施耐德公司Compact系列PLC产品在高速公路电力SCADA监控系统中的

摘要：主要介绍广州北部新国际机场高速公路电力SCADA监控系统的构成、作用和应用效果。
关键词：SCADA系统、　Modbus Plus（MB+）网络、　PLC控制(采样)单元、上位机系统、　下位机系统

引言
在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。
随着高速公路交通自动化的提高，其电力供应的自动化程度也必须不断提高，SACADA系统运用到高速公路的电力监控系统也就成了必然。如：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就是这样一个运用了当前最先进SCADA技术的监控系统。

系统概述
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工业控制软硬件系统之一，它包含两个层次的含义：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 1OMBPS／1OOMBPS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。监控主站系统通常配置有网络设备、后台数据处理机、操作员工作站、系统维护工作站、前置通信处理机等计算机设备，打印服务器、打印机、扫描仪等外围设备以及模拟盘、大屏幕投影、UPS不间断电源及系统软件资源等。
监控子站系统通常由数据采集设备和通讯接口设备构成如RTU。监控子站与主站的通信通道可为远程拨号、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、使网络负担大大减轻；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。
这样，监控系统为用户提供了极为灵活的选择在需要集中数据库的场合，可以选用性能较高的SCADA节点，将所有实时数据集中在一个实时数据库中。而在需要分布式数据库的场合则可以用多个SCADA节点，将实时数据分布在不同的实时数据库中，并可以保证各个节点能够同时高效地访问各个实时数据库。

系统方案
根椐广州市北部地区（新国际机场）高速公路现场实际存在的一些情况以及电力SCADA监控系统一般所具有的性能，最终确定系统的方案如下：
整个高速公路电力SCADA监控系统由中心上位机系统和下位机系统（PLC控制单元）两部分组成。上位机系统包括数据采集与处理服务器，调度员工作站和数据库。其中，数据采集与处理服务器主要负责与通讯前置机之间进行数据交换；数据库服务器用来存储和管理整个系统的过程数据库；调度员工作站的任务是提供一个良好的人机界面供调度员进行监视和控制。下位机系统由PLC控制（采样）单元组成，也就是各被控站，包括九个变电所（三元里、新市、黄石南、黄石北、服务区（预留）、蚌湖、新机场南站、新机场北站、主线收费站变电所），一个中心变配电所（平沙变配电所）和八个箱式变电站（XB1~XB8箱式变电站）。它们通过网桥与中心的通讯前置机（QUANTUM）相连，实现网络协议与串口协议的转换。
本系统方案的优点在于网络通讯速度较快且组网方便；在技术上具有先进性和可靠性。并且它充分考虑了将来INTERNET技术发展的趋势，利用施耐德电气公司独有的专利技术——透明工厂技术，使用户可以在任何地方，通过INTERNET对监控设备进行维护。另外，考虑到电力对安全要求的特殊性，本系统方案在提升技术的先进性的同时，完全保留了传统电力监控系统的安全需求。
此外，本电力SCADA监控系统方案能够充分考虑到操作人员的实际情况，在操作上极具方便性，操作相对较为简单。使操作人员并不需要太多的计算机专业知识，便可进行正常的操作。

