第五章 数据收集与监视(SCADA)

数据收集与监视（SCADA）是电力系统自动化最基本的功能，大约在60~70年代完成了数字化的技术进程。现在SCADA从硬件到软件已形成了一系列标准功能，可灵活地组合起来可靠地满足不同电力公司的需要。

本章首先简要介绍数据收集（SCADA）的硬件组成，然后较详细说明SCADA的数据收集、监视、控制、故障记录、表报和计算等功能。

5.1 数据收集SCADA硬件系统

数据收集SCADA的硬件组成主要包括：现场远方量测终端（RTU）、传输通道和主站计算机三大部分。此外本节还介绍一下数据收集（SCADA）的数据流程。 5.1.1 远方量测终端（RTU）

我国当前使用的有布线式数字远动装置和微机远动装置两种，其主要功能如下： （1）收集现场（发电厂和变电站）的量测量（遥测）和状态量（遥信）等数据，接收主站（调度中心）命令对现场设备进行控制。

（2）采集数据的简单处理，如：量测量死区比较、状态量变位比较、数字滤波、越限报告等。

（3）与主站通信：进行通信规约处理，将数据传送主站，接收主站下达的数据。 数据传送分为两种方式：一是应主站要求的直接报告方式；二是在量测量变化（超过死区）或状态量变位时的例外报告方式。

当前数据收集按两种形式进行：一是循环式1，即现场发送端循环不断地将数据送给主站的接收端，需独占信道；二是应答式2，由主站依次查询远方终端（RTU）有无信息发送，几台远方终端（RTU）可共用信道。 5.1.2 传输信道

传输信道是指信号传送时所经过的通道，有狭义与广义之别。

狭义信道也称传输媒体，分为有线和无线两类。架空线、同轴电缆等属前者，电磁波自由传输空间属后者。

广义信道包括调制信道和编码信道。当前常用的载波属调制信道，微波属编码信道。

信道中存在着噪声和干扰，通常以信噪比和误码率反映其质量。

另外信道的可靠性十分重要，主要信道应考虑备用，并实现监视与切换。

1

循环式：Cyclic Type; 2

应答式：Polling Type.

5.1.3 主站计算机

主站计算机配置分为集中式和分布式两大类型。

集中式系统配置例示意于图5.1。主机和前置机均为双机系统主备配置。通过软硬件实现自动和人工切换，通过双机通讯实现主机与备用机的信息同步。远程通讯、普通外部设备和彩色显示器等通过切换装置与主机相联。联接前置机总线的智能接口与RTU通信，并可以通过局部终端装置LTU3驱动模拟盘。系统标准时间信息也通过此接口传送到主机。主机与前置机通过局域网互联。

显示器 外部设备 远程通讯

切换设备

主机

主机

主机切换

磁盘 双机通讯

局域网

前置机

前置机切换

前置机 磁盘 智能接口

时钟

调制解调器 RTU

图5.1 集中式系统配置例

调制解调器 模拟盘

LTU

分布式系统配置例示意于图5.2。它由4个子系统组成，中间通过符合工业标准的通讯网络相联（一般是局域网）。通讯远动服务器提供外部数据源的接口，数据服务器提供数据的安全有效管理，人机接口服务器提供用户对控制中心操作的有效界面，应用服务器为实时和研究方式应用软件提供数据。近年分布式系统配置发展较快。

3

LTU=Local Terminal Unit.

人机接口服务器

通讯远动服务器

局域网

数据服务器 应用服务器

图5.2 分布式系统配置例

5.1.4 数据流程

以图5.3为例说明SCADA数据流程，左侧为一次系统，右侧为二次系统。

一次系统 二次系统 RTU 发电厂变电站 电压互感器 变送器 电压变送器 多 路 模 数 转 换 传输信道

抗 干 扰 编 码 调 制 解 调 器 发 信 机 电压互感器 电压变送器 采 样 功率变送器 传 主站计算机 调度中心 局域网 前 模拟盘 主机 置 机 智 能 接 前 彩色监视器 主机 置 机 口 调 制 解 调 器 收 信 机 输 媒 体 监控 图5.3 SCADA数据流程示意图

