數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控SCADA系統(tǒng)

1、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA系統(tǒng)1概述SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，它是電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，負責采集和處理電力系統(tǒng)運行中的各種實時和非實時數(shù)據(jù)，是電網(wǎng)調(diào)度中心各種應用軟件主要的數(shù)據(jù)來源。SCADAK統(tǒng)包括實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、SCADAK統(tǒng)支撐平臺、前置子系統(tǒng)、后臺子系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)采集包括反映物理過程特征的數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和數(shù)據(jù)處理；監(jiān)視控制不 僅包括對物理過程的直接控制，還包括管理性控制，只下發(fā)調(diào)控指令，由廠站端或下級調(diào)度人 工調(diào)控。通常數(shù)據(jù)采集裝置和控制裝置安放在廠站端，與主站端監(jiān)

2、控系統(tǒng)并不在一起，所以要 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和直接控制功能需要雙向數(shù)據(jù)通信，一般認為數(shù)據(jù)采集是信號上行的通信，而直接控制是信號下行的通信。一個SCADA系統(tǒng)通常由一個主站和多個子站（遠方終端裝置RTU或變電站綜合自動化系統(tǒng)）組成。主站通常在調(diào)度控制中心（主站端），子站安裝在變電站或發(fā)電廠（廠站端），主站通過遠動通道或廣域網(wǎng)實現(xiàn)與子站的通信，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制。國分為五級 調(diào)度，主站除接收子站信息，還以數(shù)據(jù)通信方式接受從下級調(diào)度控制中心主站轉(zhuǎn)發(fā)來的信息， 又向上級調(diào)度控制中心主站轉(zhuǎn)發(fā)本站的信息。廠站端是SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)源，又是進行控制的目的地。SCADA所采集的數(shù)據(jù)包括模擬量測量（又稱為“

3、遙測”），狀態(tài)測點（又稱為“遙信”）和脈沖累加量（又稱為“遙脈”）。SCADA系統(tǒng)的主站分為前置子系統(tǒng)和后臺子系統(tǒng)，二者通過局域網(wǎng)相聯(lián)相互進行通信。前置子系統(tǒng)主要完成與廠站端及其它調(diào)度控制中心的通信，并將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺子系統(tǒng)。后臺子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。SCADA把這些最近掃描的已經(jīng)處理的反映被監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。畫面聯(lián)結(jié)數(shù)據(jù)庫，因而畫面就直觀地給出該系統(tǒng)狀態(tài)的正確景象。SCADA為每一個量測量賦予一個狀態(tài)和記錄數(shù)值的變化趨勢，當設備處于不正常狀態(tài)或運行限值已被超過時通知調(diào)度員。通過提供電力系統(tǒng)的當前狀態(tài)及過去狀態(tài)，調(diào)度員可對電力系 統(tǒng)進行監(jiān)視。調(diào)度員能對電力系統(tǒng)設備和SCAD

4、源統(tǒng)本身進行控制，這使得調(diào)度員能使SCADA系統(tǒng)適合于當前電網(wǎng)工況。調(diào)度員能夠用人工值去替換遠動數(shù)據(jù)，也可以發(fā)出命令給電力系統(tǒng) 控制裝置。2實時數(shù)據(jù)采集實時數(shù)據(jù)即當前的運行數(shù)據(jù)。電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠和變電站有大量設備，隨之有大量的 運行數(shù)據(jù)供廠站自身監(jiān)控和電網(wǎng)監(jiān)控使用。SCAD要采集的信息包括電網(wǎng)中發(fā)電機和變壓器的運行狀態(tài)、發(fā)電出力和負荷變化情況、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和潮流分布情況、電網(wǎng)的動態(tài)變化和事故情 況等。為了確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運行并且效益最高，實時數(shù)據(jù)的采集必須快速、全面并且準確。2.1遠動技術(shù)基本概念遠動技術(shù)是指對廠站設備的遠方監(jiān)視和控制，是SCADA實時數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。遠動技術(shù)的主要功能是“四遙

