基于轨道交通SCADA的一键运行应急响应系统

摘要

本发明公开了一种基于轨道交通SCADA的一键运行应急响应系统，其包括：人机界面模块，是实时显示预案处理进行情况和处理结果；对外接口服务模块，负责组控服务与前端人机界面模块进行信息交互，人机界面模块发送执行应急预案的命令；控制模块中间件，是组控服务的核心，主要负责预案的控制启动、预案各子步骤控制流转、联动控制、响应外部输入命令和监控整个预案运行情况；数据库，存储应急预案，能适应系统无缝扩容和减少系统扩容后程序的修改量。本发明能够跨专业联动，提高处置效率，提高判断因素，提高了电力监控系统的自动化、智能化水平，提升了整个工地系统的抗故障能力，提高安全性能，减少操作失误。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应急响应系统，特别是涉及一种基于轨道交通SCADA的一键运行应急响应系统。

背景技术

目前我国城市轨道交通建设加快，轨道交通电力系统电网结构越发复杂，一旦电网发生严重故障后影响范围非常大。为了应对这种情况，各轨道公司纷纷制定了各种的电网故障后的应急处置预案。

所谓的电力系统故障后应急处置预案，即当故障事件发生后，如何快速切除并隔离故障区段，并组织恢复供电，以保证故障区段的人员和车辆的安全，将损失减少到最小。

以典型的双主所供电的轨道交通电网结构举例，当一主所解列退出运行后，传统的应急处置预案，处理过程为：

(1)，首先调度员检查停电范围，确认故障。判断是否启动应急处置预案；

(2)，切除倒闸范围内的400V三级负荷；

(3)，切换倒闸范围内的35kV备自投；

(4)，切换倒闸范围内的35kV定值组；

(5)，切除解列主所的进线开关，故障开关等；

(6)，投入环网联络开关等；

(7)，恢复解列主所联络开关等。

从上述应急处理预案可看出，应急预案的操作流程是非常复杂的，且往往设计到整个电网中各类设备的操作和状态的判断。常规应急预案处置存在以下问题：

一，应急预案执行时间长，处置效率低；由于应急预案往往涉及到电网系统中多个设备联动，另外应急预案还涉及到跨专业，对外发送联动信号问题等。使得传统应急预案处置流程时间往往非常长，处置效率低，耽误了故障处理的黄金时间，使得故障扩大；

二，应急预案执行过程中，需判断的前提因素多，容易误操作；故障状态发生后，电力系统将会产生大量报警信息，调度员需要处理分析这些信息后，才能开始处置应急预案，且在处理过程中又会产生大量的反馈信息，如何正确的、快速的处理大量的信息，对调度员的要求非常高，一旦处理错误，容易发生误操作事故，扩大事故影响范围；

三，无法跨专业联动；应急预案流程往往设计到多个专业，如电网故障就涉及到，行车、车站广播、乘客信息等专业。常规处置方法无法满足跨专业联动的需求。

目前应急预案处置过程中存在以上不足，因此开发一种新的针对城市轨道交通应急预案的快速启动的控制方法和技术非常必要。

专利名称“基于通用电力SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统)系统的并行控制方法”，使用轨道交通电力SCADA组控技术实现一键运行应急响应预案的方法，采用组合控制方式、使用后台服务方式、应急预案分组方法、主线程控制各并控分组子线程，并建立定时器线程、人机界面和后台服务采用通讯方式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于轨道交通SCADA的一键运行应急响应系统，其能够跨专业联动，提高处置效率，提高判断因素，提高了电力监控系统的自动化、智能化水平，提升了整个工地系统的抗故障能力，提高安全性能，减少操作失误。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于轨道交通SCADA的一键运行应急响应系统，其特征在于，其包括：

人机界面模块，是实时显示预案处理进行情况和处理结果；

对外接口服务模块，负责组控服务与前端人机界面模块进行信息交互，人机界面模块发送执行应急预案的命令，应急预案的具体内容和配置则保存在数据库服务中，数据库中预案的调用也由对外接口服务模块负责，此外，对外接口服务模块还接受人机界面的暂停、忽然、重试和终止指令，对于预案实时的执行情况，也由对外接口服务模块反馈给前端人机界面模块；

控制模块中间件，是组控服务的核心，主要负责预案的控制启动、预案各子步骤控制流转、联动控制、响应外部输入命令和监控整个预案运行情况；

数据库，存储应急预案，能适应系统无缝扩容和减少系统扩容后程序的修改量。

优选地，所述控制模块中间件和对外接口服务模块组成了组合控制服务结构。

优选地，所述控制模块中间件包括以下模块：

预案启动模块，完成一个实时扫描电网运行状态的进程，系统已根据输入的应急预案设置了对应预案的特征状态；

流程控制模块是协调应急预案中各个子步骤的控制流程；

联动控制模块解决跨专业跨系统控制命令发送的问题，该模块提供多种控制协议和控制方式；

过程监控模块负责整个组合控制服务流程的运行情况的监控，将数据反馈给对外接口服务，另外也实时对预案处置情况进行评价，此外该模块还负责应急预案的紧急停止，和预案暂停运行时的状态保存和进程、线程挂起的功能，预案继续执行后，也由该模块服务从断点处继续执行预案。

