摘要：主要介紹廣州北部新國際機場高速公路電力SCADA監控系統的構成、作用和應用效果。
關鍵詞：SCADA系統、 Modbus Plus（MB+）網絡、 PLC控制(采樣)單元、上位機系統、 下位機系統
引言
在電力系統中，SCADA系統應用最為廣泛，技術發展也最為成熟。它有著信息完整、提高效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢，現已經成為電力調度不可缺少的工具。它對提高電網運行的可靠性、安全性與經濟效益，減輕調度員的負擔，實現電力調度自動化與現代化，提高調度的效率和水平中方面有著不可替代的作用。
隨著高速公路交通自動化的提高，其電力供應的自動化程度也必須不斷提高，SACADA系統運用到高速公路的電力監控系統也就成了必然。如：廣州市北部地區（新國際機場）高速公路的電力自動化監控系統就是這樣一個運用了當前最先進SCADA技術的監控系統。
系統概述
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統作為生產過程和事物管理自動化最為有效的工業控制軟硬件系統之一，它包含兩個層次的含義：一是分步式的數據采集系統，即智能數據采集系統，也就是通常所說的下位機；另一個是數據處理和顯示系統，即中心上位機HMI（Human Machine Interface）系統。
在監控系統中心的上位機部分，監控主站通常采用局域網絡方式如傳輸速率為 1OMBPS／1OOMBPS自適應的以太網，構成以計算機設備為核心，以功能為模塊，以節點為單元的調度中心系統。監控主站系統通常配置有網絡設備、后臺數據處理機、操作員工作站、系統維護工作站、前置通信處理機等計算機設備，打印服務器、打印機、掃描儀等外圍設備以及模擬盤、大屏幕投影、UPS不間斷電源及系統軟件資源等。
監控子站系統通常由數據采集設備和通訊接口設備構成如RTU。監控子站與主站的通信通道可為遠程撥號、載波、微波、光纖、無線、專線ISDN等多種形式，SCADA系統支持多種通訊規約。
整個SCADA系統的網絡數據通訊總體上采取的是客戶／服務（Client／Server）模式,即被稱為“按需求傳送數據”的方式。這種方式有以下優點: 1、使網絡負擔大大減輕；2、提高了網絡中各個節點之間的相互獨立性；3、極其簡便系統的擴充；3、多路徑訪問能力。
這樣，監控系統為用戶提供了極為靈活的選擇在需要集中數據庫的場合，可以選用性能較高的SCADA節點，將所有實時數據集中在一個實時數據庫中。而在需要分布式數據庫的場合則可以用多個SCADA節點，將實時數據分布在不同的實時數據庫中，并可以保證各個節點能夠同時高效地訪問各個實時數據庫。
系統方案
根椐廣州市北部地區（新國際機場）高速公路現場實際存在的一些情況以及電力SCADA監控系統一般所具有的性能，最終確定系統的方案如下：
整個高速公路電力SCADA監控系統由中心上位機系統和下位機系統（PLC控制單元）兩部分組成。上位機系統包括數據采集與處理服務器，調度員工作站和數據庫。其中，數據采集與處理服務器主要負責與通訊前置機之間進行數據交換；數據庫服務器用來存儲和管理整個系統的過程數據庫；調度員工作站的任務是提供一個良好的人機界面供調度員進行監視和控制。下位機系統由PLC控制（采樣）單元組成，也就是各被控站，包括九個變電所（三元里、新市、黃石南、黃石北、服務區（預留）、蚌湖、新機場南站、新機場北站、主線收費站變電所），一個中心變配電所（平沙變配電所）和八個箱式變電站（XB1~XB8箱式變電站）。它們通過網橋與中心的通訊前置機（QUANTUM）相連，實現網絡協議與串口協議的轉換。
