1、电力监控系统专业知识培训教材地铁电力监控系统专业知识培训教材第一节 SCADA系统的概念及其功能第二节 SCADA系统的主要性能指标第一节 深圳地铁一期SCADA系统简介第二节 典型车站级变电所内组网结构介绍第三节 主变电所的组网结构介绍第四节 SCADA全网的组网结构介绍第一节 电源设备第二节 通信相关设备第三节 其他设备第一节 电源设备第二节 通信相关设备第三节 其他设备第一节 电源设备第二节 通信相关设备第三节 其他设备第一章 SCADA系统概述第一节 SCADA系统的概念及其功能一、SCADA系统概述 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisi
2、tion)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA系统是以计算机通讯为基础的生产过程控制与调度自动化系统，对现场设备进行监视和控制。它并非一个单纯的控制系统，而更多地注重于监视的层面，它是一个立足于硬件平台（如：PLC或其他的商用硬件模块）之上提供交互界面的软件。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。 在
3、电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，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。二、SCADA系统结构 电力监控子系统（SCADA）采用分层、分布式结构，由网络通信层、所内管理层、间隔设备层组成。包括控制信号盘、分散式或集中组屏式测控/保护单元等智能电子装置、智能接口单元、所内通信网络和维护设备等部分。
4、 SCADA的车站系统一般包括如下内容：通讯前置系统，主要负责解析各种不同的规约，完成通讯接口数据处理，包括数据转发。包括前置计算机，串口终端，机架，防雷措施和网络接口。实时数据库系统，主要包括运行实时数据库的服务器。工程师工作站，负责系统的组态、画面制作和系统的各种维护。生产调度工作站，是监控系统的主要用户，显示画面，画面浏览，实现各种报警等。各种监控工作站，主要用于特别庞大的系统，几个人已经无法监控的情况，这时会根据需要，设立各种的监控工作站，每个工作站有人员工作。历史数据库服务器，是SCADA系统保存历史数据的服务器。上层应用工作站，主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作。在电力系统比如潮
5、流分析，负荷预测，事故追忆，电网稳定性分析，能量管理 等等。作为SCADA主站系统，大的系统可能有几十个上百个工作站，多个服务器。为了保证系统的可靠性，采用双前置系统，多服务器系统，双网络。但是对于简单的SCADA主站系统可能就只有一台计算机，运行一套软件。第二节 SCADA系统配置及性能指标一、系统分层结构： 所内管理层所内管理层： 由监控终端、控制信号盘 （总控单元、管理模块）等设备组成。其中控制信号盘由控制信号盘本体、通讯控制器、PLC、电源模块等设备组成。盘面上设置接触网电动隔离开关按钮、远方/就地转换开关以及闭锁继电器、模拟开关。通讯控制器采用工业级计算机。PLC是由各种模块部件组成
6、，各模块能以各种不同方式组合在一起，包括开关量输入、输出和模拟量输入、输出模块，具有以太网接口。 网络通信层网络通信层包括：网络交换机等设备。1、网络交换机变电所选用KIEN-9001 提供快速交换功能；8个10/100Base-T自适应接口；结构形式：1U机架式；供电电源：24VDC。2、电源模块电源模块采用开关电源，DC220V转DC24V 3A给各设备供电。3、协议转换装置35KV系统中选用MOXA公司NPORT Nport5660I-8-DT串口服务器，提供8个RS232/RS422/RS485三合一串口；10/100Base-T自适应接口；结构形式：导轨式；供电电源：24VDC。15