系统结构
整个高速公路电力SCADA监控系统如下图：


系统监控中心
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（简称为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。两套主、备后台处理机支持数据校验以保证数据库的完整性和一致性，同时提供对双机工作状态的在线检测。其主要功能包括：
1、遥测、遥信功能，包括数据的工程量值转换，越限检查等；
2、遥控功能：包括控制命令的发布、控制条件的检查、模拟盘操作等；
3、告警处理功能：包括报警条件的设定、报警的发布、确认等；
4、历史数据处理功能：包括历史数据的收集、历史曲线的显示、历史统计资料的存储、历史统计报表的建立、打印等；
5、安全管理功能：包括个人帐户的建立、操作权限的检查、操作区域的划分、检查操作过程记录等；
6、系统显示功能：包括各种单线图、曲线、图表等画面的显示；
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，其数量和设置方式可根据系统规模和用户的行业特点灵活配置。如单机方式，单机双屏方式，双机方式等。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：
1、操作员操作命令的发布、对供电系统的实时监视和调度管理；
2、系统显示，包括各种单线图、曲线、图表等画面的显示；
3、与大屏幕投影设备实现一对一显示；
4、告警信息的接收、确认；
5、安全管理包括个人帐户的建立操作权限的检查操作区域的划分、检查操作过程记录；
6、系统参数设置；
7、运营管理，包括调度文档的管理、统计报表生成及制作、系统演示、模拟培训等。
维护员节点
系统通常设有一维护员节点机用于生成、维护、修改、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。同时该节点还可负担监视系统的运行状态，并对重要工况参数进行实时打印。系统对数据库、用户画面和系统运行参数的修改、定义，可在线进行，但不影响系统的正常运行，且实时库、历史库及画面的修改均采用无须编程的人机对话方式。另外，维护员节点机可以与任意操作员工作站互换，成为操作员工作站设备的备用设备，以解决某些特殊情况。
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，其主要功能是：提供多种读写数据的方法，并能方便的构成数据通信库。通过标准的通信协议接口与用户指定的计算机通信。通过标准的通信协议接口与用户指定的计算机通信。
打印服务器及公用打印机
调度监控中心内一般设有数台打印机，用于报表打印、实时数据（事件）打印、画面拷贝等,打印服务器直接连接到局域网上，由其管理打印作业，将大大节省系统资源。
模拟盘和大屏幕投影
模拟盘是调度监控中心经常采用的设备，是进行系统运行管理的有效手段。而大屏幕投影在近年来出现，被广泛用于各行业调度监控指挥中心的又一种监控手段，并在某些领域逐渐取代模拟盘。SCADA系统在很多工程项目中应用过模拟盘和大屏幕投影。
时钟系统
为保证整个远动装置的时钟同步，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。该设备以美国全球卫星定位系统发送的时间信号为标准，向各种自动化装置提供精确的同步时间信号，定时精度±1μS。基本功能：向主计算机传输年、月、日（天／年）、时、分、秒等信息，校正主计算机的时钟，面板上LED显示日历时钟。
系统下位机
下位机一般意义上指各种数据采集设备，如各种RTU、 FTU、PLC及各种智能控制设备等等。这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，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，通过特定数字通信网络传递到HMI系统中。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HMI系统在接受这些信息后，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，还可能与别的系统（如MIS，GPS）结合形成功能更加强大的系统；HMI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。

下面以广州市北部地区（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监控系统的结构组成及功能。
广州市北部地区（新国际机场）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（三元里、新市、黄石南、黄石北、服务区（预留）、蚌湖、新机场南站、新机场北站、主线收费站变电所），一个中心变配电所（平沙变配电所）和八个箱式变电站（XB1~XB8箱式变电站）。
本电力SCADA监控系统主要实施对广州市北部地区（新国际机场）高速公路工程中变配电所、变电所、箱式变电站等多种供电设备进行远程监视、控制、测量，实现无人值守，对各种瞬间发生的电气事故进行分析判断，对现场众多电气数据进行记录和统计处理。
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。
此外，电力监控系统除完成对上述供电设施的集中监控及对沿线供电设施的调度管理外，还具有高度的可靠性、柔软的扩展性、完备的自检性及良好的可维护性。本电力SCADA监控系统的设备是采用九十年代中期以来的产品；系统的软、硬件采用了模块化结构，冗余配置；系统具有丰富的运行经验，且技术成熟、功能完善、性能先进。
系统配置
监控中心：SCADA监控系统的上位机部分我们选用工业控制机和WINDOWS　2000作为基础的硬件平台和软件平台，同时用iFIX软件开发图形化的调度员工作站。iFIX软件是： Intellution公司的组态软件，应用与工控领域，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。用另个用iFIX软件和VC＋＋编程开发工具共同开发系统的数据采集与处理服务器、数据库服务器。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。整个上位机系统组成以太网，可通过TCP/IP协议与INTERNET网络互联，使用户可以在任何地方，通过INTERNET对监控设备进行维护。
监控下位机：根据广州北部新国际机场高速公路电力SCADA监控系统系统方案，以及高速公路现场的情况，经设备比选，我们最终选定了Schneider公司的Compact系列PLC产品来构成系统的下位机。该PLC的特点是：以性能可靠、稳定而着称的专为基础设计生产的PLC系列。作为同行业中在价格和性能方面的佼佼者，该系列PLC具有简单、结实的特点。该系列PLC具有兼容性好，处理速度快，具有可擦写的存储器，完整的I/O选项，具有远程I/O能力。同时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为模拟量输入（AI）、离散量输入（DI）和离散量输出（DO）三类。在模块构成上，我们所选用的各主要模块规格及技术指标如下：
序号
型号及规格
模块说明
1
PC-E984-275
CPU模块,2个MB串口，1个MB＋口
2
AS-BDEP-216
16路开关量输入模块
3
AS-BDAP-216N
16路开关量输出模块
4
AS-BADU-214
8路模拟量输入模块