（1） 发电厂变电站中通过电压互感器和电流互感器采集电气量。

（2）利用变送器将互感器采集到的电气量转化成微小的直流电压信号。

（3）在远方终端（RTU）中经过多路采样、模数转换、抗干扰编码形成待传送的数字信号，然后将其调制在信息载体上，调制方式一般为调幅、调频和调相等。

（4）传输信道完成信号处理、发送与接收。

（5）在主站计算机中解调后的信息经智能接口进行串并转换和译码处理；在前置机对信息进行刻度转换及初检测；主机确认其可用性后送入数据库。

（6）计算机通过模拟盘和彩色显示器将现场量测量和状态量提供给调度员，以实现调度员对一次系统的监视与控制。

5.2 数据收集

电力系统基本信息是由变电站和发电厂的现场设备收集起来的，另外有些配电网数据或相邻区域的数据是经远程通讯（计算机转发）得到的，还有少量数据是电话询问或按计划由操作员人工输入的（包括：未装RTU的厂站或远动设备处在检修状态的厂站），另外还有些数据是计算出来的（例如：电压和视在功率计算电流，有功功率和无功功率计算视在功率等）。

SCADA数据库中包括3种量：状态量、量测值和电量值。 5.2.1 状态量

断路器状态、隔离开关状态、报警和其它信号等均用状态量表示。一般状态量用1个或2个2进制的位（bit）表示，1位可以表示开与合两种状态；2位可分别表示开与合，可以检测状态量出错（例如：00配合）。用3位甚至可以表示：合━━开━━合的重合闸过程。

状况量在应答式远动中正常情况下是在出现变化时才传送，当然在远动系统启动或恢复中要进行完整的扫描。在循环式远动中正常情况下每次要采集全部状态量，这要有足够的缓冲区和传送容量。

无论那种远动采集方式，保存和传送状态量最严峻的要求是在电力系统故障过程中，这时出现变化的状态量数量大而且时间间隔短，最容易丢失信息。 5.2.2 量测值

电压值、有功功率、无功功率、温度和变压器抽头位置等均用量测值表示，与状态量（也称逻辑量）对照也称为模拟量。一般这些量随时间而变化，量测值反映的是量测对象的瞬间状态。

从数据来源来看，量测值分为两种类型：模拟值和数码值，电压和功率等均属于前者，需要经过模数转换才能化为2进制码。

量测值在显示或送给其它应用程序之前需要进行刻度（scale）变换，一般是线性变化，偶尔也有非线性变化，因此每个量测值的标尺也要保持在数据库中。

量测值的采集在循环式远动中被循环扫描，当然可规定若干扫描组；在应答式远动中，对比前一次传送的值超过某一死区时才传送一次。后一种方式经常用于低速传送系统，当然在初始化或启动时也应进行循环式扫描。某些滤波技术可用于量测值的初检测。

关于循环组定义、死区、标尺和滤波参数等均可在显示器的画面上进行检查和修改。

5.2.3 电量值

电量值由脉冲计数方式得到。脉冲计数正常包括两项登录内容：一个连续计数器和一个时间间隔记录。到指定的时间周期（时刻）要冻结其值，过后再继续计数或清零后计数。全系统冻结时间的一致性有助于功率平衡。

为了控制交换功率符合计划或协议，交换功率点的电量值采用几分钟的时间间隔。

5.3 监视与事件处理

对收集到的电力系统数据要自动进行监视。状态量要监视其变化，并正确记录其时间序列。量测值和计算值应保持在允许范围内，对变化速度超出限值者应加以记录。

数据监视到状态变化和量测值越限，则需进行事件处理，分类报告给调度员。 5.3.1 状态量监视

将最新的状态量与保存的状态量比较，有变化时就产生一个事件。也可以与预先设置的正常状态比较，可产生一个正常或非正常的设备运行状态。事件的产生一般延迟数秒，这对减少误报警和躲过过渡状态（介于两种状态之间，如图5.4的阴影区）是有用的。

隔离开关

合 过渡 开

合

自动重合开关

开

控制 新状态

图5.4 状态量的监视

跳闸 重合

用延迟的方式，结合断路器变化和自动设备的信号可检测自动重合成功，不必发出警报。

5.3.2 量测值的限值监视

每一量测值均有其合理限值，由此可以检查数据的可信程度和告警（图5.5）。 物理限值：超过此值肯定是数据错误，电力系统不可能出现这样的值。 警报限值：越此限要向调度员发出警报。