5、”，即遙測、遙信、遙控和遙調(diào)。遙測是物理量值的測量，遙信是狀態(tài)量的 測量，遙控是對狀態(tài)的控制，遙調(diào)是對物理量值大小的調(diào)整。遠動技術(shù)的實施需要兩套裝置， 其一是位于被測控物體方的測控終端RTU ( Remote Terminal Unit),其二是位于測控中心的系統(tǒng)，對電網(wǎng)來講就是SCADA系統(tǒng)。由于技術(shù)的發(fā)展，許多RTU已不再是獨立的裝置而成為變 電站綜合自動化系統(tǒng)的組成部分，就像主站的SCADA功能成為EMS的一部分功能一樣。2.2開關(guān)量和模擬量對電網(wǎng)來講要測量的量有兩大類，一類是狀態(tài)量，一類是模擬量。狀態(tài)量(Status )包括 斷路器和隔離刀閘的開/合、發(fā)電機和變壓器的投 /停等具有兩種

6、狀態(tài)的量，還有如變壓器抽頭 位置、設備檢修/冷備用/熱備用/運行，以及繼電保護動作等具有多種狀態(tài)的量，電網(wǎng)中狀態(tài)量 是以某種相對應的接點開/合來表示的，故稱之為開關(guān)量。模擬量(Analogue )不是物理上的術(shù)語而是測量上的術(shù)語，在不同的場合有不同的定義，例如：模擬量不是突變的而是連續(xù)變化的物理量；模擬量不是原物理量而是用傳感器和變 送器線性地改變了值的大小甚至改變了性質(zhì)后的物理量；模擬量是其值沒有數(shù)字化的物理量等等。2.3開關(guān)量的采集電網(wǎng)中許多設備帶有高電壓和大電流，難以直接采集其開/合、投/停以及檔位等狀態(tài)，必須通過設備上相關(guān)的輔助接點間接地采集。這些接點可能會抖動、拒動、誤動，在采集時要

7、有 判斷和處理措施。2.4模擬量采集的互感器、傳感器和變送器互感器是高電壓大電流測量時用于降壓、減流的變換元件。傳感器和變送器是非電氣量或 低電壓小電流電氣量的測量裝置。2.5電氣模擬量的直流采樣所謂直流采樣是將交流信號整流成直流信號，經(jīng)過某些運算和處理，然后用直流電壓和 電流輸出。這是因為早期的計算機和微機的處理速度慢，無法滿足交流采樣速度和計算速度 要求造成的。傳統(tǒng)的遠動測控裝置都采用直流采樣，但現(xiàn)在變電站綜合自動化系統(tǒng)已改用交 流采樣，因為交流采樣裝置簡單，而且可采集電網(wǎng)動態(tài)變化過程的信息，所以逐漸取代直流 采樣。2.6非電氣模擬量的直流采樣SCADA系統(tǒng)中用到的非電氣模擬量有水位、溫度

8、和壓力，如水庫水位、變壓器油溫、斷路 器中SF6的壓力等。2.7與時間有關(guān)的電網(wǎng)頻率、周期和相位等電氣參數(shù)的采樣SCADA系統(tǒng)所需采集的電網(wǎng)頻率、周期和相位等電氣參數(shù)可用已知頻率的脈沖計數(shù)法采 樣。它們主要的采樣用電子電路包含與門、觸發(fā)器、高精度晶體脈沖發(fā)生器和脈沖計數(shù)器。與 門的各個輸入端都是高電平時輸出為高電平。觸發(fā)器有0、1兩個輸出端，二者電位總 是高低相反。觸發(fā)器還有置0和置1輸入端及一個計數(shù)輸入端，對該端每輸入一個脈沖， 觸發(fā)器的0端和1端的電平就相互反轉(zhuǎn)一次。與門一個輸入接觸發(fā)器1,與門的輸出 端接脈沖計數(shù)器。2.8交流電氣量的交流采樣隨著計算機和微機芯片處理速度的快速提高，交流電

