摘要 文章以地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計為目標(biāo)，綜合調(diào)用文獻(xiàn)調(diào)查法、對比分析法等科學(xué)方法，深入剖析了PSCADA系統(tǒng)功能特征，梳理了系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計，繼而從微處理器、電磁兼容設(shè)計等角度出發(fā)對其硬件、軟件配置進(jìn)行展開闡述，在此基礎(chǔ)上細(xì)化說明系統(tǒng)施工具體要求，結(jié)果證明該系統(tǒng)具有較為強大的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控以及業(yè)務(wù)處理功能，可以滿足地鐵實際運營需求。

關(guān)鍵詞 嵌入式網(wǎng)絡(luò);地鐵變電所;綜合自動化系統(tǒng)

中圖分類號 U239.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）08-0001-03

0 前言

地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)PSCADA是城軌交通重要組成部分，被譽為地鐵網(wǎng)絡(luò)生命線，具有全天候、實時化的監(jiān)控功能，可以面向地鐵車輛段、直、交流供電系統(tǒng)等，開展數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)測等操作，為地鐵的平穩(wěn)、安全運行提供保障。當(dāng)前伴隨通信科技的進(jìn)步，PSCADA系統(tǒng)技術(shù)方案還在持續(xù)優(yōu)化，采用嵌入式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以較好地提升系統(tǒng)通信能力，應(yīng)進(jìn)行深入研究和探索。

1 地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)功能特征概述

PSCADA系統(tǒng)具有鮮明的綜合化、可視化特征，可以對信號系統(tǒng)、機電保護(hù)裝置等進(jìn)行整合、集成，并借助通信技術(shù)、計算機技術(shù)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、呈現(xiàn)，為遙控、檢修等工作提供依據(jù)?，F(xiàn)階段伴隨科技體系的完善，地鐵變電所中引用微機數(shù)字化裝置輔助控制的現(xiàn)象已經(jīng)相當(dāng)常見，但各裝置協(xié)調(diào)、統(tǒng)合的能力仍有較大進(jìn)步空間，很多裝置存在功能交叉的問題，采集信息的共享程度也相對較低，PSCADA系統(tǒng)的出現(xiàn)較好地解決了這一難題，它主要由3個層次構(gòu)成：所級管理層，主要由數(shù)字、模擬I/O，顯示器、控制器等組成;網(wǎng)絡(luò)通信層，主要包含通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備接口等;間隔設(shè)備層，主要采用分散分布形式，包含采集、保護(hù)等單元?？v觀現(xiàn)階段各地鐵線路自動化系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀，分布式、智能化的特征愈發(fā)明顯，系統(tǒng)本身與以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等的結(jié)合也愈發(fā)緊密，再加上地鐵變電站本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受到溫濕度、振動等因素的影響，在地鐵建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的今天，兩層串行總線通信、多種現(xiàn)場總線并存的通信方式，以及經(jīng)由Web、Lcq等實現(xiàn)通信的方式在實時性、經(jīng)濟(jì)性方面適用性明顯下降，須通過以太網(wǎng)、光纖網(wǎng)絡(luò)等對其進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化。

2 地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)當(dāng)前地鐵站運行實際，采用分層分布式搭建思路，同時引入LAN技術(shù)，對所有智能裝置進(jìn)行連接，整體架構(gòu)分為3層（見圖1），其中站級管理層位于頂部，通信控制器是其核心部件，實踐時可采用工業(yè)級產(chǎn)品，保證其處理能力、響應(yīng)速度達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)。站級管理層與下層設(shè)備連接，通過LAN接收相關(guān)數(shù)據(jù)后，整合存儲至數(shù)據(jù)庫并遠(yuǎn)程傳輸至調(diào)度中心，其本身無須設(shè)置采集系統(tǒng)，也無須設(shè)置執(zhí)行機構(gòu)，可依據(jù)實際需要選擇UNIX系統(tǒng)，或Windows系列系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫選擇也十分多樣，主要有Oracle、Sybase等[1]，內(nèi)部遵循軟總線連接，開放性、交互性更有保障。