本系統方案的優點在于網絡通訊速度較快且組網方便；在技術上具有先進性和可靠性。并且它充分考慮了將來INTERNET技術發展的趨勢，利用施耐德電氣公司獨有的專利技術——透明工廠技術，使用戶可以在任何地方，通過INTERNET對監控設備進行維護。另外，考慮到電力對安全要求的特殊性，本系統方案在提升技術的先進性的同時，完全保留了傳統電力監控系統的安全需求。
此外，本電力SCADA監控系統方案能夠充分考慮到操作人員的實際情況，在操作上極具方便性，操作相對較為簡單。使操作人員并不需要太多的計算機專業知識，便可進行正常的操作。
系統結構
整個高速公路電力SCADA監控系統如下圖：
系統監控中心
前置機（通信處理機）通信前置處理機是專為處理大量遠程數據通訊而設計的設備。主要作為運動數據通道接口，擴大遠程I／O的容量，完成數據的發送、接收及數據的子處理（簡稱為RCG），如通訊規約的變換等減輕控制站主機節點的CPU負荷。
后臺處理機（SCADA節點機）后臺處理主機又稱為SCADA節點機，它是整個監控系統的核心，運行著實時數據庫，擔負著數據處理，報警發布等功能。由于后臺處理機十分重要，所以大部分的調度監控系統對其采用雙重配置，冗余結構，互為備用。兩套主、備后臺處理機支持數據校驗以保證數據庫的完整性和一致性，同時提供對雙機工作狀態的在線檢測。其主要功能包括：
1、遙測、遙信功能，包括數據的工程量值轉換，越限檢查等；
2、遙控功能：包括控制命令的發布、控制條件的檢查、模擬盤操作等；
3、告警處理功能：包括報警條件的設定、報警的發布、確認等；
4、歷史數據處理功能：包括歷史數據的收集、歷史曲線的顯示、歷史統計資料的存儲、歷史統計報表的建立、打印等；
5、安全管理功能：包括個人帳戶的建立、操作權限的檢查、操作區域的劃分、檢查操作過程記錄等；
6、系統顯示功能：包括各種單線圖、曲線、圖表等畫面的顯示；
7、系統組態，完成網絡節點、路徑、報警、安全等參數的設置功能。
操作員節點 調度監控系統中的操作員節點設計為MMI（Man Machine Interface）人-機交互方式，其數量和設置方式可根據系統規模和用戶的行業特點靈活配置。如單機方式，單機雙屏方式，雙機方式等。操作員節點通過網絡適配器與網絡相連，獨立工作。其主要功能包括：
1、操作員操作命令的發布、對供電系統的實時監視和調度管理；
2、系統顯示，包括各種單線圖、曲線、圖表等畫面的顯示；
3、與大屏幕投影設備實現一對一顯示；
4、告警信息的接收、確認；
5、安全管理包括個人帳戶的建立操作權限的檢查操作區域的劃分、檢查操作過程記錄；
6、系統參數設置；
7、運營管理，包括調度文檔的管理、統計報表生成及制作、系統演示、模擬培訓等。
維護員節點系統通常設有一維護員節點機用于生成、維護、修改、管理系統的實時數據庫、歷史數據庫及用戶畫面，并定義、修改系統運行參數及開發應用程序等。同時該節點還可負擔監視系統的運行狀態，并對重要工況參數進行實時打印。系統對數據庫、用戶畫面和系統運行參數的修改、定義，可在線進行，但不影響系統的正常運行，且實時庫、歷史庫及畫面的修改均采用無須編程的人機對話方式。另外，維護員節點機可以與任意操作員工作站互換，成為操作員工作站設備的備用設備，以解決某些特殊情況。
通訊節點機通訊節點機的作用主要是作為本地監控系統與上級或其他需要本地信息的遠程節點的通訊接口，其主要功能是：提供多種讀寫數據的方法，并能方便的構成數據通信庫。通過標準的通信協議接口與用戶指定的計算機通信。通過標準的通信協議接口與用戶指定的計算機通信。
打印服務器及公用打印機調度監控中心內一般設有數臺打印機，用于報表打印、實時數據（事件）打印、畫面拷貝等,打印服務器直接連接到局域網上，由其管理打印作業，將大大節省系統資源。