优选地，所述预案启动模块分为手动启动和自动启动。

优选地，所述流程控制模块在整个控制流程执行过程中，主要解决以下三点核心的问题：各个子步骤运行顺序的问题；前序步骤未执行成功，后续步骤如何执行的问题；非关键步骤影响关键步骤的控。

优选地，所述流程控制模块包括以下三种情况：系统正常运行；组控分步子线程发生故障；组控服务暂停。

优选地，所述系统正常运行包括以下执行步骤：

步骤一，后台服务发出执行需求，系统建立组控执行主线程，该线程根据数据库内该预案的子步骤数，分别建立控制子线程，同时建立一个定时器子线程和一个消息队列，定时器负责各组控子线程同步和计时，消息队列负责子线程之间通讯；

步骤二，组控执行主线程创建共享内存区，为每一个组控分组子线程分配三个状态字段和一个指令字段；

步骤三，把各组控子步骤分为以下三种类型：

三十，通过原电力程控卡片实现的步骤；

三十一，不通过原电力程控卡片实现的步骤；

三十二，联动其他专业或系统的步骤；

步骤四，通过各个组控子线程判断执行顺序的优先级；

步骤五，确定各组控分组子线程是否独立运行的；

步骤六，定时器子线程定时通知组控执行主线程，由主线程遍历各组控分组子线程的状态字段，当主线程监视到所有分步子线程均运行完成或被强制关闭后，结束此次卡片执行；

步骤七，结束。

优选地，所述组控分步子线程发生故障的处理方法如下：

四十，当某一子线程发生故障，本子线程维护运行状态字段，并结束执行流程，反馈结果，线程挂起，等待再次激活；

四十一，当某一子线程执行到某一步骤，且需要另一子线程的状态字段值作为前提条件时，作为前提条件的子线程因故障终止，则本子线程终止执行，反馈结果，线程挂起，等待再次激活。

优选地，所述组控服务暂停的处理方法如下：组控中的每一组卡片的执行的前提条件均为该组卡的前一组卡各步骤执行完成，在卡组与卡组之间暂停后再继续执行时，必须要检查该组卡的上一组卡片是否还是执行完成的状态。

优选地，所述数据库的结构为卡片数据结构。。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够把应急预案均可拆分为若干个子步骤，一部分子步骤可采用传统PSCADA系统程控卡片控制方法控制，一部分通过联动的方式进行操作控制或跨专业发送控制请求，通过组合控制的控制方法，将应急预案中的各个子步骤进行有序的组合，对于可并行处置的步骤，组控控制还可进行并发处理，当需要启动应急预案是，组控服务将预先设计好的应急预案表装载进服务程序，分组分类的有序地进行预案处置，组控服务有条件判断模块，条件判断模块主要功能如下：自动判断应急预案启动的条件是否满足；应急预案执行的过程中的条件控制和智能判断是否终止预案或者继续执行预案；组控服务的联动模块提供对外专业接口通讯的问题，通过该模块可自动的联动其他专业，发送联动指令；由原来的手动执行应急预案，人为评价预案执行情况，并根据个人经验处理方式，改变为计算机控制，并实时反馈预案执行情况，和动态对执行情况进行评价；不需要对原有系统监控平台进行修改，减少功能升级的风险，另外对系统扩容和不同设备厂家接入适应能力强，可在短时间内完成升级。系统升级不需要修改控制程序，增加了程序的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明基于轨道交通SCADA的一键运行应急响应系统包括：

人机界面模块，是实时显示预案处理进行情况和处理结果；

对外接口服务模块，负责组控服务与前端人机界面模块进行信息交互，人机界面模块发送执行应急预案的命令，应急预案的具体内容和配置则保存在数据库服务中，数据库中预案的调用也由对外接口服务模块负责，此外，对外接口服务模块还接受人机界面的暂停、忽然、重试和终止等指令，对于预案实时的执行情况，也由对外接口服务模块反馈给前端人机界面模块；

控制模块中间件，是组控服务的核心，主要负责预案的控制启动、预案各子步骤控制流转、联动控制、响应外部输入命令和监控整个预案运行情况；

数据库，存储应急预案，能适应系统无缝扩容和减少系统扩容后程序的修改量。另外由于整个应急预案子步骤控制包括各序列间的逻辑关系，闭锁信息等都存放在数据库中，在系统扩容后只需要通过维护软件对数据库进行增量维护即可满足需求，避免了重复调试和修改程序的工作。

