以太網(wǎng)在重慶跨座式單軌交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、    以太網(wǎng)在重慶跨座式單軌交通系統(tǒng)中的應(yīng)用             1 概況       重慶輕軌較新線(二號線)東起市中心商業(yè)繁華地帶的較場口,至西部工業(yè)中心新山村,共設(shè)18個車站,1個車輛段,全長19.06km。       重慶輕軌較新線采用跨座式單軌交通型式,軌道梁兩側(cè)安裝剛性接觸網(wǎng),接觸網(wǎng)供電電壓為直流1500V,

2、供電系統(tǒng)采用集中供電方式,設(shè)2座110kV/10kV主變電所,每座主變電所分別由城市電網(wǎng)引入兩路110kV獨立電源,經(jīng)降壓為后向牽引降壓混合變電所(10kV/1500V/0.4kV)和降壓變電所(10kV/0.4kV)供電。全線共設(shè)7座牽引降壓混合變電所、13座降壓變電所和1座配電所。       重慶輕軌較新線SCADA系統(tǒng)包括1個控制中心主站(含供電復(fù)視系統(tǒng)),完成對2個主變電所、6個牽引降壓混合變電所、9個降壓變電所、1個車輛段跟隨式變電所、1個配電所(大堰村)及全線的接觸網(wǎng)的監(jiān)控。    

3、;   SCADA系統(tǒng)除車輛段牽引降壓混合變電所、主變電所近期按有人值班設(shè)計外,其他牽引降壓混合變電所及降壓變電所均按無人值班設(shè)計。控制方式采用控制中心遠動控制、變電所內(nèi)集中控制、供配電設(shè)備本體控制三級控制方式,正常運行時采用遠動控制,當(dāng)設(shè)備檢修或故障時,采用所內(nèi)集中控制或設(shè)備本體控制,3種控制方式相互閉鎖。       2 控制中心主站系統(tǒng)       2.1 系統(tǒng)配置       控制中心主站

4、如圖1所示,系統(tǒng)硬件由雙100M以太網(wǎng)構(gòu)成局域網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備、網(wǎng)橋設(shè)備、SCADA主機、調(diào)度員工作站、工程師工作站、復(fù)視系統(tǒng)、模擬盤系統(tǒng)設(shè)備、打印服務(wù)器及打印機、UPS電源、電池柜、配電柜等設(shè)備構(gòu)成。        2.1.1 主機采用2臺基于RISC技術(shù)、字長為64位的ALPHAServerDS20E服務(wù)器,冗余配置,互為熱備用,故障時系統(tǒng)可自動切換到另一臺備用主機上。2套主機同時接收或發(fā)送網(wǎng)上數(shù)據(jù),但僅在線機具備數(shù)據(jù)流控制及管理功能。支持?jǐn)?shù)據(jù)校驗以保證2套主機有完整一致的數(shù)據(jù)庫,同時提供對雙機工作狀態(tài)的在線檢測。為保證

5、整個遠動裝置的時鐘同步,SCADA主機通過RS422接口采集控制中心的主母鐘發(fā)出的時鐘信號,進行SCADA系統(tǒng)的對時。       2.1.2 交換機及網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備采用CISCO2950-24,其主要特性:       (1)快速10BASE-T/100BASE-TX自適應(yīng)以太網(wǎng)口(RJ45);每臺設(shè)備以太網(wǎng)接口數(shù)目24。       (2)有系統(tǒng)擴展插槽,可多個交換機單元堆棧工作,也可中繼使用,提高網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點的數(shù)

6、量。       2.1.3 網(wǎng)橋設(shè)備采用Cisco2621路由器(2個100M以太網(wǎng)口1個10M以太網(wǎng)口)。該設(shè)備用于控制中心100M局域網(wǎng)與主備10M以太網(wǎng)通信通道的網(wǎng)間連接,實現(xiàn)信息的互連互通。該設(shè)備按主備方式進行設(shè)置,其主要特性有:       (1)有主備設(shè)備自動切換的功能;       (2)對應(yīng)每個網(wǎng)段的接口數(shù)不低于2個;       (3)與