通信管理層則處于核心樞紐地位，能夠在各層級、設(shè)備間建立連接，促成指令的上傳下達(dá)，通信網(wǎng)絡(luò)引用光纖以太網(wǎng)，同時配合雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)提升穩(wěn)定性，通信速率較好，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點維持在64個以上。對于通信層與頂層之間的信號轉(zhuǎn)換任務(wù)，主要借助S3C4510B芯片完成，其實質(zhì)上是一種32位單片機，裝設(shè)有嵌入式以太網(wǎng)控制器，配備18個I/O接口，均為可編程設(shè)計。最后是間隔設(shè)備層，其具備很好的模擬量轉(zhuǎn)化功能，同時可以對設(shè)備進(jìn)行測量、保護(hù)，能夠在系統(tǒng)、設(shè)備之間建立良好聯(lián)系，主要包含了分散測控裝置、保護(hù)單元以及信息采集單元等，與隔離開關(guān)、排流柜等下層設(shè)備之間，均采用硬接點接入方式[2]。運行環(huán)節(jié)采用三級控制模式，在設(shè)備本體控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合信號盤集成控制，以及管理站遠(yuǎn)程控制，三種方式之間相互閉鎖，最大限度提升安全性能。

現(xiàn)階段地鐵變電所網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計中，常見的主要有以下幾種：其一是星型，排線時以站級計算機為中心，借助光纖、電纜等與外圍設(shè)備相連，監(jiān)控I/O、保護(hù)設(shè)備等分散布置，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)1∶N的形式。這種模式中各單元相互獨立，維修操作相對便捷，串行通信較為簡單，但缺點是接線復(fù)雜，施工成本相對較高。其二是環(huán)型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中不同IED采用兩兩相連方式，最終組成一個閉合的環(huán)狀，只有相鄰兩節(jié)點可以進(jìn)行通信共享，當(dāng)某段線路、某個單元發(fā)生故障時，并不會危害整個系統(tǒng)，但中繼器故障時，會面臨較高的系統(tǒng)癱瘓風(fēng)險，故障診斷也相對困難，擴(kuò)展性不容樂觀。其三是總線型結(jié)構(gòu)，在局域網(wǎng)中，該結(jié)構(gòu)屬于最為常見的形式，站級計算機主要經(jīng)由共享通道與IED相連，每個單元均有獨立地址，整體連通性好，通信費用低。結(jié)合地鐵運行實況，以及各線路結(jié)構(gòu)優(yōu)勢特征，該文選擇了復(fù)合型拓?fù)浼軜?gòu)，整體為總線形式，部分線路采用星型結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)可靠性、擴(kuò)展性均有所提升。

3 基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能通信單元系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 微處理器選擇

嵌入式微處理器（MPU）綜合功能強大，可以簡單將之視為小型CPU，主要采用集成化設(shè)計思路，對寄存器、指令集等進(jìn)行整合，借助MPU，系統(tǒng)能夠輕松完成執(zhí)行、運算工作，智能化特征明顯。當(dāng)前MPU技術(shù)發(fā)展主要聚焦于核設(shè)計層面，主流的有以下幾種：

（1）MIPS，共有32位、64位兩種選擇，最新產(chǎn)品R8000功能十分強大，在工業(yè)控制等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

（2）Power PC，其架構(gòu)可伸縮性較好，整體靈活性高，高端工作站、服務(wù)器中均有其身影。

（3）X86，單純從嵌入式領(lǐng)域來看，8080是其首款主流產(chǎn)品，現(xiàn)階段市面上流轉(zhuǎn)的Pentium繼承了其指令集，整體兼容性較好，但會對CPU性能造成一定限制。

（4）ARM處理器，該種裝置兼具高性能、低功耗的特征，在半導(dǎo)體、整機廠商中廣受歡迎，其主要建立于RISC結(jié)構(gòu)之上，指令數(shù)目較少且長度固定，在單個周期內(nèi)即可完成任務(wù)，同時具有較強的指令處理功能，無須配備額外翻譯器，該文經(jīng)過綜合考量，最終選擇該種處理器。

