关于铁路供电SCADA系统主站技术标准的研究

乔凯庆

0 引言

随着高速铁路的快速发展，铁路供电调度控制系统，即SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统的应用规模越来越大，SCADA系统在助力铁路特别是高速铁路不间断供电、畅通运输秩序中的作用愈发凸显，尤其是随着铁路智能化建设的推进[1]，SCADA系统的功能和作用如何进一步发挥，成为必须面对的现实。《铁路供电远动系统（SCADA）主站暂行技术条件》（TJ/GD 013—2015）（以下简称“原技术条件”）作为铁路供电SCADA系统基本技术标准、我国铁路供电技术标准体系的重要组成部分，属于铁路工程建设标准的范畴，对指导铁路供电SCADA系统发展初期建设起到了至关重要的作用。近年来，在国铁企业改革和经营管理工作的有力推进下[2]，铁路运营管理及供电调度管理模式发生了变化，加之我国高速铁路供电技术发展迅速[3]，原技术条件已不能完全适应工程建设应用和运营需求。根据铁路工程建设标准体系建设要求，国铁集团在认真总结既有铁路供电远动系统的工程建设和运行经验的基础上，通过广泛深入调研、工程实践、运行效果验证，收集了铁路供电部门对系统的优化升级及新增需求的建议， 提出了企业标准的编制要求。经编制组多轮研讨、专家论证，在SACDA系统原技术条件基础上进行了补充完善，最终形成了《铁路供电调度控制（SCADA）系统主站技术条件》（Q/CR 796—2020）（以下简称“技术标准”）。

1 技术标准修订的必要性

较长一段时间以来，指导铁路供电调度控制系统建设、运营维护的技术标准类文件主要依据2015年发布的标准性技术文件《铁路供电远动系统（SCADA）主站暂行技术条件》（TJ/GD 013—2015）。在该技术文件的实践和应用过程中，总结了一些成熟的经验：一是定义了铁路供电SCADA系统的标准体系架构，以铁路供电调度为中枢的主站系统串联牵引变电所亭、电力变配电所亭和电力箱变等受控站主框架，满足铁路供电远动控制的根本需求；二是快速、精准的控制策略符合铁路供电可靠性、灵活性的内在需求，符合铁路优质连续供电为铁路运输服务的指导思想；三是系统化、模块化的架构设计为SCADA系统的进一步创新发展预留充分空间，为采纳吸收新技术、丰富SCADA系统功能、提升SCADA系统性能创造了便利条件。

但随着SCADA系统的建设、发展以及云计算、大数据[4]等IT技术的高速发展，原技术条件在指导SCADA系统建设、运用过程也发现了一些不适应：一是铁路供电调度系统从过去具备单一的远动控制功能向具备“横向集成、纵向贯通、协同高效”特征的综合调度控制系统发展，对SCADA系统的功能需求从单点的“一对一”精准控制向“一对多”“多对多”的系统联动控制需求转变；二是铁路牵引供电专业巡检保养属地化、修理试验专业化、运行值班无人化的改革方向，生产力布局调整和修程修制改革，铁路供电作业方式逐渐由零散化向集约化、无人化的方向发展，对供电调度的指挥中枢功能发挥提出更高要求，尤其是大量牵引变电辅助监控装置的应用对SCADA系统主站提出新的要求；三是电气化铁路体量的迅速发展，全国铁路电气化率已发展到接近75%（截至2020年底），电气化铁路比重的提升意味着电气化铁路在整个铁路运输格局重要性的提升，与此同时，对电气化铁路优质不间断供电的要求也逐步提高，对SCADA系统快速精准判断并切除故障分区、及时恢复供电、恢复运输秩序提出更高要求；四是铁路电力变配电的修程修制改革也在试点开展，提升电力供电品质，尤其是为铁路信号等重要负荷提供电源的电力线路的供电可靠性、灵活性是铁路电力供电的内在需求，这对铁路电力尤其是高铁电力SCADA系统的性能也提出更高要求。

因此，在行业既有应用成果基础上，结合未来牵引变电、电力变配电所无人化的发展需求[5]，总结原技术条件应用的成熟经验，结合行业发展现状，适度考虑发展需求，修订技术标准细节，转化标准性技术文件为企业标准，引领铁路供电调度控制系统建设，指导铁路供电调度控制系统的运用维护是非常必要的。

2 技术标准的编制原则和内容

铁路供电调度控制系统（SCADA系统）是对铁路供电系统进行远程数据采集、通信、监视、测量、控制、保护、辅助监控的系统。SCADA系统主站部署于国铁集团/局/段级，基于云计算、大数据技术，以数据全景可视化、调度协同化为基本要求，实现与被控站的远程通信及对铁路供电系统的远程监视控制、辅助监控等功能[6]，并支持与其他相关系统协调联动。铁路供电调度控制系统利用先进的计算机软硬件技术、自动检测和控制技术、计算机通信、虚拟化技术和网络技术，对铁路供电系统的重要环节，如变电所、分区所、AT所、开闭所、接触网分段开关等进行自动监视和控制，保证铁路牵引供电系统安全、经济运行，为铁路的安全运输提供可靠的电力保障。