模擬盤和大屏幕投影模擬盤是調度監控中心經常采用的設備，是進行系統運行管理的有效手段。而大屏幕投影在近年來出現，被廣泛用于各行業調度監控指揮中心的又一種監控手段，并在某些領域逐漸取代模擬盤。SCADA系統在很多工程項目中應用過模擬盤和大屏幕投影。
時鐘系統 為保證整個遠動裝置的時鐘同步，本系統在控制站配置一套GPS衛星時鐘系統，作為控制中心的主時鐘。該設備以美國全球衛星定位系統發送的時間信號為標準，向各種自動化裝置提供精確的同步時間信號，定時精度±1μS。基本功能：向主計算機傳輸年、月、日（天／年）、時、分、秒等信息，校正主計算機的時鐘，面板上LED顯示日歷時鐘。
系統下位機下位機一般意義上指各種數據采集設備，如各種RTU、 FTU、PLC及各種智能控制設備等等。這些智能采集設備與生產過程和事務管理的設備或儀表相結合，時感知設備各種參數的狀態，并將這些狀態信號轉換成數字信號，通過特定數字通信網絡傳遞到HMI系統中。必要的時候，這些智能系統也可以向設備發送控制信號。上位機HMI系統在接受這些信息后，以適當的形式如聲音、圖形、圖象等方式顯示給用戶，以達到監視的目的，同時數據經過處理后，告知用戶設備各種參數的狀態（報警、正常或報警恢復），這些處理后的數據可能會保存到數據庫中，也可能通過網絡系統傳輸到不同的監控平臺上，還可能與別的系統（如MIS，GPS）結合形成功能更加強大的系統；HMI還可以接受操作人員的指示，將控制信號發送到下位機中，以達到控制的目的。
下面以廣州市北部地區（新國際機場）高速公路的電力自動化監控系統為例，敘述高速公路電力SCADA監控系統的結構組成及功能。
廣州市北部地區（新國際機場）高速公路從三元里至新國際機場，全線設置一套電力監控（SCADA）系統，對所管轄的變電所、變配電所及箱式變電站等供電設施進行監控管理，該監控系統由設在蚌湖控制中心大樓內的控制站，數據傳輸通道設在沿線的各被控站設備組成，被控站包括九個變電所（三元里、新市、黃石南、黃石北、服務區（預留）、蚌湖、新機場南站、新機場北站、主線收費站變電所），一個中心變配電所（平沙變配電所）和八個箱式變電站（XB1~XB8箱式變電站）。
本電力SCADA監控系統主要實施對廣州市北部地區（新國際機場）高速公路工程中變配電所、變電所、箱式變電站等多種供電設備進行遠程監視、控制、測量，實現無人值守，對各種瞬間發生的電氣事故進行分析判斷，對現場眾多電氣數據進行記錄和統計處理。
并且，系統在設計時，控制站設備的容量及通信接口容量充分考慮到了規劃中北延線供電設備的管理。
此外，電力監控系統除完成對上述供電設施的集中監控及對沿線供電設施的調度管理外，還具有高度的可靠性、柔軟的擴展性、完備的自檢性及良好的可維護性。本電力SCADA監控系統的設備是采用九十年代中期以來的產品；系統的軟、硬件采用了模塊化結構，冗余配置；系統具有豐富的運行經驗，且技術成熟、功能完善、性能先進。
系統配置監控中心：SCADA監控系統的上位機部分我們選用工業控制機和WINDOWS 2000作為基礎的硬件平臺和軟件平臺，同時用iFIX軟件開發圖形化的調度員工作站。iFIX軟件是： Intellution公司的組態軟件，應用與工控領域，能夠有效的實現SCADA結點機和PLC設備的無縫連接；界面的產生、數據庫的管理、報警和安全機制都能很好的實現。用另個用iFIX軟件和VC＋＋編程開發工具共同開發系統的數據采集與處理服務器、數據庫服務器。其內部設置了動態實時數據庫、歷史記錄數據庫、監控對象數據庫等多種關系型數據庫。整個上位機系統組成以太網，可通過TCP/IP協議與INTERNET網絡互聯，使用戶可以在任何地方，通過INTERNET對監控設備進行維護。
