广州机场高速公路的电力监控SCADA系统

1 引言 随着高速公路交通自动化的提高，其电力供应的自动化也须不断提高，SCADA系统运用到高速公路的电力系统也就成了必然：广州机场高速公路的电力系统使用了当前最先进的SCADA系统。 2 概述 高速公路电力SCADA系统包含两个层次，一是分步式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即中心上位机HMI（Human Machine Interface）系统。 在高速公路电力SCADA监控系统中心的上位机部分，监控主站通常采用局域网络方式如传输速率为10MBPS/100MBPS自适应的以太网，构成以计算机设备为核心，以功能为模块，以节点为单元的调度中心系统。 监控子站系统通常由数据采集设备和通讯接口设备构成，称为RTU。监控子站与主站的通信通道可为远程拔号、载波、微波、光纤、无线、专线ISDN等多种形式，SCADA系统支持多种通讯规约。 整个SCADA系统的网络数据通讯总体上采取的是客户/服务（Client/Server）模式，即被称为“按需求传送数据”的方式。这种方式有以下优点：1、使网络向担大大减轻；2、提高了网络中各个节点之间的相互独立性；3、极其简便系统的扩充；3、多路径访问能力。 3 系统结构 前置机（通信处理机） 通信前置处理机是专为处理大量远程数据通讯而设计的设备。主要作为运动数据通道接口，扩大远程I/O的容量，完成数据的发送、接收及数据的子处理（简单称 RCG），如通讯规约的变换等减轻控制站主机节点的CPU负荷。 后台处理机（SCADA节点机） 后台处理主机又称为SCADA节点机，它是整个监控系统的核心，运行着实时数据库，担负着数据处理，报警发布等功能。由于后台处理机十分重要，所以大部分的调度监控系统对其采用双重配置，冗余结构，互为备用。其主要功能包括： 1、遥测、遥信功能； 2、遥控功能； 3、告警处理功能； 4、历史数据处理功能； 5、安全管理功能； 6、系统在线显示功能； 7、系统组态，完成网络节点、路径、报警、安全等参数的设置功能。 操作员节点 调度监控系统中的操作员节点设计为MMI（Man Machine Interface）人-机交互方式。操作员节点通过网络适配器与网络相连，独立工作。其主要功能包括：操作命令发布、系统监视、千警管理、参数设置、运营管理、模拟培训等。 维护员节点 系统通常设有一维护节点机用于生成、维护、管理系统的实时数据库、历史数据库及用户画面，并定义、修改系统运行参数及开发应用程序等。特殊情况下，维护员节点机可实现操作员工作站的全部功能。 通讯节点机 通讯节点机的作用主要是作为本地监控系统与上级或其他需要本地信息的远程节点的通讯接口。 打印服务器及公用打印机 打印服务器直接连接到局域网上，其负责管理系统内所有打印机，并实现报表打印、实时数据（事件）打印、画面拷贝等。 模拟盘和大屏幕投影 模拟盘和大屏幕投影可以很直观的体现全系统的运行状态。 时钟系统 本系统在控制站配置一套GPS卫星时钟系统，作为控制中心的主时钟。并通过广播命令对全系统智能设备对时。 系统下位机 在高速公路电力SCADA监控系统中，下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备，如各种RTU、FTU、PLC及各种智能控制设备等等，他们负责将现场的各种实时信息传送给后台系统，并可转发来自控制中心的控制命令。 4 系统硬件配置 以广州市北部地区（新国际机场）高速公路的电力自动化监控系统为例，叙述高速公路电力SCADA监控系统一般的配置及功能。如附图。 广州机场高速公路从三元里至新国际机场，全线设置一套电力监控（SCADA）系统，对所管辖的变电所、变配电所及箱式变电站等供电设施进行监控管理，该监控系统由设在蚌湖控制中心大楼内的控制站，数据传输通道设在沿线的各被控站设备组成，被控站包括九个变电所，一个中心变配电所和入个箱式变电站。 并且，系统在设计时，控制站设备的容量及通信接口容量充分考虑到了规划中北延线供电设备的管理。 广州机场高速公路电力SCADA监控系统各主要部分大致如上图： 根据广州机场高速公路电力监控SCADA系统方案，以及高速公路现场的情况，选定了Schneider公司的Compact系列PLC产品来构成系统的下位机。除数据采集外，其强大的编程功能保证了系统的各类控制功能的需求。现场中我们所需的采样数据可分类模拟量输入（AI）、离散量输入（DI）和离散量输出（DO）三类。 Quantum系列PLC组成系统的通讯前置机；此系列PLC的CPU采用Intel586 133MHz芯片，具有极高的数据处理能力，在通讯方面可提供多种通信方式。