【精品】浦东机场中心变电站SCADA系统的解决方案概要

浦东机场中心变电站S C A D A系统的解决方
案概要
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。

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-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 90-30PLC 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 GE -MUTILIN 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 、10kV 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。

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１位起始位、８位
数据位、１位停止位和１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０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 ４.0 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 Microsoft 的灵活的客户/服务器体系结构以及 Cimplicity 功能强大的为实现系统集成而设计的各种标准，利用图控开发软件 Cimplicity 中适用的工具，开发出适合变电站综合自动化系统应用的模块，与 Cimplicity 系统同时使用，从而形成一套分布式网络实时监控系统的应用程序。

在画面设计时，充分考虑到采集的数据量大，内容多的特
点，设计成以主接线图为主配合以各个分功能画面为辅的人机界面。

因此画面内容丰富，包括多种显示组件如开关状态、小车位置、电压数字表及棒图显示、电流趋势图、历史曲线图。

每幅画面分为监视和控制二个不同等级。

当画面为监视等级时，只能对所有设备运行实时监视；只有输入
正确的用户名和密码之后，才能进入控制级，此时可以对所有开关进行分合闸控制。

为此，系统为运行人员配备了不同的用户名和密码。

用户又分为工程师和操作员。

工程师有权增加、删除、修改用户名及密码，而操作员只能对自己的密码进行修改。

在整个系统中，最主要的是系统控制功能的实现，由于工作站接受了系统的全部数据，明了系统的各个工作状态，因此在执行操作时对系统中某一开关的控制条件作出判断，并提示操作员是否执行或取消。

整个程序具有多窗口显示操作风格，并配有数据库以及适用的远程通信规约，各种功能均达到或超过原先的设计要求和技术指标。

五、结束语浦东机场中心变电站 SCADA 系统自1999 年开发成功并投入运行至今，运行良好，为上海浦东国际机场的电力供应提供了可靠的保障。

这套系统的投运，极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度，减低了生产人员面临恶劣工作环境的可能性，大大地减少不必要的人工浪费，效益显著。