監控下位機：根據廣州北部新國際機場高速公路電力SCADA監控系統系統方案，以及高速公路現場的情況，經設備比選，我們最終選定了Schneider公司的Compact系列PLC產品來構成系統的下位機。該PLC的特點是：以性能可靠、穩定而著稱的專為基礎設計生產的PLC系列。作為同行業中在價格和性能方面的佼佼者，該系列PLC具有簡單、結實的特點。該系列PLC具有兼容性好，處理速度快，具有可擦寫的存儲器，完整的I/O選項，具有遠程I/O能力。同時其強大的編程功能保證了系統的各類控制功能的需求。
現場中我們所需的采樣數據可分為模擬量輸入（AI）、離散量輸入（DI）和離散量輸出（DO）三類。在模塊構成上，我們所選用的各主要模塊規格及技術指標如下：
序號
型號及規格
模塊說明
1
PC-E984-275
CPU模塊,2個MB串口，1個MB＋口
2
AS-BDEP-216
16路開關量輸入模塊
3
AS-BDAP-216N
16路開關量輸出模塊
4
AS-BADU-214
8路模擬量輸入模塊
我們選定了Schneider公司的Quantum系列PLC組成系統的通訊前置機；Quantum系列PLC的CPU采用Intel586 133MHz芯片，具有極高的數據處理能力，在通訊方面可提供串口、MODBUS PLUS網絡通信并可配置以太網通訊模塊。該系列PLC是施耐德電氣公司推出的綜合自動化平臺，具有模塊化的、 可擴充的結構。并且所有的模塊都能帶電插拔, 任何模板沒有槽位限制；每個模塊, 模擬量通道, 鋰電池, 通訊通道的狀態都能通過人機界面或用戶程序以及IE瀏覽器檢測，它特別適合于工業及生產過程的實時控制。通訊前置機通過BM85網橋與系統下位機的PLC控制（采樣）單元相聯，從而實現MODBUS PLUS網絡協議與MODBUS網絡協議（串口協議）的轉換。而通訊前置機與上位機系統則通過以太網協議直接相聯，與系統上位機組成局域網。
系統功能1、遙控功能
對可操作對象進行遠方控制，其中，又可分為：
a、單獨控制：對被控站內某一開關設備進行的狀態控制。
b、程序控制：對所控對象內容按預先設定的若干單控操作步驟組合而成一個控制程序。在程序控制執行前具有自動檢查各控制對象是否具備控制條件，列出不具備控制條件的控制對象，以提示操作人員處理。當出現不正常情況時系統將顯示適當的提示。
c、開關閉鎖控制：對被控站內任何開關設備的操作根據要求進行閉鎖。當對閉鎖開關進行再操作時，將顯示適當的提示信息。系統也可對變電所內所有開關進行快速操作閉鎖。
d、手動模擬置位操作：當RTU或通道故障時，可手動設置開關的位置狀態，此外，手動隔離開關的狀態亦采用手動置位操作方式。當置為手動方式時，監控系統的控制功能失效。
e、控制操作方式：操作過程分為“選擇”和“執行”兩步操作，并對“選擇”步驟進行校驗。
2、遙信監視功能
各被控站運動終端將各種遙信信息（開關位置等）傳送到電力監控中心，實現對各被控站運行狀態的監視。
a、正常運行狀態的監視：對供電系統及供電設備運行狀態的監視。
對供異常運行狀態的監視：電系統及供電設備非正常運行狀態下的非緊b、急故障信息內容及發生事故后的緊急故障信息內容的監視。
c、警報提示：系統提供警報信息功能，警報提示將包括畫面顯示、文本信息和音響報警，并提供警報確認和存貯手段，根據報警條件設置警報級別。當供電系統及供電設備出現非正常運行時，發出非緊急故障報警，出現事故時可發出緊急故障報警，兩種音響有明顯區別。
d、顯示和處理：可以按照用戶的要求進行顯示。
e、事件記錄：可按照事件發生的時間順序對事件進行記錄。
f、操作記錄：可對用戶的操作進行記錄；