7、00V直流系统选用HMS公司AnyBUS,ABX-PDPM-EMBS协议转换器，把DP网络转换为MODBUS TCP网络。拥有10/100Base-T自适应接口；结构形式：导轨式；供电电源：24VDC。400V系统选用MOXA公司MOXA,NPort 5430I串口服务器，提供四个RS232/RS422/RS485三合一串口；10/100Base-T自适应接口；结构形式：导轨式；供电电源：24VDC。 间隔设备层间隔设备层包括：分散安装于供电设备就地的微机测控、保护单元、信息采集单元、接触网上网电动隔离开关、交直流屏智能监测单元等现场设备。以下间隔设备接入到变电所自动化系统中：35KV综合保护
8、测控单元；1500V直流开关柜综合保护测控单元；0.4kV开关柜智能信息采集单元；交、直流电源装置监控单元；上网隔离开关；牵引变温度仪；动力变温度仪；整流柜；轨电位装置。二、系统软件构成操作系统软件操作系统是计算机的资源管理系统，它实现对计算机资源的分配、控制、调度及回收。在操作系统平台的选择上主要考虑以下性能特点：可靠性、安全性、可移植性、实时响应性、柔软性、技术支持性、多任务并发处理能力、网络管理能力。操作系统选用Windows操作系统。应用软件SCADA电力监控系统具有成熟的工程运行经验，具有高度的稳定性、安全性。SCADA电力监控系统有完善的模块化设计的应用软件包及系统组态、调试软件包
9、。系统配置的应用软件：满足系统各种功能要求。应用软件采用模块化设计，各种应用软件模块接口简单，一个模块故障不影响其他模块运行。应用软件程序主要模块如下：1）日志模块：日志有全日志和专项日志，专项日志是全日志的子集，每种日志在线显示最多1000条。2）报表模块：表格分为报警表格和一般表格，报警表格包括：电力系统工艺报警表、系统设备故障报警表；其他属于一般表格，包括：模拟量超量程表、开关量抖动表、强制禁止表、变化率超差表。3）列表模块：列表包含了所有的物理点，利用列表功能可以查询不同专业、不同应用类型、不同工艺系统、不同设备类型的点，并且可以实时查询这些点的值和状态。同时用户可以自己任意定义几组查
10、询组，方便用户的查询。除了自定义组，用户不能编辑列表。4）历史趋势模块：历史数据的趋势组有固定趋势组和自定义趋势组，固定趋势组是离线数据库组态时生成的，用户不能修改；自定义趋势组是在线时每个操作员站自己组态的趋势组，只保存在自己的操作员站上。5）人机接口模块：用于用户画面的显示，曲线和直方图图像生成、人机对话等。6）遥控执行模块：用于遥控命令的确认、校验、发出和执行结果的显示。7）遥信处理模块：用于遥信信息的确认、结果显示。8）遥测处理模块：用于遥测信息的确认、越限比较、结果显示。9）系统时钟模块：用于与主母钟系统同步对时，向变电所综合自动化系统发布同步命令。10）远方通讯模块：实现与远方计算
11、机之间的信息交换，系统采用通用性强的通信规约，并向用户开放。11）通信管理模块：监视通信通道的运行状态。12）网络管理模块：监视网络的运行。应用软件具有良好的开放性。用户在遵循操作规则的前提下，可根据运营的要求，在线建立、修改、编辑用户画面和逻辑控制程序等控制参数，而无须修改软件程序。修改过程遵循安全可靠的原则，在修改内容未经维护人员确认不能刷新，必须经过确认后，才自动刷新控制中心所有相关数据。具有组态特性，通过配置方式完成各种系统功能的组态。配置综合测试、诊断软件包，可诊断所内各种设备故障，故障标志到板级。具有看门狗、自诊断、自恢复功能。三、主要系统功能变电站综合自动化实现变电站各种设备的监
