Discussion on SCADA System Construction Technology in High-speed Railway.doc

关于高速铁路综合scada系统施工工艺的探讨张红生，葛莲(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州，730070)discussion on scada system construction technology in high-speed railwayzhang hongsheng, ge lian(automation and electrical engineering college ,lanzhou jiaotong university, lanzhou, 730070)摘 要：本文对高速铁路综合scada施工范围进行了简单介绍，给出了设备选型原则，在此基础上阐述了设备的主要技术标准，并详细介绍了综合scada施工的工艺工法。为了保证系统安全、可靠地集中监控，在综合scada施工完成后，进行子系统试验和调试。总结了scada系统调度端运行中的常见故障及其处理方法，为以后高速铁路综合scada施工提供一定的借鉴。关键词：高速铁路；scada系统；施工工艺；调试abstract：in this article, the construction area of scada system in high-speed railway is introduced briefly, and the principle of equipment selection is given. on the basis, the equipment main technical standards are expounded, and the construction process technology of the scada system are detailed recommended detailedly. in order to ensure the system safe, reliable and centralized monitoring, after the completion of scada system construction, the subsystem test and debugging are carried out. the common failure and the treatment in the running of the scheduling side of the scada system are summarized, and the reference for the future scada system construction in high-speed railway is provided.key words: high-speed railway; scada system; construction technology; debugging中图分类号u284.2 文献标识码 a 引言目前，大规模地进行铁路建设和改造工程，随着京沪、武广和郑西等高速客运专线的开通，更标识着我国进入了高速铁路时代。在此进程中，几乎所有的牵引变电所都采用scada系统,综合scada系统也成为了电力部门和铁路部门关注的焦点。在保证电气化铁路的安全可靠供电、提高铁路运输的调度管理水平等方面，综合scada系统起到了很大的作用。1 施工范围和设备选型原则1.1 施工范围通常高速铁路在全线的综合调度中心设置1套scada系统，经由沿线牵引变电所、分区所、at所、接触网开关站、电力配电所、电力变电站、通信中继站、通信区间站、信号列控设备各被控站，实现对全线的牵引供电、电力、通信、信号设施进行集中监视和控制。1.2 设备选型原则高速铁路scada系统的性能取决于系统软硬件的水平及匹配性，因此该系统软硬件的选型应该考虑以下几方面原则：（1）选用具有安全可靠性高、运行成熟、技术先进、符合中国铁路运行管理模式及特点、具有较高的柔软适应性、实时性高、可维护性高、可扩展能力强、标准化程度高的系统；（2）系统软硬件结构设计基于ras技术，采用模块化设计。1.3系统主设备选型技术原则在考虑主机平台时，一方面从业务需求入手，要求平台能够稳定高效的运行现有业务；另一方面也要能够满足发展趋势所带来的新需求。并应特别关注平衡的系统整体性能和抗高负载能力这两个方面，以便能适应高铁调度业务量发展和调度系统极限运行的需求。