城市轨道交通线网级云平台电力监控系统研究

葛 淼，刘 琴，俞 铭，蔡一磊

(国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210000)

城市轨道交通电力监控系统作为地铁专业的重要子系统之一，对全线供电系统进行实时监控，对所属范围内的电力设施实行远程监控，在遇到紧急情况时，能够快速实现故障定位和维护协调调度[1-3]。

随着城市化进程的不断深入，我国城市轨道交通迎来了网络化建设和运营的跨越式发展阶段，轨道交通供电系统也向网络化方向发展。单线电力监控模式已经无法满足线网供电系统的操作需求，在支援供电、故障快速恢复供电、供电系统优化调度方面，单条线路电力监控系统缺乏对整个供电系统的掌控，在全面调度决策上存在一定难度。另外，随着云计算、物联网、大数据、人工智能等技术的快速更迭，云架构具备提高系统可靠性，快速扩展，提供数据集中共享，快速响应业务需求的优势，城市轨道交通线网级监控系统平台的“云化”必将成为下一代监控系统的发展方向。

线网电力监控系统采用云平台对全线服务器、存储设备、交换机等硬件资源进行集中式部署，相较传统方案具有以下优势：

1.1 线网集中部署，统一运营管理

通过建立线网级的运营管理平台，设立统一的电调机构，可以对所辖范围内线路的供电系统进行统一的协调调度和管理，解决了控制责权不清的问题。在多重故障发生的情况下，能够从线网层面下达调度决策，可以同时操作多条线路的供电系统，也便于快速解决问题，保证供电系统正常运行。

1.2 转变IT架构管理，提高灵活度和服务器的利用率

传统线路级电力监控系统的服务器CPU和内存配置很高，实际利用率很低，造成资源浪费严重，工程建设成本较高[4]，相对而言，也不利于后期的维护和管理，灵活性较低，后期的改造升级存在一定的难度。

1.3 提高电力监控系统可靠性

在应用层采用了综合监控系统的主备冗余机制，具备虚拟化技术的高级功能，如动态热迁移、负载均衡策略、主机HA等。应用虚拟技术借助丰富的云平台资源，减少了由于硬件故障导致的损失，保证了安全可靠性，保障系统稳定运行。

线网级云平台电力监控系统逻辑上可以分为云平台运维管理和线网电力监控平台。根据数据传输可以将线网级云平台电力监控的软件架构细分为：数据接口层、数据加工层、管理功能组件、业务应用层、访问层。系统的软件架构设计如图1所示。

图1 城市轨道交通线网级云平台电力监控系统软件架构

图2 城市轨道交通线网级云平台电力监控系统功能

2.1 数据接口层

线网级电力监控系统需要处理来自多条线路级电力监控系统的数据，线路级的电力监控系统可以对各主变电所、牵引降压混合站、降压站等变电设备进行分布式遥信、遥测、遥控。通过通信网络规约将现场就地级设备采集的数据传送到线路级控制中心。通过图形化界面，调度人员可以更直观、更清晰地看到电力设施实时情况，便于分析处理。

2.2 数据转发层

从多条线路级电力监控中心到线网级电力监控中心，需要将多个线路级的采集数据(包含遥测/遥信)上传至线网中心，同时，还需要将控制命令(包括单控/程控)从线网中心下发到线路中心。包含定值管理、故障录波和故障报告等功能在内的电力监控系统拓展功能也需要实现线路到线网级的数据转发。

2.3 管理功能组件

通过该部分提供的各类组件对待收集或已收集的数据进行有针对性的管理，包括历史数据管理、数据定向采集、数据利用权限管理、计算服务(通过数学建模训练视频或图像数据进行预测分析以及生成辅助决策)、系统操作模式的切换、数据的存储服务(数据的存储保存周期)。数据管理功能组件对整个系统的功能起到承上启下的连接作用。

2.4 业务应用层

业务应用层主要针对线网级电力监控系统为业主提供的应用功能需求展开分析，主要包括画面显示、拓扑着色、事故推画面、趋势浏览、程控功能、实时/历史SOE功能、统计报表、操作记录、定值和故障管理功能。

2.5 访问层

基于业务应用层开发实现的应用功能，访问层可以通过线网级电力监控系统的显示大屏分模块实时查看各条线路上电力监控专业的运行状态。

城市轨道交通线网级云平台电力监控系统功能包含线网中心平台管理功能、线网电力监控业务功能、线网级/线路级电力监控接口功能、权限移交功能、兼容云平台部署运行功能(见图2)。

3.1 线网中心平台管理功能

高性能实时数据库平台：系统高性能实时数据库平台，为各个子功能模块提供强大的数据支撑。组态配置功能：提供线网级电力监控系统的数据点、图元、对话框、画面、报警等数据库模型和业务对象的组态配置功能。画面显示模块：提供包含多条线路的线路接触网图、牵引供电一次图、35 kV主接线图、27.5 kV主接线图、光字屏/遥测图等多种画面显示功能。调度运行管理模块：支持用户权限、角色、责任区管理功能，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性。历史存储模块：支持历史数据、历史报警的存储及管理功能。报警管理模块：支持按等级划分的报警触发机制，支持声光模式显示报警，可提供历史报警查询功能。计算和统计功能：系统具备计算和统计功能，支持计算、统计、检索以及考核等操作。用户及权限管理功能：系统具备用户管理、用户权限管理等功能，可为不同用户提供不同的权限，分配不同的责任区。

