基于嵌入式网络的地铁变电所综合自动化系统设计分析

摘要 文章以地铁变电所综合自动化系统优化设计为目标，综合调用文献调查法、对比分析法等科学方法，深入剖析了PSCADA系统功能特征，梳理了系统整体架构设计，继而从微处理器、电磁兼容设计等角度出发对其硬件、软件配置进行展开阐述，在此基础上细化说明系统施工具体要求，结果证明该系统具有较为强大的数据采集、监控以及业务处理功能，可以满足地铁实际运营需求。

关键词 嵌入式网络;地铁变电所;综合自动化系统

中图分类号 U239.5 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）08-0001-03

0 前言

地铁变电所综合自动化系统PSCADA是城轨交通重要组成部分，被誉为地铁网络生命线，具有全天候、实时化的监控功能，可以面向地铁车辆段、直、交流供电系统等，开展数据采集、故障预测等操作，为地铁的平稳、安全运行提供保障。当前伴随通信科技的进步，PSCADA系统技术方案还在持续优化，采用嵌入式网络结构，可以较好地提升系统通信能力，应进行深入研究和探索。

1 地铁变电所综合自动化系统功能特征概述

PSCADA系统具有鲜明的综合化、可视化特征，可以对信号系统、机电保护装置等进行整合、集成，并借助通信技术、计算机技术等，实现数据采集、处理、呈现，为遥控、检修等工作提供依据。现阶段伴随科技体系的完善，地铁变电所中引用微机数字化装置辅助控制的现象已经相当常见，但各装置协调、统合的能力仍有较大进步空间，很多装置存在功能交叉的问题，采集信息的共享程度也相对较低，PSCADA系统的出现较好地解决了这一难题，它主要由3个层次构成：所级管理层，主要由数字、模拟I/O，显示器、控制器等组成;网络通信层，主要包含通信网络、设备接口等;间隔设备层，主要采用分散分布形式，包含采集、保护等单元。纵观现阶段各地铁线路自动化系统开发现状，分布式、智能化的特征愈发明显，系统本身与以太网、现场总线等的结合也愈发紧密，再加上地铁变电站本身结构复杂，容易受到温湿度、振动等因素的影响，在地铁建设规模持续扩大的今天，两层串行总线通信、多种现场总线并存的通信方式，以及经由Web、Lcq等实现通信的方式在实时性、经济性方面适用性明显下降，须通过以太网、光纤网络等对其进行改进、优化。

2 地铁变电所综合自动化系统整体架构设计

根据当前地铁站运行实际，采用分层分布式搭建思路，同时引入LAN技术，对所有智能装置进行连接，整体架构分为3层（见图1），其中站级管理层位于顶部，通信控制器是其核心部件，实践时可采用工业级产品，保证其处理能力、响应速度达到最佳标准。站级管理层与下层设备连接，通过LAN接收相关数据后，整合存储至数据库并远程传输至调度中心，其本身无须设置采集系统，也无须设置执行机构，可依据实际需要选择UNIX系统，或Windows系列系统，数据库选择也十分多样，主要有Oracle、Sybase等[1]，内部遵循软总线连接，开放性、交互性更有保障。

通信管理层则处于核心枢纽地位，能够在各层级、设备间建立连接，促成指令的上传下达，通信网络引用光纤以太网，同时配合双网冗余结构提升稳定性，通信速率较好，网络节点维持在64个以上。对于通信层与顶层之间的信号转换任务，主要借助S3C4510B芯片完成，其实质上是一种32位单片机，装设有嵌入式以太网控制器，配备18个I/O接口，均为可编程设计。最后是间隔设备层，其具备很好的模拟量转化功能，同时可以对设备进行测量、保护，能够在系统、设备之间建立良好联系，主要包含了分散测控装置、保护单元以及信息采集单元等，与隔离开关、排流柜等下层设备之间，均采用硬接点接入方式[2]。运行环节采用三级控制模式，在设备本体控制的基础上，结合信号盘集成控制，以及管理站远程控制，三种方式之间相互闭锁，最大限度提升安全性能。