警告限值：越此限说明运行已接近警报状态，发出警告提醒调度员注意。

物理下限 限 制 值

下限警报

下限警告

上限警告

物理上限

0值区 上限警报

监视 警报区 警告区

正常运行区

警告区 警报区

图5.5 限值监视

量测值小到某一程度可判为零，主要用于事件处理。

此外，对警报限值设有死区（图5.6）和时间延迟，以避免频繁报警和误报警。

上限报警

死区

不产生事件 产生事件 (警报)

图5.6 监视死区

产生事件 (解除警报)

5.3.3 量测值的趋势监视

属于这一类型的监视有： ━━量测值变化率监视；

━━模拟盘或显示器上的记录值；

━━根据外推算法预报未来的变化，例如：负荷预报和水库水位预报。 趋势监视可提早检测出可疑的变化，并应考虑能自动初始化。 5.3.4 数据质量标志

通过硬件报告和监视结果对每个量测数据标上质量特征。对异常者可以在画面上加标志或变颜色，并且集中到表格画面单独输出。

这一类的属性有：

━━更新未更新，采集人工/计算； ━━闭锁更新；

━━闭锁事件处理； ━━正常异常状态；

━━越限，物理警报警告零值区； ━━警报状态； ━━警报响应。 5.3.5 事件处理

电力系统的运行变化和操作在SCADA中连续不断地产生大量的事件，既不应该将全部事件都通知给调度员，那将分散他们的注意力，更不应漏掉重要信息，那将带来损失。

事件产生后是按时间次序排列的，事件处理过程实际上是分类过程，可以按地区、重要程度和处理对象等原则分类。

下面举一些事件处理：

━━未响应和持续的警报，它们以闪光、反背景和彩色变化出现在单线图和事件表格画面上。未响应警报标志保持到调度员响应为止，持续警报保持到警报状态消失或被人工切除为止。

━━将线路潮流、母线电压、断路器、变压器和继电保护等警报按区集中到一起。 ━━按事件的原因归纳到一起，如：自发事件、断路器跳闸还是重合、是手动还是控制命令等。

━━对所有事件赋以处理的优先级，而优先级是与设备类型及事件原因联系在一起的。

事件处理特别是警报处理是非常复杂的问题，许多设计者借助专家系统来实现。

5.4 控制功能

这是直接作用于电力系统运行的功能，控制功能可以分为4类：单个设备控制、向调节设备发调节信息、顺序控制计划和自动控制计划。

单个设备控制是直接控制电力系统的基本命令，对断路器和隔离刀闸出发出的是合/开命令，对机组发出的是启/停命令等。

给调节设备发出控制信息是较高级的控制功能，发出的是升/降或设置到某一工作点的信息。这些功能执行的方式是过渡型的，需对远方的设备的实际状态不断进行监视，看是否越限，防止发出错误控制命令。

通常较复杂的控制需要执行一系列相关的命令，顺序控制计划可自动执行规定好的一串命令，包括适当的安全校验和时间延迟。例如：某些照明和电热设备的启动，变电设备的恢复和切换等均可做顺序控制计划进行自动操作。

上面的开关设备的状态控制和调节设备的调节控制一般是人工发出的，而顺序控制可以由事件启动或定时启动。还有一种自动启动的闭环控制方式，例如：自动发电控制（AGC），它自动响应电力系统频率偏差和交换功率偏差调整机组出力，它量测量是机组出力、频率和交换功率，自动确定各机组的控制量，送到各机组的调节设备上。

5.5 具有时间标志的数据

数据收集（SCADA）登录与保存的数据还扩展到历史数据和计划数据。现在高级应用软件使用的数据周期越来越长，可能用到一个月的数据，有的甚至用到一年的数据。这就要在磁盘上存放几十兆至几百兆字节的数据量，有些是直接量测的数据，还有一些是计算出来的数据。存和取这些数据可以看成是数据库功能的扩展。

现代的软件技术对于时间标志数据的处理，包括登录实时数据和进行有关的统计算（按小时、日、周等）已变得很容易了，并可以按时提出各种报告。现代软件工具不仅能调用已有的时间标志数据，而且能提供规定周期内各时刻的插值数据。 5.5.1 历史数据的采集

