郑 聪 程 畅

(1. 宝信软件(成都)有限公司， 610093， 成都； 2. 上海宝信软件股份有限公司， 201203， 上海∥第一作者， 助理工程师)

电力监控(PSCADA)系统是保证城市轨道交通线路安全、有序运营的重要系统之一。该系统具备对全线供电设备进行监控的功能，通过采集、分析、整理各变电所内设备的数据，使得供电系统调度人员能够实时、有效地掌握全线的供电情况，并为全线供电系统的调度、运维提供真实、准确的数据支撑。

在云技术、大数据、物联网、人工智能、5G(第5代移动通信技术)、卫星通信、区块链等信息技术[1]快速发展的环境下，智慧城市轨道交通(以下简称“智慧城轨”)建设将得以蓬勃发展，这对PSCADA系统的性能及其功能应用的要求也将越来越高。目前，PSCADA系统有独立组网方案和集成方案两种主流技术方案，本文重点在数据流程、系统功能及数据应用等方面对这两种方案进行对比分析。

1 PSCADA系统独立组网与集成方案概述

1.1 PSCADA系统独立组网方案

PSCADA系统的独立组网方案是指PSCADA系统所涉及的变电所综合自动化系统与电力调度系统之间使用一套专用的数据网，PSCADA系统独占使用。独立组网方案的数据流程如图1所示，各车站变电所的电力数据经变电所综合自动化系统设备(以下简称“综自设备”)进行采集并整合后，通过变电所交换机、车站交换机、中央交换机经环网传送到中央前置服务器，再经中央前置服务器分别传送至中央系统服务器、中央接口服务器。其中：中央工作站获取中央系统服务器的电力数据，供调度人员使用；电力数据通过中央接口服务器与信号系统、综合监控系统等外部接口系统对接，提供外部接口系统所需的供电系统数据。

注：除变电所设备和工作站外，其余各层级的设备均有主、备2套冗余；箭头表示数据流的方向。图1 PSCADA系统独立组网方案的数据流程Fig.1 Data flow path of PSCADA system independent networking scheme

1.2 PSCADA系统集成方案

PSCADA系统的集成方案是指PSCADA系统不建立专用数据网，而是复用ISCS(综合监控系统)的数据网。在集成系统方案中，PSCADA系统作为ISCS的一个子系统，用以对城市轨道交通供电系统进行监控，PSCADA系统深度集成于ISCS。因此，本文以ISCS作为PSCADA系统集成方案的一种应用体现。PSCADA系统集成方案的数据流程如图2所示。

注：除变电所设备和工作站外，其余各层级的设备均有主、备2套冗余；箭头表示数据流的方向；FAS——火灾报警系统；BAS——环境与设备监控系统；TFDS——隧道火灾探测系统。图2 PSCADA系统集成方案的数据流程Fig.2 Data flow path of PSCADA system integrated scheme

电力数据和其他专业的数据由各自系统交换机经车站ISCS交换机传送至车站的ISCS服务器。车站ISCS服务器对数据进行处理后，一方面将数据发送至车站工作站，另一方面通过车站交换机经ISCS主干环网送达中央交换机，最终由中央交换机把电力数据传送至ISCS中央服务器。ISCS中央工作站从ISCS中央服务器获取各站的数据信息，供调度人员使用。

2 独立组网与集成方案综合对比

PSCADA系统的独立组网方案和集成方案均可实现PSCADA系统的自身业务功能，运营调度人员可通过这两种方案分别对应的系统平台对供电设备进行监视和控制。为了进一步阐述这两种方案的特性，本文将从以下5个方面对这两个方案进行对比分析。

2.1 数据应用对比分析

2.1.1 单专业数据量对比分析

2.1.1.1 独立组网方案的单专业数据量

采用独立组网方案时，所有电力数据均集中在中央服务器。中央服务器的单个专业数据量与该城市轨道交通线路的车站数量成正比，车站数量越多，中央服务器的电力数据量也越多。这对整个中央服务器的系统性能要求非常高，对系统数据的采集与解析的要求也很高。为了尽量满足中央服务器所需的性能要求，目前一般采用的对策为：采购高配置服务器，并通过虚拟机技术[2]、负载均衡技术[3]来分摊压力。