现阶段地铁变电所网络拓扑结构设计中，常见的主要有以下几种：其一是星型，排线时以站级计算机为中心，借助光纤、电缆等与外围设备相连，监控I/O、保护设备等分散布置，整个系统呈现1∶N的形式。这种模式中各单元相互独立，维修操作相对便捷，串行通信较为简单，但缺点是接线复杂，施工成本相对较高。其二是环型结构，系统中不同IED采用两两相连方式，最终组成一个闭合的环状，只有相邻两节点可以进行通信共享，当某段线路、某个单元发生故障时，并不会危害整个系统，但中继器故障时，会面临较高的系统瘫痪风险，故障诊断也相对困难，扩展性不容乐观。其三是总线型结构，在局域网中，该结构属于最为常见的形式，站级计算机主要经由共享通道与IED相连，每个单元均有独立地址，整体连通性好，通信费用低。结合地铁运行实况，以及各线路结构优势特征，该文选择了复合型拓扑架构，整体为总线形式，部分线路采用星型结构，经过测试发现可靠性、扩展性均有所提升。

3 基于嵌入式網络智能通信单元系统的硬件设计

3.1 微处理器选择

嵌入式微处理器（MPU）综合功能强大，可以简单将之视为小型CPU，主要采用集成化设计思路，对寄存器、指令集等进行整合，借助MPU，系统能够轻松完成执行、运算工作，智能化特征明显。当前MPU技术发展主要聚焦于核设计层面，主流的有以下几种：

（1）MIPS，共有32位、64位两种选择，最新产品R8000功能十分强大，在工业控制等领域均有广泛应用。

（2）Power PC，其架构可伸缩性较好，整体灵活性高，高端工作站、服务器中均有其身影。

（3）X86，单纯从嵌入式领域来看，8080是其首款主流产品，现阶段市面上流转的Pentium继承了其指令集，整体兼容性较好，但会对CPU性能造成一定限制。

（4）ARM处理器，该种装置兼具高性能、低功耗的特征，在半导体、整机厂商中广受欢迎，其主要建立于RISC结构之上，指令数目较少且长度固定，在单个周期内即可完成任务，同时具有较强的指令处理功能，无须配备额外翻译器，该文经过综合考量，最终选择该种处理器。

3.2 电磁兼容设计

考虑地铁运行环境特殊，设备种类数量繁多，系统中还进行了必要的电磁兼容设计，可以较好地规避电磁干扰因素下系统性能降低的问题，从原理上讲，实现兼容设计的思路共有3种，即消除、抑制干扰源，降低受干扰对象敏感度，以及切断电磁耦合路径。对于PSCADA来说，可以采用屏蔽、接地处理方式，操作时需要引用低电阻材料，制成屏蔽体并对干扰源、受干扰对象等进行隔离，从而有效切断耦合通道。接地环节要对总线电位进行监控，保证各节点一致，若有多电路公用接地线的需求时，阻抗应当控制在一定范围之内。也可以采用隔离、滤波操作方案，在PSCADA中，主要用于强、弱电线路的处理，两者之间可以增设隔离变压器进行干扰调节，也可采用光电耦合器进行优化，其本身输入阻抗较小，当电路接通时，两回路之间分布电容减小，因此可以较好地解决内阻高、能量小的信号干扰问题[3]。

3.3 存储器设计

存储器系统设计时采用分布式思维，综合多重因素后在内部设置FLASH模块，其整体操作较为简便，能够满足在线升级、擦写等需求，为提高适用性，系统共设置了2种不同容量的芯片，512 K元件存储信息较为基础，包含启动参数、配置参数等，如IP地址、主机名等均在其处理范围之内;1 M元件则主要面向应用程序，系统芯片内部还安装了8 K的缓存空间，提升存储系统的可靠性。在此基础上增加了一个容量为8 M的SDRAM，额定电压为3.3 V，地址线为16位，直接通过接口与系统芯片相连，无须额外增设控制器，主要功能在于存放运行程序、数据等信息，当系统正式进入运行阶段之后，512 K FLASH率先工作，运行启动代码，并将操作系统复制到SDRAM中，为后续事务处理奠定基础。