12、视、联锁/闭锁、电流、电压、功率、电度的采集等功能。系统具体功能描述如下数据采集与处理功能遥信变电站综合自动化系统采集变电站内各种装置的遥信信息，包括位置遥信和保护遥信。遥信信息在人机界面上实时刷新，以便操作员及时了解现场设备运行状态。位置遥信包括各种开关、刀闸、接触器等设备的合、分状态，开关手车的工作、试验、抽出位置状态等。保护遥信包括：各类保护跳闸动作、重合闸动作的启动、出口、失败等信息，分为事故遥信和预告遥信。事故遥信指使设备停电、停运的事故信号，预告遥信指不影响设备继续运行的故障信号。遥信点变位描述可按用户要求定义，系统按遥信的类型（事故总、断路器、刀闸、手车、保护信号、通讯状态、保护
13、压板、预告信号、接地刀闸、PT遥信、远方就地等）分类定义变位描述，用户也可进行自定义描述。系统可定义给出变电站综合自动化系统计算机节点的工作状态、网络运行状态、通道运行状态等虚拟遥信点。遥测变电站综合自动化系统采集本变电站内各类监测对象的交流相线电压、交流电流，零序电压，零序电流，直流电压，直流电流，有功、无功功率，谐波、功率因数，蓄电池电压，变压器温度等电气量。遥测以周期方式进行采集。零点嵌位（近零死区的处理）可在数据库中设置一个近零死区，如果遥测值在近零死区范围内时可嵌位成零（下限值）。当采集点的绝对值在归零死区内时，视该点数据为零值。遥测信号的传送死区处理按周期采集的遥测信号，可以定义变
14、化传送死区，每个周期采集时，如果定义了变化死区传送，则只有当本次数据与上次传送的数据之差超过了遥测量变化死区时，数据才传送到控制中心和车站控制室。事件顺序记录（SOE）事件顺序记录主要用于分辨事件发生的先后顺序，任何开关点均可以设置为SOE方式。通信控制器的SOE时标分辨率优于1秒。事件顺序记录的内容不能被任何人、用任何方法进行修改。数据处理功能变电站综合自动化系统能对各种采集的数据进行算术及逻辑处理，并将最新的故障报警信息及SOE事件记录信息数据存储在变电站监视工作站的历史数据库中，最新故障报警信息及SOE事件记录信息存储量不少于1000条。显示及操作功能人机界面显示及操作功能人机界面是值班
15、员日常监视、操作的主界面，由运行监控程序和其他辅助的模块组成。主要提供如下功能：画面显示、值班员常用操作等功能。人机操作接口应提供窗口管理、画面显示以及操作等功能。在人机界面可进行相关程序启动操作。对系统历史数据进行查询。系统可显示供电系统图、本变电站主接线图、报警/预告画面及其它画面等。具体画面包括以下内容：变电所一次系统接线图变电所平面布置图信号光字牌数据表清单报警列表趋势画面SOE列表车站变电站综合自动化构成示意图车站变电站牵引网图。报警/预告信息画面。变电站综合自动化系统网络拓扑图接地状态显示当现场供电设备接地刀闸处于接地位置时，系统自动在画面上做出明显标记（接地标志或挂接地牌），同时
16、自动闭锁与之相关的控制命令。当现场设备由人工挂接地线时，变电站综合自动化系统不能提供接地刀闸信息。此时变电站值班员在画面上采用手工方式做出明显标记。控制中心及车站控制室相关界面上应有相应的接地状态显示，同时自动闭锁与之相关的控制命令。中文显示功能报警功能系统设备发生故障或异常时，自动发出各类预告/事故报警信号。人机界面报警显示：供电系统设备或者变电站综合自动化系统发生故障时，在变电站人机界面上自动推出报警画面（画面可由用户自定义）。报警应该分为多级，不同级别的报警定义不同的显示方式，如：一般性报警信息在报警列表采用高亮度或醒目颜色显示，重要报警信息自动推出报警画面（画面可由用户自定义）。报警发