3.2 電磁兼容設(shè)計

考慮地鐵運行環(huán)境特殊，設(shè)備種類數(shù)量繁多，系統(tǒng)中還進(jìn)行了必要的電磁兼容設(shè)計，可以較好地規(guī)避電磁干擾因素下系統(tǒng)性能降低的問題，從原理上講，實現(xiàn)兼容設(shè)計的思路共有3種，即消除、抑制干擾源，降低受干擾對象敏感度，以及切斷電磁耦合路徑。對于PSCADA來說，可以采用屏蔽、接地處理方式，操作時需要引用低電阻材料，制成屏蔽體并對干擾源、受干擾對象等進(jìn)行隔離，從而有效切斷耦合通道。接地環(huán)節(jié)要對總線電位進(jìn)行監(jiān)控，保證各節(jié)點一致，若有多電路公用接地線的需求時，阻抗應(yīng)當(dāng)控制在一定范圍之內(nèi)。也可以采用隔離、濾波操作方案，在PSCADA中，主要用于強、弱電線路的處理，兩者之間可以增設(shè)隔離變壓器進(jìn)行干擾調(diào)節(jié)，也可采用光電耦合器進(jìn)行優(yōu)化，其本身輸入阻抗較小，當(dāng)電路接通時，兩回路之間分布電容減小，因此可以較好地解決內(nèi)阻高、能量小的信號干擾問題[3]。

3.3 存儲器設(shè)計

存儲器系統(tǒng)設(shè)計時采用分布式思維，綜合多重因素后在內(nèi)部設(shè)置FLASH模塊，其整體操作較為簡便，能夠滿足在線升級、擦寫等需求，為提高適用性，系統(tǒng)共設(shè)置了2種不同容量的芯片，512 K元件存儲信息較為基礎(chǔ)，包含啟動參數(shù)、配置參數(shù)等，如IP地址、主機名等均在其處理范圍之內(nèi);1 M元件則主要面向應(yīng)用程序，系統(tǒng)芯片內(nèi)部還安裝了8 K的緩存空間，提升存儲系統(tǒng)的可靠性。在此基礎(chǔ)上增加了一個容量為8 M的SDRAM，額定電壓為3.3 V，地址線為16位，直接通過接口與系統(tǒng)芯片相連，無須額外增設(shè)控制器，主要功能在于存放運行程序、數(shù)據(jù)等信息，當(dāng)系統(tǒng)正式進(jìn)入運行階段之后，512 K FLASH率先工作，運行啟動代碼，并將操作系統(tǒng)復(fù)制到SDRAM中，為后續(xù)事務(wù)處理奠定基礎(chǔ)。

4 基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能通信單元的軟件設(shè)計

4.1 實時多任務(wù)操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)在計算機、信息技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)過了多年的發(fā)展與完善，與各種新興技術(shù)融合、優(yōu)化，當(dāng)前還衍生出了實時多任務(wù)操作方向。傳統(tǒng)模式中，一個單片機所面對的任務(wù)數(shù)量較少，在主循環(huán)中心下，配個多個順序調(diào)用模塊就可完成指令，但當(dāng)前地鐵本身數(shù)據(jù)通信量極大，單片機技術(shù)也獲得了一定發(fā)展，多任務(wù)操作趨勢已經(jīng)愈發(fā)明朗。在硬件滿足需求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)關(guān)注PSCADA軟件設(shè)計問題，其在實際運行中需要同時控制多個IED，若仍舊沿用原有操作方式，很容易產(chǎn)生處理時間過程、響應(yīng)中斷等問題，導(dǎo)致變電所運行穩(wěn)定性下降。當(dāng)前較為可行的軟件設(shè)計方案主要有pSOSystem、VxWorks、嵌入式Linux等，它們在兼容性、靈活上各有優(yōu)勢，該文設(shè)計中主要引入μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，其源代碼開放，用戶可以較為直觀地查看其中注釋，便捷獲取函數(shù)解釋，整體可讀性極佳;在其代碼范例的設(shè)計中，很多是以PC機80×86CPU作背景給出的，可以較為輕松地在DOS窗口中運行，掌握難度大幅下降。從實用性能上看，μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)源代碼多數(shù)為C語言，所用匯編語言占比極少，整體體積也并不算大，能夠較好地滿足現(xiàn)實移植需求[4]。