7、通信系統(tǒng)設(shè)備的接口形式為10M接口(RJ45),與控制中心100M局域網(wǎng)的接口形式為RJ45接口。       2.1.4 調(diào)度員工作站為ALPHAXP1000,用于電力調(diào)度人員的日?？刂?、監(jiān)視和調(diào)度管理工作,以及系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的歸檔、統(tǒng)計、報表、檢索、維修計劃、記錄等。       2.1.5 工程師工作站裝有Windows2000系統(tǒng),用于生成、修改和管理系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫及用戶畫面,定義、修改系統(tǒng)運行參數(shù)和維護、開發(fā)系統(tǒng)程序等,工程師工作站可與任意調(diào)度員工作站互換

8、,成為調(diào)度員工作站的備用設(shè)備。其硬件配置與調(diào)度員工作站相同。       2.2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)       系統(tǒng)的主站設(shè)備設(shè)在控制中心,供電復(fù)視系統(tǒng)設(shè)備設(shè)于車輛段,變電所綜合自動化系統(tǒng)設(shè)備設(shè)于各變電所內(nèi),通過10M光纖以太網(wǎng)通信通道構(gòu)成SCADA系統(tǒng)。控制中心與各變電所內(nèi)的綜合自動化設(shè)備、供電復(fù)視系統(tǒng)設(shè)備通信方式為對等通信方式,通信協(xié)議為工業(yè)ETHERNETTCP/IP,應(yīng)用層協(xié)議采用專用工業(yè)控制協(xié)議。通過此協(xié)議SCADA系統(tǒng)能進行遠程診斷、維護和服務(wù)。  

9、;     通信通道采用光纖數(shù)字傳輸方式,網(wǎng)絡(luò)采用首尾相連接構(gòu)成的自愈環(huán)。采用光纖連接主站和被控站,能很好的解決遠距離通信問題,由于光纜具有很好的電磁兼容性,能很大程度的提高通信網(wǎng)路的抗干擾能力和可靠性,使通信能暢通。同時由于光纜具有比較大的帶寬,為以后系統(tǒng)升級,網(wǎng)絡(luò)的擴展留下了空間。對于SCADA系統(tǒng),計算機通信的主要要求是快。對網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快,在過程控制領(lǐng)域還要求響應(yīng)快,即實時性要求。這樣“快”就有3種含義。       2.2.1 傳輸速度快   &#

10、160;   指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒁?通常用波特率來衡量。這條要求與普通計算機通信是一致的。       2.2.2 響應(yīng)時間短       指突然發(fā)生意外事件時,儀表將該事件傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上或執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時間。這個時間是由4個方面決定的:       (1)儀表或執(zhí)行器控制中斷的能力;       (2)信息在通信協(xié)

11、議的應(yīng)用層與物理層之間的傳輸時間;       (3)等待網(wǎng)絡(luò)空閑的時間;       (4)避免信息在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的時間。       由于這個時間對大多數(shù)通信協(xié)議是1個隨機數(shù),因此大部分通信協(xié)議不給這個參數(shù)。過程控制系統(tǒng)通常并不要求這個時間達到最短,但它要求最大值是預(yù)先可知的,并小于一定值。       2.2.3 巡回時間短  

12、60;    指系統(tǒng)與所有通信對象都至少完成一次通信所需的時間。這個時間一般可由系統(tǒng)組態(tài)來調(diào)整。對那些單純靠優(yōu)先級解決實時性的搶先式通信系統(tǒng),當(dāng)高優(yōu)先級事件發(fā)生比較頻繁時,低優(yōu)先級事件會長時間得不到響應(yīng);對這類通信協(xié)議,巡回時間是隨機量,預(yù)先不可知。過程控制系統(tǒng)希望最長巡回時間是預(yù)先可知的,并小于一定值。       響應(yīng)時間和巡回時間反映了實時性,而實時性與通信協(xié)議有很密切的關(guān)系。重慶輕軌采用的這種以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)加上工業(yè)ETHERNETTCP/IP就能很好地滿足上述要求。   