3.2 线网电力监控业务功能

遥信功能：可以实时采集现场设备，如各种断路器、隔离开关等的合/分状态等数据，具体变位描述支持根据用户需求定义。遥测功能：支持实时采集现场设备的模拟量，将测量对象的电压、电流、功率因数等电参量信号上传至线网级监控后台。遥控功能：选择需要控制的车站、开关、合/分闸等进行控制操作，并在确认后执行。控制和调节对象包括但不限于：断路器、电动隔离开关、保护定值、保护动作信号的远方复归、自动装置、无功补偿装置等。程控功能：将多个遥控命令按既定的顺序组合在一起，保存在一张程控卡片中。在卡片执行时根据卡片的内容逐一下发控制命令。拓扑着色功能：根据设备的连接状态和开合状态，动态地进行网络拓扑计算，确定设备和线路的带电状态，并用不同的颜色进行区分显示，帮助电调人员进行监视和分析。事故推画面功能：在收到事故或保护动作信号变位时，系统可以通过显著的方式提示用户具体的事故站名，可自动推出相应事故信号对应的画面。

实时SOE功能：实时SOE事件顺序记录，可以显示遥信变位动作的先后顺序及准确时间，用于记录分辨事件发生的先后顺序。历史SOE功能：历史SOE事件查询功能，可以根据时间、线路等条件查询遥信变位动作的先后顺序及准确时间。

统计报表功能：可以利用各种实时数据和报表组态工具对数据进行选择、组合、累积、统计等加工处理，生成各种报表，报表可以由用户自由设定以定期(日、月或年)、定时(每日指定的时间)或召唤(用户指定的时间范围)方式打印或以文件方式存储。电力巡检报表功能：定期对设备运行状态采集并生成巡检报表，以供调度人员进行查阅。操作记录功能：主要是对所有用户的各种操作、开关变位等信息进行记录，包含有具体的时间和位置信息，也支持根据用户需求定制。

定值管理功能：具备定值区、定值召取修改的功能。故障录波功能：当供电系统发生故障时，保护装置自动启动保护功能，在开关设备事故跳闸的同时，保护装置自动进行故障录波，具备录波目录和文件召取、录波曲线显示功能。故障报告功能：系统具备故障报告目录及文件召取和显示功能。培训仿真功能：系统提供电力监控培训仿真功能，便于电调人员快速学习系统操作，掌握相关操作，从而提升故障分析和处理的业务水平，更好地做好调度工作。

3.3 线网级/线路级电力监控接口功能

系统具备线网级/线路级电力监控接口功能。线网级/线路级电力监控通信接口主要完成线网级和线路级接口通信数据的生成和解析，使用指定格式传送报文。通信接口主要包含：线网级通信接口、线路级通信接口和设备通信接口。

3.3.1 线网级通信接口

线网级通信接口作为全网的控制中心，只存在于线网中心，保持和不同线路中心与公共设备的数据通信，具备多接口通信、接收、解析报文，获取通知，读取数据，拼接和发送报文的功能，接口使用IEC60870-104规约及其扩展规约，能够根据配置实现不同扩展规约拼接和解析，也可根据要求使用MODBUS TCP实现相关控制和监视功能。

3.3.2 线路级通信接口

线路级通信接口部署在线路中心，主要负责线路级的相关服务，保持和线网中心通信接口的数据通信，具备读取数据库，拼接和发送报文、解析线网中心报文的功能，接口使用IEC60870-104规约及其扩展规约，也可根据要求使用MODBUS TCP实现相关控制和监视功能。

3.3.3 设备通信接口

设备通信接口通常作为服务端，完成线网中心或线路中心的报文接收、解析，将设备状态数据拼接成报文并发送给线网中心或线路中心接口。

3.4 权限移交功能

系统具备权限移交功能，权限移交包含权限的下放、回收和强取等功能。根据操作互斥原则，任一类操作的操作权同一时刻不能为多层同时拥有。其中，权限下放是将公共设备的处理权限由线网中心转移到相应授权的线路中心；
权限回收则是将线路管理中心的授权收回，公共设备的管理监控由线网中心处理；
权限强取是指在紧急情况下，线路中心可以获得控制权限。

3.5 兼容云平台部署运行

系统顺应城市轨道交通云化趋势，兼容云平台部署运行，由线网中心统一分配云平台计算资源。线网级电力监控系统能够在云平台安装、部署，各项功能均能够在云平台正常使用。

城市轨道交通在方便了居民生活的同时，也推动了经济发展，其安全稳定运行至关重要。城市轨道交通线网级云平台电力监控系统的实施，有助于对整个线网的电力监控系统运行情况进行实时监控，对于提高城市轨道交通安全性与可靠性有着重要作用，符合建设交通强国与智慧城市的需要。科技创新的步伐从未停歇，电力监控系统必将获得更大的技术支撑，取得更大的进步。本文对于线网及云平台电力监控的探讨可对未来城市轨道电力监控系统的研究起到一定的参考作用。