17、生后，值班员必须通过界面上的确认按钮确认，否则，报警信息一直在列表顶端或者人机界面最前端。综控屏音响报警：在控制信号盘上设置两种不同音响的报警蜂鸣器，用于事故音响报警和预告音响报警。报警音响持续的时间由工程人员设置，可调节。控制信号屏上设置报警音响投切开关，音响投切开关“投入”时，发生事故和预告报警时蜂鸣器发声。投切开关“撤除”时，发生事故和预告报警，蜂鸣器均不发声。冗余装置自动切换双冗余的通信通道采用热备工作方式，主用通道生故障时可自动切换到备用通道。运行方式如下：正常情况下由系统指定某条通道为主用通道，另一通道处于热备用状态；当主用通道退出运行时，处于热备状态的通道立即投入使用。两个通道之
18、间的切换时间不大于5s。系统自检系统具有自检功能。系统能对变电站自动化系统设备实时监视。若检测到故障，均应通过人机界面和音响等设备发出报警提示，只有管理人员手动确认才可解除报警。通过自检可以确定故障发生的部位，并对故障发生时间、恢复时间能自动记录。时钟同步变电站综合自动化系统具有与控制中心中央监控系统时钟同步的功能，使变电站综合自动化系统与控制中心的时钟保持同步。变电站综合自动化系统可对其监控的智能设备进行软件同步对时（下层设备的通讯协议支持此功能），同步对时间隔时间可调。变电所控制功能具有对变电所内设备的控制、监视、电气测量、操作运行记录、制表打印、数据统计及接触网上网隔离开关的控制、监视功
19、能，完成对变电所内设备的集中监控管理与维护。具体功能如下：计算机集中控制功能。1）单独控制单独控制是操作员对开关设备进行的单个远程控制操作。由于控制操作的重要性，需要在进行遥控操作前进行操作级别的校验、屏蔽和连锁关系的检查。所有的遥控操作均在操作列表中记录发生的时间、操作人、操作内容。单独控制的开关包括断路器、上网隔离开关、400V开关、模拟开关等。2）遥控试验。系统软件具有遥控试验功能。变电站控制信号盘内设控制试验继电器，与控制信号盘内LK的开入、开出模块接点连接。继电器的线圈回路与LK开出接点连接，触点信号由LK开入模块回读。在一次主接线画面上设置遥控试验光标，遥控试验操作过程与单控操作过
20、程相同，如测试正常，即说明系统上行、下行通道均正常。3）模拟操作。在模拟操作画面中，操作员可进行遥控、挂地线、屏蔽、闭锁等模拟操作。模拟操作的操作对象为系统内部虚拟数据点，因此不会对正常操作产生任何闭锁，保证不影响系统正常运行。4）闭锁、解锁操作。操作员在一次系统图中，可手动将开关挂接地线。挂接地线的开关将在图中有明显的接地线标识，同时闭锁此开关的遥控合闸操作。5）防误闭锁功能。操作员对开关进行屏蔽或其它闭锁操作时，需要检查操作员的权限，具有闭锁权限的操作员才可对开关进行闭锁操作。同时对开关进行闭锁时，系统会自动弹出确认框，请操作员再次确认是否要进行闭锁操作。操作员点击“确认”，闭锁有效。点击
21、“取消”，取消闭锁操作。防止操作员误操作后闭锁开关。6）对各种重要命令和操作设置超时监视。对控制操作具有多重选择无效并给出提示的功能。遥控操作执行过程时间可自定义设置，在设置的时间内，没有点击选择或执行按钮，将提示操作超时，自动取消遥控操作。若发出执行命令后，在设置的时间内开关没有动作，则提示开关执行失败，收回执行命令。当操作员的第一个控制操作未完成，而选择其它设备进行第二个控制操作时，选择的第二个控制操作将被系统禁止。系统弹出提示对话框“遥控操作未完成”，即系统不充许第一个控制操作未完成的情况下，进行第二个控制操作。四、系统接口与35KV接口接口描述综合监控SCADA系统对变电所中压交流保护