13、    2.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成       控制中心主站系統(tǒng)軟件平臺采用安全性很高的TRU64UNIX操作系統(tǒng),Sybase數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件和國產(chǎn)OPEN2000SCADA系統(tǒng)軟件。       控制中心主站系統(tǒng)具有較強的功能,具有控制功能(包括單獨遙控、程序遙控、復(fù)歸遙控及遙控試驗功能等)、遙信處理功能(包括設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視、報警信息處理等)、遙測監(jiān)視和報表管理功能(包括遙測數(shù)據(jù)采集和處理功能、報表管理和打印功能)、人機交互功能強的畫面顯示功能、運

14、行調(diào)度管理功能(包括值班調(diào)度記錄功能等)、遠程維護功能等。       此外,系統(tǒng)還具有事故追憶功能,系統(tǒng)可以提供在一個特定事件(擾動)發(fā)生后,重新顯示事件(擾動)前后的運行情況和狀態(tài);系統(tǒng)還具有培訓(xùn)功能,系統(tǒng)可以提供和實際系統(tǒng)同樣的操作環(huán)境及操作畫面,但其操作不影響系統(tǒng)的正常運行。       3 牽引降壓混合變電所及降壓變電所綜合自動化系統(tǒng)       牽引降壓混合變電所綜合自動化系統(tǒng),既RTU,采用分層分布式模

15、塊化結(jié)構(gòu),系統(tǒng)分為3個部分:站級管理層,網(wǎng)絡(luò)通信層,間隔層。       其一個典型所牽引降壓混合變電所結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。        站級管理層設(shè)備由監(jiān)控系統(tǒng)和通信控制器組成,組柜于控制信號盤內(nèi)。監(jiān)控系統(tǒng)采用D200和D100等監(jiān)控系統(tǒng),完成站內(nèi)監(jiān)視、控制等功能;通信控制器采用C200通信控制器,完成站內(nèi)各種設(shè)備的信息采集和處理,通過通信主通道,向控制中心主站系統(tǒng)傳送相關(guān)信息。       網(wǎng)絡(luò)通信層即

16、所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)以10M以太網(wǎng)為主網(wǎng),通信介質(zhì)采用6芯多模光纜,到間隔層采用通信接口轉(zhuǎn)換器NSC301將以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換成RS-485接口。       間隔層單元按供配電設(shè)備間隔分布配置,主要分散安裝于交流10kV開關(guān)柜、直流1500V開關(guān)柜及0.4kV開關(guān)柜內(nèi),DC1500V接觸網(wǎng)上網(wǎng)電動隔離開關(guān)及0.4kV開關(guān)測控單元等采用控制信號盤上集中安裝方式。10kV進出線間隔單元采用西門子保護監(jiān)控一體化的7SD610光纖縱差保護繼電器作為10kV進出線設(shè)備的主保護和和監(jiān)控,采用西門子保護監(jiān)控一體化的7SJ62電流繼電器作為10kV進出線設(shè)備后

17、備保護,分散安裝于10kV進出線開關(guān)柜內(nèi),完成對10kV環(huán)網(wǎng)供電設(shè)備的保護、監(jiān)控和測量。10kV饋線間隔單元采用西門子保護監(jiān)控一體化的7SJ62電流繼電器作為10kV饋線設(shè)備的主保護和監(jiān)控,分散安裝于10kV饋線開關(guān)柜內(nèi),完成對10kV饋線供電設(shè)備的保護、監(jiān)控和測量。10kV母聯(lián)間隔單元采用西門子保護監(jiān)控一體化的7SJ62電流繼電器作為10kV母聯(lián)開關(guān)的主保護和監(jiān)控,采用NSP40B母聯(lián)備自投裝置作為母聯(lián)自動投切控制,分散安裝于10kV母聯(lián)開關(guān)柜內(nèi),完成對10kV母聯(lián)開關(guān)的保護、監(jiān)控、測量和自動投切。直流1500V間隔單元采用賽雪龍保護監(jiān)控一體化的SEPCOS直流保護繼電器作為直流1500V饋

