近25 万点，从而验证了系统软硬件平台所具备的监控容量大、扩展灵活的特点。通过该项目的实施，形成并完善了一系列配套的技术和工程应用标准，规范了相应的接口标准，从而大大降低了工程实施难度，缩短了实施周期。

但是，由于灾备调度中心尚未开始建设，供电综合SCADA 系统的灾备方案尚需实践验证；系统的监控容量尚在扩展，系统仍然面临着稳定性和实时响应能力的考验；系统在信息展示的清晰一致方面还需完善，以便更直观、简洁地展示最有价值的运行数据。此外，对电气设备在线监测数据以及接触网检测数据的接入，以及对基于海量监测数据分析挖掘之上的高级应用功能的开发也将是未来该系统的研究方向。

[1] TB 10621-2009 J971-2009 高速铁路设计规范（试行）[S].

[2] 铁道部.中长期铁路网调整规划[Z].北京，2008.

[3] 姚钧.铁路客运专线运营调度系统总体技术方案[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[4] 肖萍萍，吴健学.SDH 原理及应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5] 佟卓，谢宇晶，尹斯星.宽带城域网与MSTP 技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6] M.Huhns, and M.P.Singh.Service-Oriented Computing:Key Concepts and Principles [J].IEEE Internet Computing,2005, 7(1):75-81.

[7] N.M.Josuttis，程桦译.SOA 实践指南－分布式系统设计的艺术[M].北京：电子工业出版社，2008.