我们选定了Schneider公司的Quantum系列PLC组成系统的通讯前置机；Quantum系列PLC的CPU采用Intel586 133MHz芯片，具有极高的数据处理能力，在通讯方面可提供串口、MODBUS　PLUS网络通信并可配置以太网通讯模块。该系列PLC是施耐德电气公司推出的综合自动化平台，具有模块化的、 可扩充的结构。并且所有的模块都能带电插拔, 任何模板没有槽位限制；每个模块, 模拟量通道, 锂电池, 通讯通道的状态都能通过人机界面或用户程序以及IE浏览器检测，它特别适合于工业及生产过程的实时控制。通讯前置机通过BM85网桥与系统下位机的PLC控制（采样）单元相联，从而实现MODBUS　PLUS网络协议与MODBUS网络协议（串口协议）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，与系统上位机组成局域网。
系统功能
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。在程序控制执行前具有自动检查各控制对象是否具备控制条件，列出不具备控制条件的控制对象，以提示操作人员处理。当出现不正常情况时系统将显示适当的提示。
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亦采用手动置位操作方式。当置为手动方式时，监控系统的控制功能失效。
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。

2、遥信监视功能
各被控站运动终端将各种遥信信息（开关位置等）传送到电力监控中心，实现对各被控站运行状态的监视。
a、正常运行状态的监视：对供电系统及供电设备运行状态的监视。
对供异常运行状态的监视：电系统及供电设备非正常运行状态下的非紧b、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。

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。

4、数据处理功能
模拟量和脉冲量具有校验功能

5、报表功能
a、日报
b、月报
c、统计
报表系统具有丰富强大的电子制表功能，通过SQL／ODBC标准，可方便地将系统的实时数据、历史数据、应用数据与报表系统链接。可生成各种展示图，形成图文并貌、直观清晰的图文报表。
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。

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；确定每个操作员的操作权限，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、调试软件功能。
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。当出现多重选择时，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。
j、系统时钟可通过控制站GPS卫星钟与全球定位系统对时。

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可进行在线修改、编辑和定义。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形象的图形工具、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。
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，为系统设备的状态修提供支持；
设备管理模块包括设备的录入、修改及查询。
记录设备检修情况：检修开始，检修结束时问，检修时间，损失电能量。
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；

系统性能
遥控平均传输时间遥信变位传送时间信息传送速率不小于9600bps
遥测合格率大于98%（信道误码率17db时）
遥信正确率大于99%（信道误码率17db时）
遥控、遥调（信道误码率17db时）拒动率：遥信分辨率（被控站）：系统平均无故障时间大于20000小时
为保证监控装置及人身安全，装置各部分的绝缘电阻和绝缘电压遵循IEC255-5、电力工业DL497及GB/T14598.3等相关标准。
遥测综合误差不大于1.5%
双机自动切换到监控功能基本恢复时间不大于15秒