9、氣量的直流采樣已逐漸被交流采樣替代。交流采樣的方法是采集交流電流和電壓每周波的波形點值，再根據(jù)波形點值用計算機或 微機計算出電流電壓的幅值、有效值、功率因數(shù)、有功和無功功率、各母線電壓的相角差、頻 率、周期等。與直流采樣相比，交流采樣的主要優(yōu)點是1）采樣裝置簡單；2）采樣裝置種類少;3）采樣精度高；4）能反映電網(wǎng)的動態(tài)變化過程，因此現(xiàn)在的變電站綜合自動化系統(tǒng)已全部用 交流采樣代替了直流采樣，只保留了非電氣量的直流采樣。只有早期投運的變電站內(nèi)還保留著 電量的直流采樣裝置。交流采樣方法和計算方法按應用的要求有多種，如繼電保護動作電流的采樣少于半個周波，每次采樣只采3到5點，而SCADA/EMS勺交

10、流采樣每周波要采二十幾點到幾十點。交流 采樣后計算電流電壓的幅值 /相角的算法有許多種， 如考慮輸入為正弦波的采樣值積算法和半 周積分算法；考慮了輸入信號中有不衰減直流分量和整次倍諧波的付氏周期函數(shù)算法；用 于衰減性直流分量和輸入信號不是周期分量的隨機函數(shù)算法；基于繼電保護快速計算要求的 算法等。2.9變電站綜合自動化系統(tǒng)和遠動測控終端隨著計算機和網(wǎng)絡通信技術(shù)以及電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展,列新的要求，變電站綜合自動化系統(tǒng)應時而生。經(jīng)過多年的努力，現(xiàn)在除原來已裝了RTU的變電站，所有新建變電站都改用了綜合自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅大量減少了各種傳統(tǒng)的儀表和操 作盤臺，減少了二次系統(tǒng)的電纜布線，減少了占

11、地面積，最重要的是增添了大量新的功能，并 使本來沒有關(guān)聯(lián)的裝置組合出新的功能，使變電站從僅有繼電保護、RTU故障錄波等互無聯(lián)系的孤立裝置發(fā)展成一套有序組合的綜合自動化系統(tǒng)。變電站綜合自動化系統(tǒng)的功能有：電網(wǎng)一次系統(tǒng)正常運行和事故運行時的開關(guān)量和電流電壓模擬量的交流波形采樣和電流電壓幅值和相角及實部/虛部、有功/無功的計算，繼電保護對變電站自動化提出了一系和自動裝置配置和動作信息的采集，母線/變壓器/線路的微機保護子系統(tǒng)，小電流接地選線裝置和備用電源自投裝置及低周減載裝置子系統(tǒng)，一次和二次系統(tǒng)正常運行的監(jiān)視和異常運行的報警，各二次控制系統(tǒng)動作的監(jiān)視和報警，變電站輔助設備異常的報警，一次系統(tǒng)的拓撲

12、分析， 五防操作票的自動生成及走錯間隔和誤操作閉鎖，一次系統(tǒng)檢修票的自動生成，一次設備狀態(tài) 檢修的分析和安排，輸電線路的故障測距，按分級分區(qū)定值要求的變電站無功補償裝置和變壓 器抽頭的自動調(diào)整(AVR,本站電網(wǎng)低頻振蕩的捕捉和分析，本站電網(wǎng)頻率諧波分析，本站電 網(wǎng)負荷特性分析，利用站內(nèi)各種信息所做的本站電網(wǎng)故障分析，變電站值班員培訓仿真及所用 的外部網(wǎng)絡仿真的組合等等。變電站綜合自動化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由一個計算機主控系統(tǒng)和各種控制子系統(tǒng)構(gòu)成，主控系統(tǒng)提供一套支持軟件，如實時和歷史數(shù)據(jù)的存儲管理、畫面生成和顯示管理、統(tǒng)計計算和報 表管理、與各級調(diào)度SCADA主站的通信管理等，此外還提供各種計算和分

13、析功能。變電站綜合 自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的相應功能替代了原先RTU的“四遙”和事件順序記錄SOE(Sequence of Events)等功能，信息采集的種類大幅度增加，采集速度大幅度提高。3電力系統(tǒng)調(diào)度信息的分類電力系統(tǒng)運行時，各級調(diào)度中心及發(fā)電廠、變電站之間要傳遞反映運行狀態(tài)和進行控制調(diào) 節(jié)的信息。由于電力系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電站數(shù)量多、分布地域廣、運行狀態(tài)變化頻繁、變化過 程快，因此要求調(diào)度信息采集和傳輸具有高實時性和高可靠性。在電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸變電、 供用電是同時進行的，時刻都要保持電的平衡，調(diào)度信息的高實時性必須滿足調(diào)度人員和調(diào)度 自動化系統(tǒng)及時響應的要求。遙信、遙測信息的差錯會