22、测控装置分为II段进行通讯。针对II段设备在开关柜内分别设置光纤以太网通信单元，接入该段中压交流保护设备，光纤以太网通信单元将中压交流保护设备的接口转换为光纤以太网接口，采用光纤方式接入控制信号盘内间隔层工业级交换机。控制信号盘内通讯控制器通过间隔层交换机，完成对中压交流保护设备的数据采集与控制等接口功能。中压交流保护装置由其它卖方提供。接口图35KV接口图物理接口接口位置：各开关柜的输入通信口。接口类型：RS485 与直流系统接口接口描述综合监控系统在直流系统设备柜内配置光纤以太网通信单元，接入直流1500V间隔层设备。光纤以太网通信单元将直流保护设备的接口转换为光纤以太网接口，采用光纤方式
23、接入控制信号盘内间隔层工业级交换机。控制信号盘内通讯控制器通过间隔层交换机，完成对直流保护设备的数据采集与控制等接口功能。 接口图直流系统接口图物理接口接口位置：开关柜内直流保护装置通信端子排外侧。 接口类型：数字通信。与400V系统、动力变温控器接口接口描述综合监控系统在低压交流开关柜内配置光纤以太网通信单元，接入低压交流测控设备，光纤以太网通信单元将低压交流测控设备的接口转换为光纤以太网接口，采用光纤方式接入控制信号盘内间隔层工业级交换机。控制信号盘内通讯控制器通过间隔层交换机，完成对低压交流测控设备的数据采集与控制等接口功能，低压交流测控设备由其它卖方提供。接口图400V系统、动力变温控
24、器接口图物理接口接口位置：开关柜内低压交流装置通信端子排外侧。 接口类型：数字通信。与交直流屏接口接口描述综合监控SCADA系统完成与变电所交直流屏设备的接口，将与交直流屏设备接口相关功能纳入到综合监控系统中，使运行人员方便直观的对该设备数据进行监视和控制。接口图交直流屏接口物理接口接口分界：在变电所交直流屏通信端子排外侧。接口方式：数字通信。与整流变温控器接口接口描述整流变温控器电信号通过屏蔽双绞线传送至控制信号盘内通讯端子排上，通过RS485串口接收信号。接口图整流变接口图与隔离开关接口接口描述钢轨电位限制装置、隔离开关以硬接线的方式连接到PLC端子排上，通过PLC采集信息再上传至通讯控制
25、器中。2、接口图与整流器接口接口描述综合监控SCADA系统完成与整流柜装置等非智能设备的接口，将与其纳入到综合监控系统中，使运行人员方便直观的对该设备数据进行监视和控制。接口图整流柜接口图与轨电位接口接口描述轨电位电信号通过屏蔽双绞线传送至控制信号盘内通讯端子排上，通过RS485串口接收信号。2、接口图轨电位接口图第二章 深圳地铁一期工程SCADA系统概述第一节 深圳地铁一期SCADA系统简介深圳地铁一期工程设计范围为规划的地铁一号线东段和四号线南段。总投资115亿人民币。一号线由罗湖站至世界之窗站，四号线由皇岗站至少年宫站。线路总长度正线约21.468公里，共设车站20座。另外建设竹子林车辆
26、段及其它基地和行车调度指挥中心各一处，以及相应的运营生产、维护维修设备和设施。其中、行车调度指挥中心、车辆段为地面建筑，其它为地下建筑。深圳地铁一期工程首次采用信息化深度集成综合监控系统的设计理念，在同一计算机硬件平台和软件体系下，将电力自动化系统SCADA、机电设备监控系统BAS、防灾自动报警系统FAS的各类型设备系统深度集成为一个大型综合监控系统。所有各类机电设备系统从顶到底完整地工作在同一网络平台和同一软件平台上，数据存储在统一的数据库内作为全线信息共享的基础；同时将其他子系统（信号系统SIG、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS等）的相关信息通过数据接口也接入综合监控系统、不同专业