4.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計

在國家最新發(fā)布的變電站通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中，明確強調(diào)了IEC 61850系列指標(biāo)的關(guān)鍵地位，主要解決IED系統(tǒng)通信需求，能夠顯著提升變電所可靠性，降低工程投資，同時也能夠較好地應(yīng)對傳統(tǒng)電磁式互感器中，磁飽和等不良問題，對于控制電纜引起的信號干擾情況，也有著較強的應(yīng)對能力，是當(dāng)前電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向之一。當(dāng)前PSCADA系統(tǒng)對IEC 61850系列的應(yīng)用主要有3種形式，分別以站控層、傳統(tǒng)互感器以及全信息交換單元為依托進(jìn)行設(shè)計，閉鎖聯(lián)跳等信息主要采用GOOSE服務(wù)，以簡單網(wǎng)絡(luò)取代硬接線，降低工程造價，對于35 kV/10 kV電壓等級變電所，采用單星型架構(gòu)，信息傳輸可采用GOOSE報文形式，或者M(jìn)MS報文形式。

5 PSCADA系統(tǒng)施工安全要求

PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，安裝施工環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)采用全過程管理思維，施工前要做好圖紙審核、技術(shù)交底工作，提升各專業(yè)協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌程度，同時核對檢查施工裝置器械，確保起重力矩限制器、吊鉤起升高度限位器等狀態(tài)良好，檢查支腿是否全部伸開，路基板或墊木是否墊實，以及電腦監(jiān)控器、報警系統(tǒng)能否滿足安全施工需求，盡可能減少交叉作業(yè)頻率。施工過程中也要筑牢安全意識，起重機行駛、工作的地面應(yīng)當(dāng)足夠平整，防止地面沉陷、傾斜等造成安全事故，設(shè)備行走過程中要遠(yuǎn)離溝渠，與基坑等構(gòu)造隔開一定距離。例行保養(yǎng)環(huán)節(jié)，要提前開啟起重機主離合器，將操縱桿掛在空擋位置，隨后檢查發(fā)動機傳動、自動部分，確保儀器、鋼絲繩等外觀良好，支腿要全部伸出，撐腳板下方墊上方木，提升機體平衡度，無負(fù)荷狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)支承與地面的夾角不能超過1/1 000，并且插好支腿定位銷。施工作業(yè)時如發(fā)現(xiàn)起重機傾斜，或者支腿變形等異常狀況，則要立即放下重物，待到調(diào)整正常后繼續(xù)施工。吊裝完畢后要及時進(jìn)行驗收管理，廣泛收集檔案資料，總結(jié)不足與優(yōu)勢，為下次施工作業(yè)積累經(jīng)驗。

6 結(jié)論

綜上所述，PSCADA系統(tǒng)是城市交通系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其運行效率、質(zhì)量直接關(guān)系著出行安全性和體驗度，必須從實踐角度出發(fā)，對其實時性、兼容性等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。操作時要提前明確整體架構(gòu)，做好功能、物理層劃分，選擇綜合性能較好的微處理器，采用分布式思維進(jìn)行存儲器設(shè)計，關(guān)注通信接口、電源、復(fù)位模塊等的安排，同時引入μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)、IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)完善軟件設(shè)計，全面提升PSCADA系統(tǒng)穩(wěn)定性與適用性。

參考文獻(xiàn)

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[4]徐欽煒， 賴沛鑫， 陸學(xué)文. 新一代地鐵變電所PSCADA系統(tǒng)組網(wǎng)方案探討[J]. 現(xiàn)代信息科技， 2019（7）： 56-58.

收稿日期：2022-02-17

作者簡介：陳興亮（1973—），男，本科，工程碩士，工程師，從事軌道交通電力技術(shù)工作。