（1）要求主机平台有强大而平衡的处理能力；（2）要求主机平台有完整的高可用解决方案；（3）主机提供商具有完善的服务体系；（4）要求主机平台有丰富的扩展方式；（5）要求主机平台有完善，方便的管理技术；（6）要求主机平台提供可靠的安全策略；（7）要求主机平台是能够长久发展的主流机种；（8）开放性和先进性；（9）可靠性，可用性和可维护性；（10）可扩展性好；（11）安全性；（12）“需求驱动”和投资保护2 设备的主要技术标准2.1 scada系统主要技术标准通常要求，遥控命令传送时间、遥信变位传送时间、画面调用响应时间、重要模拟量传送时间、动态显示画面刷新时间、事件顺序记录分辩率(站内)、系统服务器主备切换时间要在一定的时限之内。遥控正确率(不允许误动)、遥信正确率和调度端系统可利用率要在一定数值上，一般都是设置为99.8%或99.9%。交流采样模拟量遥测综合误差通常都应不大于0.5%，而直流采样模拟量遥测综合误差应不大于1.5%。平均无故障工作时间（调度端系统）通常应大于100000小时才能满足要求。cpu平均负荷率和网络平均负荷率都应不大于30%。2.2 综合调度中心设备对于综合调度中心设备，如计算机网络，通常针对其接口类型、传输速率以及传输方式进行相应的要求限制，而ups电源，通常要求其是在线式，且容量不低于一定数值。此外，数据库服务器、磁盘阵列、操作员工作站、系统维护工作站和通信前置机，也有相应的具体要求。2.3 被控端设备（1）电源对电源模板支持交流、直流输入以及标配容量下装置功耗有一定标准的要求；电源输入应具备欠压告警、过流、过压及emc保护功能，电源输出应具备短路保护及过载保护功能，故障消失后能自动恢复。（2）通信接口以太网通常选用不少于2个10m/100m以太网接口，光/电可选配，既可配置为点对点的接口，也可配置为环形以太网接口；rs-232应不少于2个，且can或rs-485应不少于2个。（3）通信规约装置支持iec60870-5-104和iec60870-5-10远动通信协议，以及装置支持iec60870-5-103和modbus-rtu现场通信协议。（4）装置标准配置容量对于电力远动箱变，通常要求装置监控容量为遥信96路、遥控48路、遥测64路，且所有高低压回路均需具备故障录波功能。对于每面变电所低压柜，通常要求装置监控容量为监控低压回路数9路，而每个低压回路中遥信4路、遥控2路、遥测3相低压回路电压、电流，且所有低压回路均需具备故障录波功能。（5）遥信、遥控和遥测指标遥信指标对遥信滤波、低功耗、站内遥信soe分辨率以及遥信隔离电压都有具体数值的要求，而开关的位置信号通常采用双点遥信。遥控指标工作方式通常为脉冲开关量输出方式，脉冲宽度可整定；输出节点容量通常为8a/240vac或5a/30vdc。遥测指标对输入电流额定值、每路电流回路功耗、输入电压额定值、每路电压回路功耗、输入量频率范围以及精度都有具体数值的要求。此外输入方式常采用互感器隔离方式，2500v隔离电压，且允许连续过量输入，如电压标称使用范围上限的150、电流标称使用范围上限的200。（6）电磁兼容对抗高频干扰、抗电快速瞬变脉冲群干扰影响、抗静电放电干扰影响、抗工频磁场干扰影响、抗辐射电磁场干扰影响、抗浪涌干扰影响和抗电源电压突降和中断干扰影响，按照国家技术标准进行施工。（7）三防工艺rtu电路模板需采取防蚀、防尘、防潮的三防处理措施；机箱外壳通常采用防腐蚀的铝合金或不锈钢材质，而螺钉等紧固件需采用不锈钢材质。除上述7个方面，系统对设备的故障录波、绝缘性能、结构、外观以及机械性能等也有相应的要求，在此不再一一详细叙述。3 工艺工法3.1 控制中心设备安装施工前，需将计算机、服务器、打印机、网络设备和线缆运输到施工现场，并配齐施工工具，施工图应已到位。按照施工图纸设备布置将计算机、服务器、打印机及网络设备安放到控制室和机械室的指定位置并固定好，完成控制室和机械室的设备安装。进行通信电缆敷设时，根据图纸上的编号将双绞线进行编号并贴标签进行标识，装上水晶头并测试所有双绞线的导通性，确保通信状况良好后安装到对应的电缆槽或电缆保护管。再根据施工图纸上的编号将双绞线按着将控制中心已安装好的计算机、服务器、网络设备连接起来，完成组网工作。在施工时需要注意安装、运输过程中要注意不要损坏线缆，在scada监理的监督下才可以执行该工程，安装过程中要注意施工人员的人身安全，防止类似触电事故对人员造成的伤害，以及设备在安装、运输过程中要轻拿轻放，注意不要对设备造成损害。3.2 被控站设备安装施工前，需将rtu机柜和线缆运输到施工现场，并配齐施工工具，施工图应已到位。