浦东机场中心变电站SCADA系统的解决方案

1、浦东机场中心变电站SCADA系统的解决方案 上海机场集团运行管理公司戴 闯 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

2、。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（SCA

3、DA）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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、、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

13、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

14、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-MULTILIN微机型综合保护继电器，结合了控制、计量、数据采集、通讯及继电保护功能。其中DFP100主要实现进线保护、母线保护、馈线保护、断路器保护、电容器保护等，其保护和控制功能包括定时限过电流保护、定向过电流保护、三相过流保护和对地过流保护、负序过流保护、低电压和过电压保护、过负荷保护、断路器故障

15、保护等；其监视和测量功能主要包括故障检测、断路器工作正常检查、电量计量（含电压、电流、有功功率、无功功率及频率等）、200个事件记录、波形记录、自检功能。745主要实现变压器保护和控制功能，包括百分比差动、不制动差动、自适应谐波制动、自适应时间过流、频率过低、过励磁、接地故障制动以及多相、中性点和接地过流等；其监视和测量的内容包括变压器的所有电流值(相，中性点，所有对称电流)、THD和各次谐波(最多可达21次)、要求值、负荷率、谐波分析、分接头位置、环境温度、波形捕捉和记录等。 四、系统的实现 1、系统硬件设备 (1) PLC近年来，PLC(可编程序控制器)已经从单一的逻辑控制功能迅速发展到现

16、今的通讯、逻辑智能控制功能兼备的状况，并以其编程简洁(梯形图)、灵活方便、可靠性高、工作稳定、抗干扰能力强等优点广泛应用在自动化控制领域。因此在浦东机场变电站SCADA系统中，选用二台GE-FANUC的9030PLC作为前置机来完成数据采集控制、与下位继保通讯和上位监控工作站通讯等功能。其主要完成功能如下： 利用PLC的模拟量点采集处理母线电压、有功功率、无功功率、直流母线电压等信号。 利用PLC的开关量输入点采集站内一次运行方式的断路器、刀闸、接地闸刀位置信号和各种异常信号、直流屏信号等。 利用PLC的开关量输出点电流的通断控制断路器的合闸、跳闸，以达到对线路进行遥控的目的。 利用PLC的通

17、讯功能与继保通讯，读取保护动作信号、电流、主变油温、有载开关分接头位置、变压器瓦斯等信号。 PLC中的程序分为以下几个功能块，一是通讯功能块，其次是逻辑控制块，三是有载开关自动调压功能块和直流屏控制功能块，所有功能块均是用PLC梯形图设计。 (2) 继电保护装置 浦东机场中心变电站下位机系统采用的是GEMUTILIN的微机型数字保护单元。通过预先设定各种保护定值和参数，它不仅能完成前述的各种保护功能，而且还能测量包括35kV、0kV的母线三相电压、零序电压和频率；线路和母联电流、有功功率和无功功率；变压器高压侧电流、有功功率和无功功率、有功和无功电量以及变压器油温、有载调压器分接头位置等信号。

18、因此通过继保的通讯端口能将上述信号传送至上位PLC。而PLC读到这些信号后不仅在控制中应用到这些信号而且通过网络将这些信号传送至上位机系统。2、系统通讯 变电站综合自动化系统越来越多地采用现场总线（Fieldbus，Profibus，CAN，Modbus，Geniusbus等）作为站内通信网，将变电站内的所有装置与监控系统连接起来。本系统中我们采用Modbus作为站内通讯网，解决PLC和继电保护单元之间的通讯问题。继电保护装置和PLC通讯的Modbus协议采用半双工主从方式，每一个字包括位起始位、位数据位、位停止位和位校验位，通讯速率为19200。在应用中，为防止网络竞争而必须保证每一个从机有

19、一个独一无二的地址，范围从1至254。当主机发出指令时，相应的从机作出相应的动作。当主机发出一个地址为的指令时，表明此指令是一广播指令，各从机只须执行而无须作出回应。 因此在实际应用中，PLC作为主机而继保单元作为从机，PLC发出要采集的数据的指令，各个从机响应主机的指令，将各自采集的数据分别传送给主机，而PLC则将各从机传上的数据汇总通过网络传送给上位机系统。 3、人机界面的实现 在系统中最重要的部分即人机界面部分。在Microsoft公司的Windows环境中，存在两种形式的多任务机制：一种是协作式多任务，另一种是抢先式多任务。在协作式多任务环境下，操作系统将系统的控制权移交给应用程序使其

20、运行，当应用程序运行结束后，再将控制权交回给操作系统，然后再移交给下一个应用程序。一旦某个应用程序出错，就会抓牢系统的控制权不放，而不理会其他应用程序甚至操作系统，使整个系统挂起来。因此，这种多任务机制对于变电站综合自动化系统这种可靠性和实时性要求很高的任务来说是不合适的。而在抢先式多任务环境下，操作系统一般采用微内核设计，基于时间片的轮转来调度多个任务的执行。系统的微内核始终保持对系统的控制。它给应用程序分配时间片段使其运行，在指定时间结束之际，微内核抢先运行进程并将控制移交给下一进程。抢先式多任务克服了协作式多任务过于依赖应用程序的弱点，提供了一个可靠的运行环境。 Windows NT .0是Microsoft公司推出的新一代操作系统，采用微内核设计，支持抢先式多任务而且是基于进程（process）的多任务和基于线程（thread）的多任务系统。另外，Windows NT的时间片划分得比较小，这样就可以较为充分地利用系统的资源，能满足变电站综合自动化实时性要求较高的应用。因此，我们选用WONDOWS NT4.0作为系统的操作平台。人机界面的应用程序采用现有的成熟的图控开发软件Cimplicity并在其基础上进行二次开发而成。编程人员借助Mic