历史数据主要来源是实时量测数据，每一记录包含实时值、质量标志和时间标志；

而一些统计数据则针对规定周期记录其平均值、最大值和最小值等。

历史数据一般是按时间顺序流水排列，但缓冲区是有限的，新的数据的进入要挤掉最早的数据，因此要按周期将缓冲区的数据转移到别处，例如：打印出来，或者记录到磁带上，长期保存起来。

历史数据记录的周期视需要而定，报表一般按小时和日记录，而要校核电量值时就要求每分钟记录一次功率。 5.5.2 计划数据

存放计划数据也要加上时间标志，主要存放负荷预测值，发电计划、交换计划、电压计划和开关计划，也可能扩展至来水预测、检修计划、水库计划和燃料计划等。

计划数据的来源有两种：人工输入计划和高级应用软件自动生成的计划。 5.5.3 存入磁带

将时间标志数据和事件做成顺序文件存入磁带，以便于用离线计算机加工它们。 为了今后能读回这些数据，应注意记录格式，必要的时候应及时转换，否则随着支持系统或硬件的更新，历史数据将会丢失。

如果保存的是运行方式，不仅要保存潮流和电压，还要保存设备状态，否则无法事后恢复潮流状态。必要时甚至要同时保存潮流计算软件和支持系统，否则由于数据格式、数据库定义和画面系统的变化而无法看到这些数据。

5.6 故障数据收集与记录

电力系统控制的主要目标是防止系统事故，而一旦出现事故，当时的记录将是分析事故和预防事故的宝贵资料。因此，故障数据的收集与记录是SCADA重要功能之一，它分为顺序事件记录（SOE4）和事故追忆（PDR5）两部分。 5.6.1 顺序事件记录（SOE）

开关和继电保护等状态量出现变化时通常要按时间（内部时钟）准确加以记录，其时间分辨率应达到毫秒级，这对分析故障是很重要的。而要做到较高的时间分辨率，电力系统各地远方终端（RTU）的时间必须达到良好的同步。

SOE正常状态下以较长的周期较低的优先级做为SCADA正常扫描的一部分，一旦出现状态量变化，立即提高其优先级顺序记录事件信息，用于事后追查和分析事故。

SOE通常采用事件表的形式滚动存放，它应能存放一次最复杂事故过程中的全部信息。SOE应能以系统和厂站的形式显示和打印出来。 5.6.2 事故追忆（PDR）

事故追忆（PDR）功能用于记录电力系统事故前后的量测数据和状态数据。PDR存放引起记录的事件及相关的数据，为以后方便时用画面研究事故成为可能。 4

SOE=Sequence of event recording. 5

PDR=Post disturbance review.

事故追忆（PDR）循环采集规定的数据集合或全部量测值，循环周期由数秒到数分，也有的设计在当地记录达到毫秒级。

一旦出现规定的事件，连续记录的数据就送到专门的存储区PDR区。状态量的变化和量测值越限均可引起PDR动作（数据冻结），当有地方PDR功能时，它记录到的数据也要送到调度中心计算机中使用。

事故追忆（PDR）区最好能保存几次事故，典型的记录长度是事故前10分钟，事故后5分钟。地方事故追忆（PDR）周期更长。

事故追忆(PDR)数据可以倒到磁带上，如果状态标志记录齐全的话，以后可以在单线图上“实时”再现一次事故过程。

5.7 报告和计算

能量管理系统高级应用软件针对不同的目的要进行大量的计算，例如：状态估计、潮流、经济调度和负荷预报等。而数据收集计算功能比较简单，例如：表报计算、电量计算、备用计算、交换功率计算和结线分析等。 5.7.1 数值计算

典型的计算有：

━━计算各种表报数据； ━━电力平衡与电量计算；

━━各种辅助电源与成本计算； ━━计算流量与存水量。

这些计算有的是周期启动，有的是人工启动，有的用画面输出，有的用打印输出。 5.7.2 逻辑运算

主要是网络结线分析，以模拟盘或单线图表示电网的联络状态。 结线分析分为初始化和逐次变化两种，由事件启动或人工启动。

对于未配置高级应用软件的SCADA系统计算功能要求较高，而配置有高级应用软件功能的EMS则将这里的许多计算功能划分到能量管理级及网络分析级去实现。