（1）牵引变电所亭施工进行通信电缆敷设时，牵引所亭内内电缆分为控制室内rtu与箱式开关站内ftu间光纤，控制室内rtu与牵引供电综自系统间双绞线，控制室内rtu与通信机械室内sdh间双绞线，在施工过程中需根据通信单元的不同，各站系统配置方案图及施工图将电缆分清，首先应用otdr测试仪测试光纤的导通性，用双绞线测试仪测试双绞线的导通性，然后做好标识。进行电源线敷设时，在牵引所内控制室内的rtu从室内交、直流屏分别获取一路ac230v，两路dc110v电源，首先将标识好电缆，然后根据施工图将对应的电源线敷设到相应的电缆支架上并固定好，将电缆引至rtu及交、直流屏。再根据安装图上的安装位置将rtu机柜投到指定位置，固定到地板上，将通信电缆敷、电源线、接地电缆引入机柜线槽内，根据施工图将电缆引到对应的端子排或端口，完成rtu机柜的安装。最后根据标识将电缆连接到机柜内对应的端子排，实现线缆连接。（2）箱式变电站施工进行通信电缆敷设时，箱变内分为rtu与ftu间光纤，rtu与信号集装箱或无线基站内sdh间双绞线，在敷设时首先应用otdr测试仪测试光缆的导通性，用双绞线测试仪测试双绞线的导通性，然后做好标识。进行电源线敷设时，箱变内的rtu从信号集装箱或无线基站内交流切换箱获取一路ac230v电源，首先标识电缆，然后根据施工图将对应的电源线敷设到相应的箱变与信号集装箱或无线基站间的电缆管，将电源线固定于细铁丝上进行穿管作业，将电缆引至rtu及交流切换箱。再根据电缆的标识，将接地线按照施工图的线缆路径敷设好，一端引到接地端子，一端引至rtu机柜位置，完成接地电缆敷设工作。然后根据安装图上的安装位置将rtu机柜底座安装到指定位置，固定到地板上后将上部机柜安装到机柜底座上并固定好连接螺栓，将通信电缆敷、电源线、接地电缆引入机柜内，根据施工图将电缆引到对应的端子排，实现rtu机柜的安装。最后根据标识将电缆连接到对应的端子排，实现线缆连接。（3）配电所施工进行通信电缆敷设时，配电所分为控制室内rtu与综自系统间双绞线，rtu与sdh间双绞线，在敷设时首先应用otdr测试仪测试光缆的导通性，用双绞线测试仪测试双绞线的导通性，然后做好标识。在下出线的情况下，通常利用所内的电缆沟或既有钢管进行电缆敷设，电缆沟的双绞线需要穿管保护，在需要穿管的地方，可参考箱变施工方法；在上出线的情况下，通常利用所内的电力专业电缆支架，线缆在支架上固定时，水平方向每50厘米进行固定，垂直方向每30厘米进行固定。进行电源线敷设时，控制室内的rtu从室内交流切换箱分别获取两路ac230v，首先标识电缆，然后根据施工图将对应的电源线敷设到相应的电缆沟或电缆管槽，将电缆引至rtu及交流切换箱。再根据安装图上的安装位置将rtu机柜安放到指定位置，固定到地板上，将通信电缆敷、电源线、接地电缆引入机柜内，根据施工图将电缆引到对应的端子排，实现rtu机柜的安装。最后根据标识将电缆连接到对应的端子排，实现线缆连接。施工时的注意事项与控制中心设备安装时一致。（4）接触网开关控制站光缆的敷设路由工程光缆敷设前首先要对光缆经过的路由做认真勘查，了解当地道路建设和规划。路由确定后，对其长度做实际测量，通常精确到50m之内。为了使光缆在发生断裂时再接续，应在每百米处留有一定裕量，裕量长度一般为5%10%。此外，两根光纤接头处最好安设在地势平坦、地质稳固的地点，避开水塘、河流、沟渠及道路，最好设在电杆或管道出口处。光缆敷设通常新建管道内光缆均采用硬塑料管保护，塑料管一次布放的长度以方便光缆穿放为原则。光缆弯曲半径应不小于光缆外径的10倍，施工过程中不小于20倍。布放光缆的牵引力应不超过光缆允许的张力80，瞬时最大牵引力不得超过光缆允许张力的100，牵引力应加在光缆的加强件(芯)上。布放光缆必须严密组织并有专人指挥，牵引过程中应有良好联络手段。光缆放置在规定的托架上，并应留适当余量，避免光缆绷的太紧。接头所在人(手)孔内的光缆预留后应符合设计要求。光缆的接续及安装一般规定，光缆接续内容包括光缆接续、护层和力口强芯的连接、接头损耗的测量、接头盒的封装以及接头保护的安装。光缆接续前，应核对光缆程式和接头位置并根据接头预留长度的要求留足光缆。按光缆端别核对光纤并编号作永久性标志。光纤接续环境必须整洁，应在工作车内或有遮盖物的环境中操作，严禁露天作业。光纤接续应连续作业，以确保接续质量。采取措施，不得让光缆受潮。光缆接续时，需要进行的工作为将热保护套管穿入需熔接的光纤，去除光纤被覆，清洁裸光纤、切断并放置光纤，光纤熔接机自动熔接，注意检查熔接结果、推定熔接损耗，并酌情进行加热补强，最后取出熔接和加强完毕的光纤。4 子系统调试和联调联试高铁的scada系统的典型通道结构图如图1所示。