结合铁路供电调度控制（SCADA）系统的技术特点，融合信息化、智能化技术发展成果，技术标准修订坚持安全第一、一体化设计的理念，以适应生产力布局调整、修程修制改革为原则，以创新引领、提升质量、讲求效益为目标，力求实现集约化、自动化、信息化、无人化、智能化。标准修订过程中遵循以下几点基本要求：

（1）标准内容符合统一性、协调性、适用性、一致性、规范性规则要求；

（2）标准技术内容安全可靠、科学先进、成熟稳定；

（3）充分整合既有标准性技术文件的要求，增加适应行业发展的应用功能，扩充和优化系统内外的接口功能，细化工程实施和系统接口的规范要求；

（4）标准实施后有利于提高铁路产品质量、确保铁路供电系统的安全可靠和经济高效运行，符合铁路行业发展需求。

修订后新颁布的技术标准共分为9章，内容包括：范围，规范性引用文件，术语和定义、缩略语，系统架构，系统功能，技术要求，测试方法，检验规则，标志、包装、运输和储存等。另外，技术标准附录还规定了铁路供电调度控制系统的数据字典、接口规范、通信规约等内容。本次技术标准较原技术条件修订的主要内容：

（1）定义了SCADA系统架构及系统的业务分区和安全分区，在原技术条件基础上进一步明确了国铁集团级、供电段级系统的技术要求；

（2）在整合原技术条件所涵盖的技术要求基础上，扩展了SCADA高级应用功能要求；

（3）扩展了遥视应用要求；

（4）扩展了对辅助监控应用的技术要求；

（5）增强了对网络安全防护的技术要求；

（6）扩展了广域网分类及详细定义要求；

（7）优化了规范系统主站的外部接口要求；

（8）结合现场实际应用需求，修订了附录中远动监控区人机界面制图规范部分细节，增加了远动监控区报警分级、牵引供电综自远动监控点表、远动监控区运行统计报表、广域网组网示例图（报表、点表）以及外部接口等规范性要求。

3 技术标准要点研究与解读

3.1 系统架构及分区

技术标准明确了系统采用国铁集团-铁路局集团公司-供电段三级架构，其系统总体结构如图1所示。

图1 铁路供电调度控制系统主站总体结构

在原技术条件规定的既有系统架构下，增加了国铁集团级、段级系统详细的相关技术和功能要求。

从业务功能和系统功能两个维度，提出了铁路供电调度控制系统主站的应用和网络安全分区，其应用和网络安全分区如图2所示。

图2 铁路供电调度控制系统主站的应用和网络安全分区

铁路供电调度控制系统主站根据业务功能划分为两类应用分区，即远动监控应用区和辅助监控应用区。铁路供电调度控制系统主站根据系统功能和业务数据安全等级划分为两个安全分区，即安全Ⅰ区、安全Ⅱ区，其中远动监控类应用位于安全Ⅰ区，辅助监控类应用位于安全Ⅱ区。

3.2 SCADA高级应用功能

（1）自动巡检。新增重要开关状态智能巡检功能，提前发现开关位置异常变化状态，消除安全隐患。

（2）全景化展示。新增铁路供电系统相关信息全景化展示功能，包括但不限于：供电系统运行方式；牵引变电所/配电所运行方式；设备检修状态；实时图像信息；列车位置信息等。

（3）综合告警。优化了综合告警功能，可对跳闸产生的各类分散、孤立的故障和报警信息进行综合展示，提高故障处置效率。可在遥控操作时自动关联供电回路电流与网压检测，智能判定遥控结果并自动进行异常告警提示；可对各类分散、孤立、差异化的故障信息建立统一的告警模式，过滤冗余故障信息，并以供电臂为单元进行故障信息的综合展示并具备智能告警功能；具备对远动监控区历史事件信息进行高频告警以及具有对各类信号高频告警的阈值进行设置的功能。

3.3 遥视应用

遥视应用与既有远动监控的四遥功能深度融合，同台展示；可与远动监控区实现联动，在操作开关设备或发生事故跳闸、火灾报警等重大故障时联动摄像机，实现多角度实时视频监控，可通过智能图像识别实现信息复核，并对整个操作过程进行全程录像；提出了可通过图文或动画方式动态展示所亭辅助监控系统的重要报警信息，并可基于3D或BIM模型进行所亭设备可视化展示。