18、線的主保護和監(jiān)控,分散安裝于直流1500V饋線開關(guān)柜內(nèi),完成對直流1500V饋線供電設(shè)備的保護、監(jiān)控和測量。       4 在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及解決方案       重慶輕軌SCADA系統(tǒng)在試運行過程中出現(xiàn)變電所工況頻繁投退和通信數(shù)據(jù)丟包問題。下面是原因分析以及解決方案。       4.1 變電所綜合自動化系統(tǒng)中工況經(jīng)常退出問題       變電

19、所綜合自動化系統(tǒng)(RTU)中,控制信號盤與變電所內(nèi)的各開關(guān)柜通信通過通信單元NS301,各個開關(guān)柜工況的投入,退出都可以通過SCADA系統(tǒng)后臺機控監(jiān)控。在調(diào)試的初期,經(jīng)常出現(xiàn)各個開關(guān)柜的工況退出現(xiàn)象,造成控制中心主站不能很好地完成監(jiān)控功能。工況經(jīng)常退出的設(shè)備主要是再生制動裝置,接地漏電保護裝置(64D),以及動力變壓器和整流變壓器的溫控器。SCADA系統(tǒng)與這些設(shè)備通信采用RS485接口,采用問答式通信規(guī)約,在SCADA系統(tǒng)后臺機接收到上述設(shè)備傳上來的報文,經(jīng)過200ms延時后,后臺程序發(fā)指令詢問上述設(shè)備,要求再次發(fā)送報文,當(dāng)設(shè)備沒能上傳報文時,后臺程序就每隔1s詢問1次,連續(xù)詢問3次,如果連續(xù)

20、詢問3次都沒有相應(yīng),那么后臺程序便判斷此設(shè)備工況退出。分析原因是由于200ms延時的時間對于上述各設(shè)備太短,設(shè)備內(nèi)部的程序不能及時處理系統(tǒng)后臺發(fā)送來的指令,造成工況的退出,通信的中斷。采取的辦法把200ms的間隔詢問改為500ms的間隔詢問,若設(shè)備還是沒能上傳報文時,后臺程序每隔1s詢問的次數(shù)有3次改為15次。這樣處理后,工況退出問題得到解決。       4.2 控制中心主站與變電所(RTU)之間的通信丟包率較高問題       在SCADA系統(tǒng)的遙控調(diào)試過程中,出現(xiàn)對于同

21、一個開關(guān)需要執(zhí)行幾次遙控命令才能成功的現(xiàn)象。我們分別在控制中心主站和變電所同時監(jiān)測,當(dāng)控制中心主站向變電所發(fā)送命令時,變電所有時會接收不到命令報文,也就是報文出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。為了弄清楚丟包問題出現(xiàn)在哪個環(huán)節(jié),現(xiàn)場調(diào)試人員采用了ping數(shù)據(jù)包的方法,測試在哪里丟包。首先在控制中心主站的服務(wù)器上連1臺PC機,ping通信系統(tǒng)的OTN裝置,ping了10000包數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)丟包率為0.9%。然后由主站向變電所ping數(shù)據(jù)包,也ping了10000包數(shù)據(jù),丟包率為0.85%,說明問題出現(xiàn)在主站與OTN之間的通信上。從圖1的控制中心主站系統(tǒng)配置圖看出,主站和OTN連接采用10M以太網(wǎng)連接,根據(jù)OTN軟件設(shè)置,OTN會自動把10M以太網(wǎng)設(shè)置為全波全雙工工作方式,然而OTN指示燈上顯示10M以太網(wǎng)為全波半雙工工作方式,并且沖突燈亮,OTN沒有把10M以太網(wǎng)自動設(shè)置為全波全雙工工作方式。查到原因后,OTN把10M以太網(wǎng)強制設(shè)置為全波全雙工工作方式。設(shè)置后沖突燈不亮了。再次從主站ping變電所,ping了30000包,只丟了2包數(shù)據(jù),完全符合使用要求。這樣處理后,主站與變電所之間很好的實現(xiàn)了監(jiān)控功能。