基于嵌入式网络的地铁变电所综合自动化系统设计分析

来源：核心期刊咨询网时间：2022-05-11 10:3012

摘要：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

　　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

　　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。

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