14、導致調(diào)度人員做出錯誤判斷和決策，而 控制命令發(fā)生差錯將會導致誤操作。 調(diào)度信息的高可靠性是保證控制命令正確執(zhí)行的先決條件。調(diào)度信息可按功能要求、信息流向、信息制式等進行分類。按功能要求分類，可分為實時 信息，批次信息和水情信息:3.1實時信息反映電力系統(tǒng)實時運行狀態(tài)和進行設備控制調(diào)節(jié)的信息。從調(diào)度控制中心角度或主站角度，實時信息分為遙信信息、遙測信息、遙控信息和遙調(diào)信息。?遙信信息：反映電力系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電站內(nèi)各斷路器、隔離開關(guān)的合分狀態(tài)，變壓器分接 頭位置以及繼電保護和自動裝置的動作狀態(tài)等，用于確定電網(wǎng)的拓撲連接關(guān)系。?遙測信息：反映電力系統(tǒng)中發(fā)電機、變壓器和線路的有功功率、無功功率、電流

15、，母線電壓， 會解列區(qū)域的頻率以及用于統(tǒng)計的電能量和無功電量等，用于確定電網(wǎng)運行狀態(tài)。?遙控信息：由調(diào)度控制中心向所管轄的發(fā)電廠、變電站發(fā)送的斷路器合分閘、發(fā)電機開停機 以及電容器和其它自動裝置投切的遙控命令。用以控制操作遠方的電力設備。?遙調(diào)信息：由調(diào)度控制中心向所管轄的發(fā)電廠、變電站發(fā)送的調(diào)節(jié)發(fā)電機功率和電壓、變壓 器分接頭以及其它電力設備的遠方調(diào)節(jié)命令，以改變遠方設備的運行工況。?相量信息：用通過相量測量裝置PMU高速采樣三相電壓電流，經(jīng)離散傅立葉變換DFT(Dispersed Fourier Transform)得電壓電流基波和各次諧波相量的模及相位。? SOE信息：從發(fā)電廠、變電站發(fā)

16、向調(diào)度控制中心的帶有發(fā)生時間標志的事件記錄。3.2批次信息為管理服務的數(shù)據(jù)，報表以及對電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行進行運算后的一些結(jié)果數(shù)據(jù)。其實時性要求較低，因此經(jīng)常是等待積累到一定數(shù)量且通信通道無重要信息傳送時按批次發(fā)送信 息。3.3氣象、水文、水情信息反映電力系統(tǒng)有關(guān)地區(qū)內(nèi)氣象水情情況信息對調(diào)度控制中心進行運行調(diào)度也是有意義的。如氣溫、雨量等氣象信息可供預測負荷變化。雷電、雨、風信息有助于進行電力系統(tǒng)事故預想。水電站上游水庫水位、下游尾水位、流域來水等水文水情信息，可協(xié)助運行計劃人 員對水電站進行發(fā)電計劃安排。3.4信息傳輸?shù)闹剖秸{(diào)度信息在通道上傳送一般均是采用數(shù)碼形式。廠站端信息輸入和輸出制式

17、可分為模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量和脈沖量：?模擬量：量測量的數(shù)值是隨時間連續(xù)變化。為適應數(shù)據(jù)采集、遙測傳送和計算機處理的技術(shù)要求，遙測信息的廠站端信息輸入制式是模擬量輸入，模擬量輸入必需經(jīng)過模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換器成為二進制數(shù)碼；設定值(Set Point )的遙調(diào)信息的廠站端信息輸出制式是模擬量輸出，必 需把二進制數(shù)碼形式的遙調(diào)信息經(jīng)過數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換器成為模擬量輸出。?數(shù)字量：量測量的數(shù)值在時間上是離散的，其數(shù)值以二進制編碼來表達。如水位計、變壓器分接頭的檔位的輸出就是二進制編碼或二十進制編碼的廠站端數(shù)字量輸入，而有級調(diào)節(jié)的遙調(diào)信息通常是以廠站端數(shù)字量輸出。斷路器、隔離開關(guān)、繼電保護裝置的接點等