数据高度集中于中央服务器是独立组网方案的特点，也是该方案的风险点。应用于独立组网方案的交换机、服务器等设备，均需采用具备高实时性、高稳定性和高可靠性的工业级设备。此外，通过采用虚拟机技术和负载均衡技术，一方面用于扩展网络设备及服务器的带宽，增加系统的吞吐量，加强网络数据的处理能力；另一方面用于分摊集中在一起的电力数据，以提高系统的稳定性、可靠性和数据处理性能。

2.1.1.2 集成方案的单专业数据量

集成方案以车站为单位分布式处理电力数据，车站服务器只采集该站的电力系统数据。尽管车站服务器也集成了多个专业的数据，但相较于独立组网方案，集成方案下的车站服务器所面对的单个专业数据量级要小得多。

2.1.2 数据处理及应用对比

2.1.2.1 独立组网方案的数据处理及应用

独立组网方案不仅具有供电系统设备的监控和数据采集功能，还能对采集得到的数据作进一步的处理。例如，可对电力故障报警数据进行分类与分析，自动生成报警分析报告；通过采集得到的设备本体定额数值来计算设备的告警限值，并向调度人员提供正常数值范围，供调度人员进行故障处理时参考。但对于包含多个设备专业的城市轨道交通系统而言，独立组网方案只包含供电系统的数据处理与分析结果，辅助调度人员作出决策所需的关键数据过于单一。

2.1.2.2 集成方案的数据处理及应用

如图2中所示，ISCS中央服务器根据需求可采集各站各专业数据。在集成方案下，这些数据将得到更好的应用。例如，对设备故障报警问题可结合供电、AFC(自动售检票)、BAS、FAS等集成专业进行更全面的分析，得出的分析报告将更为可靠，可为调度人员决策提供更为准确的关键数据。除了故障报警分析外，数据报表、设备检测预警、潮流计算、雪崩解决方案等也是数据综合分析与应用进一步发展的方向，集成方案均能满足这些方面的数据处理需求。由此可见，相比独立组网方案，集成方案在数据分析应用方面的功能更为全面。

2.2 数据流程对比分析

采用独立组网方案时，电力系统的所有数据均汇聚于中央前置服务器，这不仅增加了数据处理的难度，也加大了发生单点故障的风险。若中央前置服务器发生故障，将导致中央系统服务器和中央接口服务器的电力数据出现异常，这可能会导致调度工作站无法监控全线的电力设备，还会使外部接口系统无法获取所需的电力数据，进而扩大故障的影响范围。

集成方案下，各车站的电力系统数据以车站为单位，采用分布式处理技术对数据进行处理。若某车站服务器发生故障，在中央服务器和中央工作站的实时电力数据中只有该站的数据存在问题，不影响其他车站电力数据的正常传送，也不影响调度人员对其他车站进行正常的监控。反之，当中央服务器或中央工作站出现故障而失去监控能力时，可降级为由车站接管监控。分布式数据处理方式可在一定程度上降低处理电力数据的压力，降低服务器故障所带来的影响，在运营过程中对故障的应急处理更为灵活，在整体上提高了电力系统的稳定性。

2.3 建设成本对比分析

PSCADA系统独立组网与集成两种方案在建设成本中的主要区别体现在系统平台的搭建及接口调试两个方面。

2.3.1 独立组网方案平台的搭建及接口调试

采用独立组网方案时，电力数据从变电所到中央工作站经由单独的通道进行传输。独立组网方案下的PSCADA系统除了变电所内的综自设备系统和交换机外，至少还需采购2台前置中央服务器、2台中央系统服务器、2台中央接口服务器、2台中央交换机、1台中央维护工作站和1台电调工作站。