人机界面模块、控制模块中间件、数据库都与对外接口服务模块相连。

控制模块中间件包括以下模块：

预案启动模块，完成一个实时扫描电网运行状态的进程，系统已根据输入的应急预案设置了对应预案的特征状态。如主变解列的特征状态为主变变压器退出运行等。特征状态的数据来源为轨道交通电力SCADA系统。当系统判断特征状态满足应急预案启动条件时，会在人机界面弹出提示框来接收是否启动应急预案的命令。程序也提供直接进行手动启动的控制方式。

流程控制模块是协调应急预案中各个子步骤的控制流程；

联动控制模块解决跨专业跨系统控制命令发送的问题，该模块提供多种控制协议和控制方式，如modbus(一种通讯协议)控制，IEC-104(IEC60875-5-104，是国际电工委员会制定的一个规范)控制，硬线控制方式，或者其他通讯规约的控制方式，接口方式可以更具实际情况定制开发；

过程监控模块负责整个组合控制服务流程的运行情况的监控，将数据反馈给对外接口服务，另外也实时对预案处置情况进行评价，此外该模块还负责应急预案的紧急停止，和预案暂停运行时的状态保存和进程、线程挂起的功能，预案继续执行后，也由该模块服务从断点处继续执行预案。

所述控制模块中间件和对外接口服务模块组成了组合控制服务结构，这样方便控制。

所述预案启动模块分为手动启动和自动启动，其中自动启动是一个实时扫描电网运行状态的进程，系统已根据输入的应急预案设置了对应预案的特征状态。如主变解列的特征状态为主变变压器退出运行等。特征状态的数据来源为轨道交通电力SCADA系统。当系统判断特征状态满足应急预案启动条件时，会在人机界面弹出提示框来接收是否启动应急预案的命令。程序也提供直接进行手动启动的控制方式。

所述流程控制模块在整个控制流程执行过程中，主要解决以下三点核心的问题：

一，各个子步骤运行顺序的问题；电力系统的控制是有很强的先后顺序要求的，该方法通过预先将各子步骤设置优先级的方式，来定义各步骤依次执行的先后顺序，如果优先级相同，则说明该步骤可并发运行；

二，前序步骤未执行成功，后续步骤如何执行的问题；应急预案的执行过程中经常会发生突发情况或者特殊情况，导致预案无法继续执行。该方法提供了三种处理方法，第一、可切换到单控操作状态，由调度员对特殊情况进行手控操作。第二、可提供忽略操作，对于非关键步骤可提供忽略提醒，由调度员判断是否跳过该步骤。第三、提供重试功能，调度员可在排除特殊情况后，重新从无法继续执行步骤开始重新执行；

三，非关键步骤影响关键步骤的控；例如主所解列预案中，需要退出400V三级负荷开关，但该步骤为非关键步骤，在程序方法设计中，引入了前序步骤完成质量评价的参数，如400V三级负荷开关退出完成率在70％以上，则组控流程控制模块会继续调用后续子步骤，而前步骤会自动切换到手动控制模式，调度员可在不影响主应急预案处置流程的情况下，继续手动的对未完成步骤做相应操作。

如图2所示，流程控制模块包括以下三种情况：

二十，系统正常运行；

二十一，组控分步子线程发生故障；

二十二，组控服务暂停。

所述系统正常运行情况包括以下执行步骤：

步骤一，后台服务发出执行需求，系统建立组控执行主线程，该线程根据数据库内该预案的子步骤数，分别建立控制子线程，同时建立一个定时器子线程和一个消息队列，定时器负责各组控子线程同步和计时，消息队列负责子线程之间通讯；

步骤二，组控执行主线程创建共享内存区，为每一个组控分组子线程分配三个状态字段和一个指令字段，其中：

运行状态字段分别为运行、挂起、完成、关闭；

运行步骤字段即该组控子步骤运行情况评估；

等待状态字段包括本子线程的等待时间和等待状态；

指令字段由组控执行主线程通知子线程；

各组控分步子线程可以读取其他子线程的状态字段，但只能维护本子线程所分配到的状态字段；执行主线程可以读取所有子线程的状态字段和运行步骤字段；指令字段由执行主线程维护，作为各子线程的执行步骤的前提条件；

步骤三，把各组控子步骤分为以下三种类型：

三十，通过原电力程控卡片实现的步骤，则直接通过对外接口服务模块，直接调用原系统的程控卡片服务，执行原系统的程控步骤。执行的结果通过运行步骤评估反馈给组控主线程，如倒闸操作，变压器退出运行等；