图1高铁scada系统的典型通道结构图1中，牵引变电所（10kv电力配电所）作为通信主干道分支而来的网络节点，通过两个冗余互备的交换机与调度所进行通信。而区间的at分区所及at所（箱式变电站）的远动通信装置通过光纤串起来之后经牵引变电所（10kv配电所）与调度所进行数据传输。两个相邻的牵引变电所（10kv配电所）与区间的at分区所及at所（箱式变电站）则自组一个子通信环网，该网络结构为双环自愈性网络，它既有将所有所亭（箱式变电站）连接起来的短光纤，也有两个相邻牵引变电所（10kv配电所）直连的长光纤。这样，如果子网中出现断点，则这两个通信光路就可以自动切换，隔离掉故障点，保证scada系统的正常通信，从而也为通信专业提供了较为充足的查修时间。4.1 子系统调试（1）安装试验安装试验是在所有安装工作完成后进行的一项检查工作，主要内容有：各rtu机柜安装位置是否正确，固定是否牢靠；线缆是否有损坏；金属电缆支架可电缆保护管是否可靠接地；通信电缆与电源线之间距离是否满足设计要求等。（2）单体测试在安装试验完成后方可进行单体测试，测试需要在各被控站完成。在进行单体测试前，需进行vicos p500系统与ftu、电力综自系统、牵引变电站控系统间的通信规约的模拟调试，以保证在进行单体测试时scada系统与各系统间的通信正常。在单体测试过程中，将装有p500系统的笔记本电脑通过双绞线接入到rtu的交换机上，在建立起连接后，依据各电力或牵引变电专业提供的i/o点表，按点的类型进行测试。（3）系统调试系统调试是在安装试验和单体测试全部通过之后进行的系统整体检查工作，包括被控站试验、控制中心试验、与时钟接口试验、与视频监控接口试验、与其它接口试验这五部分。被控站试验是对变电所、开闭所、自耦所、变配电所、箱变和环网柜进行遥信、遥测和遥控进行。控制中心试验的试验内容包括图形显示、程控、通道、统计功能和用户权限等。4.2 联调联试（1）前期准备scada系统联合调试前，应具备控制站至各被控站或远动终端间的远动通道满足设计要求并提供使用、控制站至各被控站间的电调电话应交付使用并畅通、必须为控制站提供可靠电源、牵引供电及电力供电设备的安装和调试已完毕，以及网络节点ip地址和被控制站信息点表应按照设计要求进行分配这五个条件，并对远动专用通道、供电调度中心等进行相应的测试和校验。（2）供电调度系统联调供电调度联调应根据设计确定的信息点表，分别对每个牵引变电所（分区所、自耦所、开闭所以及上网开关、车站开关、站厂开关）、电力变配电所（含箱式变）进行遥控、遥信、遥测和遥调功能试验。对设有间隔层保护定值预置和整定组切换功能的远动系统，应试验其与综合自动化定值修改功能的权限应符合设计规定，并核对各所间隔层保护整定组及整定值与设计提供的运行方式定值应一致。此外，检查确认牵引供电故障点标定系统信息，应符合设计要求；确认系统的主/备机切换、主/备通道切换，以及其他外设的主/备切换的切换功能正常。5 scada系统调度端运行中常见故障及处理调度系统中可以反映出调度系统本身设备的的运行状态，被控站系统设备（rtu或综合自动化系统）的运行状态，通道设备的运行状态及所监视的变电设备的运行状态。5.1 调度端设备显示信息及分析显示调度系统设备的运行状态，可以查询调度设备的启动/停止记录，调度设备中的ups停电时还可通过网络信使通知各网络节点工作站，提示ups电池所能供电的时间，以便调度人员及时做好处理。5.2 被控站设备运行情况监视及分析scada系统被控站一般由传统rtu或综合自动化系统组成。rtu可以通过板级，自检命令测试被控站各模板对变电所综合自动化系统可以通过对其各保护测控单元的状态监视其工作状态。5.3 通道故障监视及分析在调度员工作站由形象的动态通道监视图标，调度员在完成遥控操作时也可以先确认通道的正常，也可以通过对某一被控站的实验对象进行控制测试通道（及测控模块）。通道故障也可通过一些调度命令的提示进行判断。如在控制操作时的超时提示，在调度端发控制命令时，如果在指定时间内得不到回复，则本次操作取消并提示超时。5.4 牵引供电设备故障监视及分析牵引供电设备的故障信息是通过非位置遥信的上送，常规rtu，判定跳闸的方法是调度软件根据上送的故障信息，开关变位信息及时间，判定是否是故障跳闸，如是，则在调度员工作站上给出跳闸提示并进行事件记录，如果rtu有故测报文上送，则提示短路电流，短路阻抗及公里标。变电所综合自动化系统，除上述调度端判别故障外，变电所也同时上送故障报告，提示跳闸信息，重合信息，故障点标定信息。调度端弹出窗口提示故障报告，并给出音响报警。画面跳闸对象闪烁。被控站采用综合自动化后，跳闸时将会产生大量的报警信息（可多达上百条），为了加速事故分析及处理