4 基于嵌入式网络智能通信单元的软件设计

4.1 实时多任务操作系统

嵌入式操作系统在计算机、信息技术领域经过了多年的发展与完善，与各种新兴技术融合、优化，当前还衍生出了实时多任务操作方向。传统模式中，一个单片机所面对的任务数量较少，在主循环中心下，配个多个顺序调用模块就可完成指令，但当前地铁本身数据通信量极大，单片机技术也获得了一定发展，多任务操作趋势已经愈发明朗。在硬件满足需求的基础上，还应关注PSCADA软件設计问题，其在实际运行中需要同时控制多个IED，若仍旧沿用原有操作方式，很容易产生处理时间过程、响应中断等问题，导致变电所运行稳定性下降。当前较为可行的软件设计方案主要有pSOSystem、VxWorks、嵌入式Linux等，它们在兼容性、灵活上各有优势，该文设计中主要引入μC/OS-Ⅱ系统，其源代码开放，用户可以较为直观地查看其中注释，便捷获取函数解释，整体可读性极佳;在其代码范例的设计中，很多是以PC机80×86CPU作背景给出的，可以较为轻松地在DOS窗口中运行，掌握难度大幅下降。从实用性能上看，μC/OS-Ⅱ系统源代码多数为C语言，所用汇编语言占比极少，整体体积也并不算大，能够较好地满足现实移植需求[4]。

4.2 网络通信协议设计

在国家最新发布的变电站通信网络标准中，明确强调了IEC 61850系列指标的关键地位，主要解决IED系统通信需求，能够显著提升变电所可靠性，降低工程投资，同时也能够较好地应对传统电磁式互感器中，磁饱和等不良问题，对于控制电缆引起的信号干扰情况，也有着较强的应对能力，是当前电力系统转型发展的重要方向之一。当前PSCADA系统对IEC 61850系列的应用主要有3种形式，分别以站控层、传统互感器以及全信息交换单元为依托进行设计，闭锁联跳等信息主要采用GOOSE服务，以简单网络取代硬接线，降低工程造价，对于35 kV/10 kV电压等级变电所，采用单星型架构，信息传输可采用GOOSE报文形式，或者MMS报文形式。

5 PSCADA系统施工安全要求

PSCADA系统结构较为复杂，安装施工环节应当采用全过程管理思维，施工前要做好图纸审核、技术交底工作，提升各专业协调、统筹程度，同时核对检查施工装置器械，确保起重力矩限制器、吊钩起升高度限位器等状态良好，检查支腿是否全部伸开，路基板或垫木是否垫实，以及电脑监控器、报警系统能否满足安全施工需求，尽可能减少交叉作业频率。施工过程中也要筑牢安全意识，起重机行驶、工作的地面应当足够平整，防止地面沉陷、倾斜等造成安全事故，设备行走过程中要远离沟渠，与基坑等构造隔开一定距离。例行保养环节，要提前开启起重机主离合器，将操纵杆挂在空挡位置，随后检查发动机传动、自动部分，确保仪器、钢丝绳等外观良好，支腿要全部伸出，撑脚板下方垫上方木，提升机体平衡度，无负荷状态下，回转支承与地面的夹角不能超过1/1 000，并且插好支腿定位销。施工作业时如发现起重机倾斜，或者支腿变形等异常状况，则要立即放下重物，待到调整正常后继续施工。吊装完毕后要及时进行验收管理，广泛收集档案资料，总结不足与优势，为下次施工作业积累经验。

6 结论

综上所述，PSCADA系统是城市交通系统的关键组成部分，其运行效率、质量直接关系着出行安全性和体验度，必须从实践角度出发，对其实时性、兼容性等进行优化设计。操作时要提前明确整体架构，做好功能、物理层划分，选择综合性能较好的微处理器，采用分布式思维进行存储器设计，关注通信接口、电源、复位模块等的安排，同时引入μC/OS-Ⅱ系统、IEC 61850系列标准完善软件设计，全面提升PSCADA系统稳定性与适用性。

参考文献

[1]蔡一磊， 李佑文， 褚红健. 基于夏令时解决方案的PSCADA系统应用与研究[J]. 江苏科技信息， 2020（24）： 51-53.

[2]李莹， 张志学， 邹大云. 轨道交通PSCADA系统设计与应用[J]. 工业控制计算机， 2020（5）： 45-46+49.

[3]张俊强. 地铁PSCADA系统升级改造的可行性研究[J]. 中国新技术新产品， 2020（4）： 11-12.

[4]徐钦炜， 赖沛鑫， 陆学文. 新一代地铁变电所PSCADA系统组网方案探讨[J]. 现代信息科技， 2019（7）： 56-58.

收稿日期：2022-02-17

作者简介：陈兴亮（1973—），男，本科，工程硕士，工程师，从事轨道交通电力技术工作。