18、稱為開關(guān)量或狀態(tài)量，它們是只具有二種狀態(tài)的量。一個開關(guān)量狀態(tài)可用一個或二個比特表示，所以開關(guān)量實 際上也是數(shù)字量。?脈沖量：以脈沖形式表示的量。如以脈沖輸出的電能表，脈沖計數(shù)的累加值就反映電能。脈沖輸出的電能信息就是廠站端脈沖量輸入。廠站端脈沖量輸出分為脈沖寬度調(diào)制的遙調(diào)輸出和定脈沖寬度，以脈沖計數(shù)調(diào)節(jié)的遙調(diào)輸出。通常升降命令的遙調(diào)輸出是以脈沖計數(shù)調(diào)節(jié)的脈沖 量輸出。4數(shù)據(jù)通信SCADA系統(tǒng)所關(guān)心的通信是數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信可能通過模擬通信也可能通過數(shù)字通信實現(xiàn)。數(shù)字數(shù)據(jù)信號通常經(jīng)調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換后為3.4kHz帶寬的音頻模擬信號。該模擬信號可以用模擬通信通道來傳輸；該模擬信號也可以先進行數(shù)字化即

19、采樣、量化和編碼成64kb/s速率的數(shù)字信號，然后用數(shù)字通信通道傳輸。循環(huán)式CDT和問答式Polling都采用這種數(shù)據(jù)傳輸 方法。這種數(shù)據(jù)傳輸方法所采用的通信通道稱為遠動專線通道。目前國內(nèi)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)已經(jīng)建成并正在完善，以計算機網(wǎng)絡通信實現(xiàn)子站與調(diào)度中心之間以及調(diào)度中心與調(diào)度中心之間的數(shù)據(jù)通信。以計算機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)站或數(shù)據(jù)終端與數(shù)字通信線路之間需要安裝路由器。網(wǎng)絡方式都采用這種數(shù)據(jù)傳輸方法。這種數(shù)據(jù)傳輸方法所采用的通信 通道稱為網(wǎng)絡通道。網(wǎng)絡方式遠動規(guī)約的國際標準是IEC 60870-5-104。調(diào)度中心之間的數(shù)據(jù)通信采用標準的通信協(xié)議IEC 60870-6 (TASE.2)或DL476-92

20、。遠動數(shù)據(jù)的通信方式通常有有線、電力線載波、微波和光纖等。5 SCADA 后臺系統(tǒng)的主要功能SCADA后臺系統(tǒng)的主要功能有數(shù)據(jù)處理和控制調(diào)節(jié)、計算量運算、告警處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、制表打印、拓撲著色、事故追憶、與其它子系統(tǒng)的計算機通信和人機界面交互等。數(shù)據(jù)處理和控制調(diào)節(jié)是SCADA應用的基本功能，主要實現(xiàn)與前置系統(tǒng)的通信，并完成SCADA系統(tǒng)最基本的遙信、遙測、遙控、遙調(diào)功能。由計算量運算軟件計算SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)的派生量，計算結(jié)果可以和其他非計算量一樣進行數(shù)據(jù)處理。告警處理應用軟件適用于所有的應用軟件，包括了SCADA應用軟件在數(shù)據(jù)處理和控制調(diào)節(jié)中的報警。歷史數(shù)據(jù)存儲軟件采集和存儲了歷史數(shù)據(jù)，以作為調(diào)度計劃的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和用于運行報表的制作。制表印軟件服務于調(diào)度管理的需要，進行報表的定制，以定時或人工召喚的方式顯示或打印運行報表。拓撲著色軟件通過不同顏色在廠站接線圖上動態(tài)而直觀地反映系統(tǒng)解列情況和每個設備當前的帶電狀 況。擾動后事故追憶可以保存事故場景且進行事故場景的重演，以進行分析和研究。SCADA舌臺系統(tǒng)計算機與其它系統(tǒng)計算機之間的計算機通信能便利而安全地實現(xiàn)信息交換和數(shù)據(jù)共享。人機界面交互軟件使操作者通過人機界面與應用程序進行交互，得以實現(xiàn)各種應用所需的功能。6 SCADA