3.4 辅助监控应用

辅助监控区应用由设置在国铁集团公司、局集团公司调度所及供电段的辅助监控主站，以及设置在铁路沿线各牵引变电所、分区所、AT所的辅助监控系统被控站及传输通道等构成，实现对牵引变电设备辅助监控的功能，同时在沿线车间设置辅助监控复示终端，满足车间和工区应用需求。辅助监控国铁集团级主站与辅助监控通道连接，实现与局级辅助监控系统主站的数据交互。辅助监控局级主站通过与辅助监控通道连接，实现与牵引变电所辅助监控系统、辅助监控段级用户端的数据交互。辅助监控段级主站通过与辅助监控通道连接，实现与牵引变电所辅助监控系统、辅助监控局级主站的数据交互；通过与复示通道连接，实现与车间级辅助监控复示终端的信息交互。

辅助监控区用于收集铁路沿线牵引变电所、分区所、AT所中供电设备状态信息，并将各类信息实时汇集上传到辅助监控系统主站平台，主站平台通过图像智能识别、大数据等技术实现对所亭设备状态的智能识别、自动巡检及告警联动，减少人工巡检的工作量，提高对供电设备故障的综合判断力，为确保供电设备的安全运行、实现电气化铁路所亭无人值守提供技术支撑，为进一步实现供电设备故障的“提前预判，及时维修”提供可能性。

3.5 安全防护

铁路供电调度控制系统的网络安全防护遵循“安全分区、横向隔离、纵向加密”的总体策略[7]，并根据系统功能和业务数据的安全定级对不同分区采用不同等级的网络安全防护措施。其中，安全Ⅰ区（远动监控区）采用网络安全三级等保，并应具备基于安全域内所有计算机节点及用户的统一安全管理功能，安全Ⅱ区（辅助监控区、调度运行区）采用网络安全二级等保。铁路供电调度控制系统与其他外部接口系统间的通信应通过网络安全隔离装置或防火墙进行隔离或防护；铁路供电调度控制系统与复示通道的接口处应采用防火墙、网络安全隔离装置进行隔离防护；铁路供电调度控制系统与远动通道的接口处采用防火墙进行网络防护。

技术标准结合GB/T 22239—2019《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》等信息安全技术网络等级保护要求，通过分析建设一套稳定、先进、高效、可靠的工控安全监测防护体系，集中展现供电调度系统的整体工控安全态势，提升整体工控安全监管水平和防御能力。SCADA系统工控信息安全防护建设主要通过分析各区域的业务实际和安全需求，根据“一个中心、三重防护”的思想，通过边界防护、安全审计、主机防护、入侵检测、未知威胁、运维管理、安全自查、集中管理多个模块的互补搭配，结合管理及服务，构建纵深防御、技管并重的成型动态防御体系。

3.6 广域网

技术标准综合考虑到未来潜在的发展需求，将辅助监控通道、故障测距通道分别按牵引供电和电力分别进行要求，对主站三级总体架构下所涉及的通道类型进行了分类及详细的定义和描述。铁路供电调度控制系统的广域网类别包括远动监控类和辅助监控类。远动监控类广域网包括：国铁集团级、各被控站至局、各被控站至段的远动通道，故障测距通道，广域保护通道，局至段/车间、段至车间的远动复示通道。辅助监控类广域网包括：国铁集团级、局级、各被控站至段的辅助监控通道，段至车间的辅助监控复示通道。

高速铁路供电调度控制系统主站的广域网构成如图3所示，普速铁路与之大体类似，在此不再赘述。

图3 高速铁路供电调度控制系统广域网构成

3.7 外部接口

技术标准规范明确了铁路供电调度控制系统主站的应用部署及外部系统接口，如图4所示。

图4 铁路供电调度控制系统主站的应用部署及外部系统接口

远动监控区与辅助监控区之间分别在国铁集团、局、段三级实现双向的数据交互。

铁路供电调度控制系统主站与外部系统的接口包括但不限于：在国铁集团级、局级主站分别实现与铁路时间同步网的接口等；在局级、段级分别实现与铁路供电调度控制系统被控站的接口等。

3.8 附录

在原技术条件附录有关规范基础上，修订了附录远动监控区人机界面制图规范，增加了远动监控区报警分级要求、牵引综自远动监控点表规范、远动监控区104传输规约协议、变电所辅助监控详细接口、远动监控区运行统计报表要求以及广域网组网示例图、报表、点表及详细接口等规范要求。

4 结语

《铁路供电调度控制（SCADA）系统主站技术条件》全面总结了近年来我国高速铁路供电调度（SCADA）系统在设计、施工、运营方面的科研、运用成果实践经验，充分体现了科学性、先进性和技术经济合理性，对指导和规范我国铁路供电SCADA系统的工程建设、系统运用具有重要作用,是提高我国铁路牵引供电、电力设备自动控制水平的重要顶层规范支撑，对提升我国铁路供电系统的整体技术水平具有重要意义。