浦东机场中心变电站SCADA系统的解决方案

摘 要 浦东机场中心变电站SCADA系统按照国际流行的分布智能、松散组态的思路，采用工业现场总线技术，将变电站功能单元联结成为计算机网络，并通过软件实现数据共享。本文主要通过对系统的分析，介绍SCADA系统在变电站综合自动化领域的应用。 关键词 SCADA 变电站 监控 自动化 　　 一、前言 　　浦东国际机场一期工程是上海市“九五”期间最大的基础设施建设项目，根据一期用电负荷的大小和分布，我们在机场内规划设置了三个35kV等级的中心变电站，分别为航飞站、航翔站和航空站。其中，航空站由电力部门建设并管理，本文所述内容不包括该变电站。机场建设的航飞站、航翔站结构形式基本一致，均装设三台主变压器，配备三路35kV电缆进线，并在10kV侧构成三电源单母线六分段的结线形式，段与段之间通过断路器形成环状联络，以减轻上级电网计划停电和故障停电的影响。见图一。(例图)略 图一 浦东机场中心变电站高压系统示意图 　　 随着微机技术、通信技术等相关学科的高速发展，电力系统继电保护及远动自动化技术水平得到了迅速提高。变电站运行管理方式在短短几年内实现了从人工值守到无人值守的改变，变电站二次控制系统组成方式从单机硬件互联发展到计算机网络方式，特别是近年提出的变电站综合自动化的概念得到了广泛认可。变电站综合自动化作为计算机综合自动化监控系统（SCADA）在电力系统中的代表性应用，随着用户对供电可靠性要求的提高，已逐步发展成为变电站控制系统组成方式的主流。机场的供电系统是机场正常运转的命脉，可靠性要求极高，因而变电站综合自动化的实施意义不言而喻。为此，我们在充分研究分析国内外一些SCADA系统的结构及实现方式的基础上，提出浦东机场35kV变电站综合自动化系统的构成方案，并以此为基础编写了招标技术文件。经过国际招标，我们选择美国GE-FANUC公司作为SCADA系统的供货商。 　 二、变电站SCADA系统概述 　　 　　 1、SCADA系统主要构成 　　 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，主要包含两个层次的含义：一是分布式的数据采集系统，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，即上位机HMI（Human Machine Interface）系统。 　　 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。这些智能采集设备与生产过程和事物管理的设备或仪表相结合，实时感知设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信或数字网络传递到上位机系统中；在必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。 　　 上位机系统在接受下位机送传的信息后，以适当的形式如声音、图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态（报警、正常或报警恢复），这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，上位机系统还可以接受操作人员的指示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。 　　 2、SCADA系统的功能要求 　　 SCADA系统，从传统用户的角度来讲，主要解决三个问题： 　　 (1) 设备各种参数状态数据的采集和控制信息的发送 这部分涉及两个含义：一是怎样采集设备参数状态数据？它通常由智能设备生产厂家解决，及作为下位机在市场中出售，并提供可编程的通讯协议和协议处理芯片；二是设备状态数据如何传递到上位机系统处理？目前上位机通常通过标准串口或IO卡运行专用的上层采集模块，从下位机中实时地采集设备各种参数的数据和发送控制信息；解决问题效率的高低表现在采样周期的长短上，目前上位机系统可以达到平均毫秒级的采样周期。 　　 (2) 各种参数状态表达和报警处理 报警作为监控的一个重要目的，是所有上位机系统必须解决的问题。如果说各种图形、图象、动画、声音等方式用于表达设备的各种参数运行状态是必不可少的话，那么若上位机系统不能有效处理设备的报警状态，所有的表现形式都是多余的。评价上位机系统可靠性和高效性的一个重要指标是看它能否不遗漏地处理多点同时报警。 　　 (3) 事故追忆和趋势分析 监控的另外一个目的是评价设备的运转情况和预测系统可能发生的事故。在发生事故时能快速地找到事故的原因，并找到令设备恢复运转的最佳方法。从这个意义出发，实时历史数据的保留和系统操作情况记录就变得非常重要。因而评价一个SCADA系统，其功能强弱最为重要的指标之一就是对实时历史数据记录和查询的准确和高效上面。 　　 3、变电站综合自动化 　　 上位机与下位机结合的SCADA系统，作为操作员平台和中央监控系统，已经成熟应用到电力系统配电网，变电站综合自动化就是其中的典型代表。