通讯前置机通过网桥与系统下位机的PLC控制（采样）单元相联，从而实现网络协议的转换。而通讯前置机与上位机系统则通过以太网协议直接相联。 SCADA监控系统的上位机，采用工业控制机和WINDOWS 2000作为基础的硬件平台和软件平台，同时用iFIX软件开发图形化的操作员节点和维护员节点，能够有效的实现SCADA结点机和PLC设备的无缝连接；界面的产生、数据库的管理。报警和安全机制都能很好的实现。用VC++编程开发工具共同开发系统的数据采集与后台处理机。其内部设置了动态实时数据库、历史记录数据库、监控对象数据库等多种关系型数据库。 5 系统功能 5.1 遥控功能 对可操作对象进行远方控制，其中，又可分为： a、单独控制：对被控站内某一开关设备进行的状态控制。 b、程序控制：对所控对象内容按预先设定的若干单控操作步骤组合而成一个控制程序。 c、开关闭锁控制：对被控站内任何开关设备的操作根据要求进行闭锁。当对闭锁开关进行再操作时，将显示适当的提示信息。系统也可对变电所内所有开关进行快速操作闭锁。 d、手动模拟置位操作：当RTU或通道故障时，可手动设置开关的位置状态，此外，手动隔离开关的状态变采用手动置位操作方式。 e、控制操作方式：操作过程分为“选择”和“执行”两步操作，并对“选择”步骤进行校验。 5.2 遥信监视功能 a、正常运行状态的监视 b、紧急故障信息内容及发生事故后的紧急故障信息内容的监视。 c、警报提示：系统提供警报信息功能，警报提示将包括画面显示、文本信息和音响报警，并提供警报确认和存贮手段，根据报警条件设置警报条件设置警报级别。当供电系统及供电设备出现非正常运行时，发出非紧急故障报警，出现事故时可发出紧急故障报警，两种音响有明显区别。 d、显示和处理：可以按照用户的要求进行显示。 e、事件记录：可按照事件发生的时间顺序对事件进行记录。 f、操作记录：可对用户的操作进行记录； g、故障记录：按照故障发生的时间顺序记录。 5.3 遥测功能 主要遥测量：电流、电压、功率因数等。通过系统底层的数据采集设备，数据经过采集、处理后送到控制站主机。 5.4 数据处理功能 模拟量和脉冲量具有校验功能 5.5 报表功能 系统根据用户定义的报表内容、格式、时间自动生成日报、月报、年报及考核报表，并可召唤、定时和条件驱动打印报表。 5.6 在线自检和防干扰能力 可对各等级的运行管理人员进行口令级别设置和检查；确定每人操作员的操作权限，并记录操作员的各种操作。 在一个操作员操作过程中，系统将跟踪其操作过程，并将所有的操作过程记录在历史信息库中，以备查验。 系统具有： a、防止误操作的自闭锁和自启动能力。 b、主要软件防侵害的能力。 c、试验、调度软件功能。 d、检查各模块工作状态，并显示其状态的功能。 e、检查遥测精度的功能。 f、对各种重要命令和操作系统具有“超时监视”，“计次重执”等功能，如有异常，立即进行自动恢复，并显示。当再现多重选择时，自动取消选择，并显示“多重选择”。 g、输入采用光电耦合器件隔离外部强电压，提高了抗干扰能力。 h、有良好的接地措施。 i、系统在电源开关投入后或失电恢复后能自启动，对偶然因素引起的混乱设自恢复机构。 5.7 其它辅助功能 a、系统为全组态监控系统；具有良好的在线修改和扩充能力。组态及在线修改工作易操作，完全采用人机对话表格输入方式。 系统对各种用户画面和数据库要进行在线修改、编程和定义。所有修改采用人机对话、菜单或表格输入方式，包括数据库生成，画面生成，控制监视、测量点参数的修改和删除，调度任务的生成和修改等。 b、系统尽管功能丰富、技术先进，但它对使用者而言非常简单，系统的建立和维护等工作都是在图形工具、简单的对话框、列表框等友好的用户界面环境中完成，并且提供详细的在线帮助文件。 c、系统运行事务管理功能： 调度系统事务管理功能软件包。该软件包括设备管理、统计报表生成制作及文档管理等。 5.8 选配功能 a、遥测量的图形显示功能； b、各种带条件的自动控制功能，如在调度端根据季节、时间等条件对路灯实行自动控制和半夜灯控制； c、实现与其他系统的接口和数据转发将局域网系统通过通讯网络以及路由器向总公司MIS系统传送数据； d、供电系统的设备管理，运行状态的查询及运行参数的统计，为系统设备的状态检修提供支持； e、统计报表制作：统计报表可随时生成，信息可从实时数据库、历史数据库及统计数据库中取出。 f、模拟培训功能，实现对调度管理人员的操作培训； 6 系统性能 遥控平均传输时间<3s 遥控变位传送时间<2s 信息传送速率不小于1200bps 遥测合格