三十一，不通过原电力程控卡片实现的步骤，则通过组控服务自带的程控服务模块进行控制操作，同时提供手动操作和忽然操作用于处理这类特殊的操作步骤，如特殊情况下的越区供电等；

三十二，联动其他专业或系统的步骤，则使用联动模块处理该类步骤；

步骤四，通过各个组控子线程判断执行顺序的优先级；各个组控子线程的执行顺序是更具优先级来依次进行的，等于同等优先级的子线程按照并发控制的方式；每个组控子步骤均有一个预设完成时间，当定时器子线程判断各子线程完成超时时，会发消息给组控主程序，主程序更具子程序的类型，如若是非关键步骤则更具执行反馈评价，达到预设值则跳过该子步骤，如果是关键步骤则发消息给前台人机界面，等待前端操作指令；

步骤五，确定各组控分组子线程是否独立运行的；但如果某一子步骤运行的前提条件是另外一组子步骤的状态字段值时，本子线程将当前条件要求放入消息队列中等待反馈，本子线程等待挂起，当消息队列中的前提条件被反馈成功后，则移出队列并用于唤醒挂起的子线程；

步骤六，定时器子线程定时通知组控执行主线程，由主线程遍历各组控分组子线程的状态字段，当主线程监视到所有分步子线程均运行完成或被强制关闭后，结束此次卡片执行；

步骤七，结束。

所述组控分步子线程发生故障的处理方法如下：

四十，当某一子线程发生故障，本子线程维护运行状态字段，并结束执行流程，反馈结果，线程挂起，等待再次激活；

四十一，当某一子线程执行到某一步骤，且需要另一子线程的状态字段值作为前提条件时，如果作为前提条件的子线程因故障终止，则本子线程终止执行，反馈结果，线程挂起，等待再次激活。

所述组控服务暂停的处理方法如下：组控中的每一组卡片的执行的前提条件均为该组卡的前一组卡各步骤执行完成，如果在卡组与卡组之间暂停后再继续执行时，必须要检查该组卡的上一组卡片是否还是执行完成的状态，例如：执行到第三步骤时组控暂停，再次执行时，要判断第二组卡各步骤是否还是目标完成的状态，因为暂停后，调度员进行单控操作对开关状态进行了人工干预，为了防止当前卡组允许操作前提条件被破坏，需要重新检查前提条件。

所述数据库的结构为卡片数据结构，其设计方法如下：

五十，卡片主要表组成，结构如表1；

五十一，应急预案对于各子步骤进行分组。并对各步骤定义执行优先级；

五十二，卡片子步骤表中定义了子步骤编号，子步骤编号也为子步骤程控卡片的编号；

五十三，完成度也为该子步骤的关键性，100则为必须完成后，才能进行下一步骤，如不满80则可在满足评价后进行下一步骤，且该步骤切换到手动状态。

表1

本发明利用原轨道交通电力SCADA系统平台中的程控卡片技术，在不影响原有系统正常运行的基础上，通过对原有卡片重新组合，建立卡组间的关联性。提出了一种全新的控制方法，电力SCADA系统组控方式，或称组合控制方法。电力系统发生故障后的应急预案，如主变解列后的支援供电应急操作预案，均可分解为若干个操作步骤的组合，及可分解为若干张程控卡片，卡片可以是并行控制的也可是顺序控制的。但是卡片与卡片之间存在着逻辑顺序和依存关系。PSCADA卡片组控方法，用于自动的、依次的按照预先设计好的预案进行程序控制，即若干张卡片按照逻辑顺序依次执行。

成都4号线主所解列后通过另一主所支援供电的应急预案。原先应急预案处理流程为，人员确认故障情况和范围，启动应急预案，手动操作，最后确认故障排除，共用时间为24分钟。使用了组合控制方式实现一键应急预案执行的方法后，预案执行完成平均时间为5分25秒。

本发明为满足轨道交通电力系统发生严重故障后，如主变解列，需要快速切除故障，并在短时间内立即恢复供电的需求。利用原轨道交通电力SCADA系统平台中的程控卡片技术，在不影响原有系统正常运行的基础上，通过对原有卡片重新组合，建立卡组间的关联性。提出了一种全新的控制方案：电力SCADA系统组控方式或称组合控制方法。电力系统发生故障后的应急预案(如主变解列后的支援供电应急操作预案)，均可分解为若干个操作步骤的组合，及可分解为若干张程控卡片(卡片可以是并行控制的也可是顺序控制的)。但是卡片与卡片之间存在着逻辑顺序和依存关系。PSCADA卡片组控方案用于自动的、依次的按照预先设计好的预案进行程序控制，即若干张卡片按照逻辑顺序依次执行。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。