通过SCADA系统，管理人员可以方便地实现对变电站进行遥测（模拟量输入）、遥信（数字量输入）、遥控（数字量输出）及遥调（模拟量输出）的功能，显著地提高了监控效率。 　　 什么是变电站SCADA系统？概括地讲，就是集保护、测量、控制、远传等功能为一体，采用微机化产品，并充分利用微机的数字通信的优势将变电站的二次设备(包括测量、信号、控制、保护、自动装置和远动装置等)经过功能组合而形成的标准化、模块化、网络化、功能化的计算机监控系统。它不仅取代了常规的仪表盘、柜，以及一些中央信号装置，节省了变电站的占地面积，节省了电缆的投资，而且只需通过SCADA监控软件就可以对整个变电站实施自动控制。当操作人员进入变电站时，可以从综合自动化系统的当地监控软件上了解变电站当前的运行情况和历史记录。当地监控软件通过密码实现多权限多级管理，一般操作人员可以看主接线图、遥信遥控遥测表、特殊功能显示图、SOE等图表，系统管理员可以修改软件配置、各级权限范围、各种图表，操作员和监督员同时认可才能进行遥控操作。登入登出过程、执行操作后软件都会详细记录操作人姓名、密码、操作等信息。软件根据设定自动记录所需的四遥量并进行统计，形成曲线、棒图等。 　　 三、系统解决方案 　　 　　 1、系统组成 　　 浦东机场中心变电站SCADA系统的监控和测量范围包括主变压器、35KV高压柜、10KV高压柜、所用变、直流电源、UPS不间断电源和电容器柜。整个SCADA系统由航飞站微机保护控制系统、航翔站微机保护控制系统以及机场35kV变电站管理系统组成。 航飞站、航翔站的控制室内各设微机保护控制系统一套，变电站所有的保护、控制、监视、测量和报警功能均通过微机保护控制系统来完成，并通过网络与机场35kV变电站管理系统通讯。 各控制保护单元分设在每个开关柜上，所有的控制、保护、测量、报警等信号均在就地单元内处理成数据信号后，传输至前置处理机。各就地单元即使故障，仍可独立完成本柜的监测保护功能，其监测的信息可反映在开关柜的面板上。在调试阶段和故障状态时，操作人员也可通过就地/远方选择开关切到就地操作位置，根据面板上的指示实现本开关柜的手动操作。 机场35kV变电站管理系统设于航翔站中心控制室内，用于监测航飞站、航翔站以及航空站范围内10kV变电所的主要电气信号。 　　 2、系统结构 　　 在实际应用中，浦东机场变电站综合自动化监控系统是一个由多层网络组成的分层分布式SCADA系统。整个系统从上到下依次可分为：系统管理站，计算机网络，监控工作站，工业级实时网，保护、控制单元。 　　 在整个系统中，最上层上位机系统是由九台工业级微机组成，互相之间通过Ethernet连接。第二层是二台PLC，通过Ethernet网络与上层连接。最下一层的下位机系统是由PLC和微电脑型继电保护装置通过Modbus连接而构成。系统的结构图如下： 图二 (例图)略　浦东机场中心变电站SCADA系统结构示意图 图中， 　　 A为机场35kV变电站管理系统，B为航飞站微机保护控制系统，C为航翔站微机保护控制系统，D代表就地保护单元。A1、A2为操作员站，A3为工程师站，B1、B2、C1、C2为微机保护控制系统主机，B3、C3为工作站，J为继电保护装置。 　　 整个系统在硬件配置上采用了分层分布式结构，网络上接入的每一设备都具有自己特定的功能，某一设备故障只影响局部功能，各计算机都直接接入网络，可获得高速通讯和共享资源的能力；系统主机A1A2、B1B2、C1C2均采用可靠性高的双主机冗余配置、热备用的工作方式。上述结构再加上采用面向对象的程序设计方法，使整个系统具备了组态灵活、人机界面友好、使用方便、功能齐全、维护简便的特点。 　　　 3、系统功能 　　 (1) 服务管理功能。主要是对用户帐户和组帐户以及打印机进行管理，从而确保每一个用户都能以适当的身份登陆到网络、控制系统中，访问相应的网络资源，方便地连接和使用打印资源，并监视网络事件和资源，备份和恢复数据以及数据库的管理。 　　 (2) 运行监视功能。主要包括变电站正常运行时的各种信息和事故状态下的自动报警。SCADA系统能对设备异常和事故进行分类，设定等级，当设备状态发生变化时推出相应画面，事故时，屏显事故设备闪光并发出声音报警直至运行人员确认。可方便地设置每个测量点的越限值、极限值，越限时发出声光报警，并推出相应画面。SCADA系统还具有事故顺序记录，对断路器、隔离开关和继电保护按动作发生次序进行排列，产生事件顺序报告，分辨率为ms级。 　　 (3) 远动功能。由于计算机从EtherNet网络上直接获得站内全部运行数据，当有遥控操作时，工作站结合全站的情况作出判断是否允许操作并作出相应的提示和动作。 　　 (4) 运行管理功能。系统可进行自诊断、在线统计计算和制表打印，按用户要求绘制各种图表，定时记录变电站运行的各种数据，采集脉冲电量，按不同时段进行电量累加和统计，最后将其制表打印。 　　 (5) 继保功能。继电保护系统采用GE-MULTILI