g、故障記錄：按照故障發生的時間順序記錄。
3、遙測功能
主要遙測量:電流、電壓、功率因數等。通過系統底層的數據采集設備，數據經過采集、處理后送到控制站主機。
4、數據處理功能
模擬量和脈沖量具有校驗功能
5、報表功能
a、日報
b、月報
c、統計
報表系統具有豐富強大的電子制表功能，通過SQL／ODBC標準，可方便地將系統的實時數據、歷史數據、應用數據與報表系統鏈接?？缮筛鞣N展示圖，形成圖文并貌、直觀清晰的圖文報表。
系統根據用戶定義的報表內容、格式、時間自動生成日報、月報、年報及考核報表，并可召喚、定時和條件驅動打印報表。
6、在線自檢和防干擾能力
可對各等級的運行管理人員進行口令級別設置和檢查；確定每個操作員的操作權限，并記錄操作員的各種操作。
在一個操作員操作過程中，系統將跟蹤其操作過程，并將所有的操作過程記錄在歷史信息庫中，以備查驗。
系統具有：
a、防止誤操作的自閉鎖和自啟動能力。
b、主要軟件防侵害的能力。
c、試驗、調試軟件功能。
d、檢查各模塊工作狀態，并顯示其狀態的功能。
e、檢查遙測精度的功能。
f、對各種重要命令和操作系統具有“超時監視”，“計次重執”等功能，如有異常，立即進行自動恢復，并顯示。當出現多重選擇時，自動取消選擇，并顯示“多重選擇”。
g、輸入采用光電耦合器件隔離外部強電壓，提高了抗干擾能力。
h、有良好的接地措施。
i、系統在電源開關投入后或失電恢復后能自啟動，對偶然因素引起的混亂設自恢復機構。
j、系統時鐘可通過控制站GPS衛星鐘與全球定位系統對時。
7、其它輔助功能
a、系統為全組態監控系統；具有良好的在線修改和擴充能力。組態及在線修改工作易操作，完全采用人機對話表格輸入方式。
系統對各種用戶畫面和數據庫可進行在線修改、編輯和定義。所有修改采用人機對話、菜單或表格輸入方式，包括數據庫生成，畫面生成，控制監視、測量點參數的修改和刪除，調度任務的生成和修改等。
b、系統盡管功能豐富、技術先進，但它對使用者而言非常簡單，系統的建立和維護等工作都是在形象的圖形工具、簡單的對話框、列表框等友好的用戶界面環境中完成，并且提供詳細的在線幫助文件。
c、系統運行事務管理功能：
調度系統事務管理功能軟件包。該軟件包括設備管理、統計報表生成制作及文檔管理等。
8、選配功能
a、遙測量的圖形顯示功能；
b、各種帶條件的自動控制功能，如在調度端根據季節、時間等條件對路燈實行自動控制和半夜燈控制；
c、實現與其他系統的接口和數據轉發將局域網系統通過通訊網絡以及路由器向總公司MIS系統傳送數據；
d、供電系統的設備管理，運行狀態的查詢及運行參數的統計，為系統設備的狀態修提供支持；
設備管理模塊包括設備的錄入、修改及查詢。
記錄設備檢修情況：檢修開始，檢修結束時問，檢修時間，損失電能量。
e、統計報表制作：統計報表可隨時生成，信息可從實時數據庫、歷史數據庫及統計數據庫中取出。
f、模擬培訓功能，實現對調度管理人員的操作培訓；
系統性能遙控平均傳輸時間<3秒
遙信變位傳送時間<2秒
信息傳送速率不小于9600bps
遙測合格率大于98%（信道誤碼率<0.000001，信噪比>17db時）
遙信正確率大于99%（信道誤碼率<0.000001，信噪比>17db時）
遙控、遙調（信道誤碼率<0.000001，信噪比>17db時）拒動率：<2%；誤動率：<0.01%
遙信分辨率（被控站）：<10ms
系統平均無故障時間大于20000小時
為保證監控裝置及人身安全，裝置各部分的絕緣電阻和絕緣電壓遵循IEC255-5、電力工業DL497及GB/T14598.3等相關標準。
遙測綜合誤差不大于1.5%
雙機自動切換到監控功能基本恢復時間不大于15秒