27、系统之间可方便的进行数据交互，共享信息，首次以深度集成的方式构建地铁数字信息共享平台。深圳地铁一期综合监控系统采用分布分层结构，整个系统由设置在控制中心的中央级监控系统层、设置在各车站（各变电所）的车站级监控系统层、设置在机电设备附近的就地设备自动化系统层构成。整个系统采用分布式实时数据库，整个系统监控物理点数超过13万点。在系统中包括了BAS、FAS、SCADA三个子系统，各个子系统能够互不影响地独立运作，同时能够实现信息共享和子系统间的信息无障碍传递，从而实现深圳地铁一期工程全范围的综合监视与协调控制。典型车站级变电所内组网结构介绍典型牵引降压混合变电所的系统构成如图典型牵引变电所系统构成
28、图第二节 控制、监视、测量范围主要控制范围牵引降压混合所35kV断路器、1500V断路器和电动隔离开关、0.4kV进线开关、母联开关。降压变电所35kV断路器及负荷开关、自动装置、0.4kV进线开关、母联开关。主要监视范围牵引降压混合所断路器位置、接地开关位置、上网开关位置、闭锁信号、自动装置投入/撤除位置、当地/远方转换开关位置、各种保护动作信号、自动装置动作信号、自检信号、交直流装置信号等。降压变电所断路器位置、接地开关位置、自动装置投入/撤除位置、当地/远动转换开关位置、各种保护动作信号、自动装置动作信号、自检信号、交直流装置信号等。主要测量范围牵引降压混合所35kV进/出线电流35kV
29、进/出线电压35kV母联电流整流机组电流、有功功率、有功电度直流1500V母线电压直流1500V馈线电流交直流电源重要电量轨电位模拟量信号降压变电所35kV进/出线电流35kV进/出线电压35kV/0.4kV变压器电流、有功功率、有功电度交直流电源重要电量轨电位模拟量信号典型降压变电所的系统构成图典型降压变电所的系统构成图第三节 主变电所的组网结构介绍主变电站继电保护及自动装置1、主变保护主保护为一套二次谐波制动原理的微机型纵差保护和主变本体非电量保护，保护动作跳变电压器各侧断路器，后备保护110KV侧设110KV复合电压过流保护和零序过流、过压保护。35KV侧单独设置一套35KV复合电压过流
30、保护，作为35KV母线和馈线近端故障时的后备，后备保护的第一时限均跳35KV分段，第二时限跳主变各侧。2、110KV线路保护 110KV线路采用以光纤分相电流差动和零序电流差动为主保护，以三段相间和接地距离保护、四段零序保护构成的后备保护；过电压告警。除综合自动化系统具备的SOE功能外，还设置故障录波屏对110KV线路及所有35KV馈线进行独立故障分析。3、35KV线路保护 35KV馈线采用光纤电流纵差保护；低电压闭锁的过流保护；零序过流保护；过负荷告警；过流保护。4、站用变保护复压闭锁过流保护、负序过流保护、零序过流保护、低电压保护。5、35KV分段保护备自投 复压闭锁过流保护、零序过流保护
31、、分段开关充电保护，分段开关设备自投装置。35KV两段母线平时断开运行。当一段失电时，由主变保护或低电压判据退出该段进线断路器，独立备自投装置自动合闸35KV分段断路器。待故障消除恢复正常供电后，由地铁电调下指令恢复正常运行方式。35KV分段采用微机型速断及延时动作的过流保护，分段开关设备自投装置。深圳地铁既有线路110KV及35KV环网电力电缆系统示意图 第四节 SCADA全网的组网结构介绍电力监控系统由设置在OCC的SCADA监控计算机系统、设置在各种变电所内的综合自动化子系统以及联系二者的通信通道构成，电力监控主站连接在100Mbps的OCC局域网上，变电站综合自动化系统连接在车站100Mbp局域网上，两局域网又由全线通讯骨干网连接起来，所以通信通道传输速率高，带宽大。系统的硬件、软件的设计充分考虑可靠性、可维护性和可扩展性，具备故障诊断、在线修改功能，同时遵循模块化和冗余设计的原则。在行车调度指挥中心，设立全线EMCS+FAS+SCADA综合监控中心，电力SCADA系统的