从PSCADA系统的设计角度分析，如需将ISCS作为PSCADA系统的备用监控平台，则PSCADA系统在中央接口联调过程中至少有两个接口调试环节；此外，在ISCS作为PSCADA系统备用监控平台的情况下，运营控制中心会有两个具备电力监控功能的平台，无论是在城市轨道交通线路的试运行阶段还是运营开通后的维护阶段，都需要投入一定的人力与物力。

2.3.2 集成方案平台的搭建及接口调试

采用集成方案时，所有专业数据均从车站服务器经由主干网传输到中央工作站，即使PSCADA系统没有集成到ISCS中，ISCS的数据传输通道依然是存在的。所以，集成方案下的PSCADA系统的电力数据仅需通过变电所内综自设备及交换机即可抵达车站服务器，进而通过ISCS已有的数据传输通道最终抵达中央工作站。相比独立组网方案，集成方案至少可以节省2台前置中央服务器、2台中央系统服务器、1台中央维护工作站和2台中央交换机。

与独立组网方案下ISCS作为PSCADA系统备用监控平台所需的接口调试相比，集成方案下可减少一个接口调试环节，同时可将电力监控的所有功能集成于一个平台上。由此可知，相较于独立组网方案，集成方案所投入的成本更低。

2.4 系统功能应用对比分析

目前城市轨道交通调度对于PSCADA系统功能的需求主要分为车站级需求和中央级需求，其中：车站级的需求主要包括遥控、遥测、遥信、遥调等方面；中央级的需求主要体现在设备程控方面。无论是独立组网方案还是集成方案，PSCADA系统均能满足上述功能需求。在此基础上，本文对两种方案在调度的实际使用方面进行进一步的分析对比。

2.4.1 独立组网方案监控平台的功能应用

对于大部分城市轨道交通的调度人员，其关注的内容不再局限于城市轨道交通某个专业设备，而是要尽可能地对城市轨道交通系统所有的设备进行实时、全方位的监控。但独立组网方案仅能在该监控平台上为调度人员提供对供电系统的监控，调度人员无法在关注供电系统的同时关注其他设备系统，也无法在关注其他专业设备的同时关注供电系统。由此可见，独立组网方案只能满足调度人员日常使用的部分需求。

2.4.2 集成方案监控平台的功能应用

在集成方案下，调度人员通过系统集成平台不仅能监控城市轨道交通供电设备的实时运行信息，同时还能监控其他专业设备的实时状态。相较于独立组网方案，集成方案具备多专业设备监控的功能，更符合调度人员的实际使用需求。

2.5 运维对比分析

随着城市轨道交通线网的快速发展，城市轨道交通的线路数、站点数不断增加，设备运维的覆盖面越来越大，随之带来的运维压力也越来越大。提升城市轨道交通设备的运维效率、降低维护人员的作业强度、降低人工巡检劳动强度[1]，以及对各线路资源实施精准调度与协同运转，是当前城市轨道交通运维工作的重点和难点。在集成方案下各专业数据汇聚于一个平台，车站服务器囊括了该站所有的专业数据，中央服务器可通过中央交换机获取各站服务器内的数据。集成系统的监控平台可满足多样化的功能需求，车站和运营控制中心的集成监控平台均可根据运维人员的需求对采集的数据进行综合分析与处理。例如，通过集成系统平台可进行数据建模分析，实现状态修与远程巡检功能，从而提高运维的效率、降低人工巡检的劳动强度。

总体而言，虽然独立组网方案与集成方案都能满足PSCADA系统日常的运维需求，但综合各专业的集成系统方案，对于城市轨道交通智能运维发展更为有利。

3 结语

数据共享、数据融合、系统集成、场景化应用等均是智慧城轨的发展要求。对于整个城市轨道交通系统发展而言，多专业系统集成才是未来行业发展的方向，发展数据分析、功能应用是PSCADA系统未来的方向。首先,PSCADA系统应保证其稳定性、安全性、可靠性及调度功能完备性。其次，PSCADA系统应为集成平台提供持续、稳定的数据源，为系统高度集成、数据融合、数据综合分析与功能应用的发展给予强有力的技术支撑。