电气化铁道概述之电力调度与综合自动化系统

一、电力调度的有关知识

1．SCADA系统组成

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)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。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。由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。在铁路牵引供电系统中使用的SCADA系统常称为远动系统。

所谓远动系统的一般定义为“用电气化手段通过一个或多个相互连接(或非连接)的通道，对远方处于分散状态的生产过程的集中监测，控制和集中管理”。牵引供电远动系统即是远动系统在铁道电气化方面的一个最典型的应用。远动系统中采用的远动技术已作为一门独立学科，它是建立在自动控制理论，计算机技术，现代通信理论和技术之上发展起来的一个交叉学科，并随着这些技术的日益发展而迅速发展。

牵引供电系统中使用的SCADA系统主要监控牵引供电系统沿线各变电所，分区所、开闭所的设备运行状态，完成遥控，遥测，遥信，遥调，遥视，保护及调度管理，辅助完成事故分析及处理等功能。牵引供电系统中SCADA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，现已经成为牵引电力调度不可缺少的工具。它在保证牵引供电设备安全稳定运行，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等方面起着重要的作用。

2．SCADA系统的基本结构

SCADA系统由监控站，被控站及信道三大部分组成，一个典型的SCADA系统结构如图1-20所示。

(1)调度端：设在电力调度所内完成远动对象的监控、数据统计及管理功能等；

(2)被控站：受调度端监视的站称为被控站，被控站完成远动系统的数据采集、预处理，发送、接收及输出执行等功能；

(3)信道：远动信息传输的介质(通路)称为信道，可分为有线信道及无线信道。

图1-20 SCADA系统结构展开图

牵引供电SCADA系统调度控制中心与牵引供电系统变电所、开闭所，分区所中的被控站联系了起来。按我国的习惯，一侧称为调度端，另一侧称为执行端。从监控的角度看，一侧是监控端。而另一侧是被监控端。广义而言，对其站实现远程监控的站称为监控站或主站，而受主站监控的站称为被控站或分站、子站。在被控站内完成远动数据采集、处理、发送、接收以及输出执行等功能的设备称为远动终端(Remote Terminal Unit，即RTU)。习惯上还把由被控站发送监控站的信息，如遥测信息、遥信信息等、称为上行信息，所用的信道为上行信道。把监控站发往被控站的信息，如遥控信息、遥调信息等，称为下行信息，所用的信道称为下行信道。

3．远动信息的传输

在信道中传输的远动信息分为上行信息和下行信息。

(1)下行信息：从调度端发往被控站的信息称为下行信息(如下发遥控、遥调令)，所有通道称为下行信道。

(2)上行信息：从被控站发往调度端的信息称为上行信息(如被控站要上送的测量量，开关状态及事故信号等)，所有信道称为上行信道。

从远动系统信息传送方式分为两大类即循环方式(CDT)和查询(Polling)方式。

(3) CDT方式(循环传送方式)：以被控站的远动装置为主，周期地采集数据，并且周期性地以循环的方式向调度端发送数据，即由被控端传送遥测、遥信量给调度端。

(4) POLLING方式(查询传送方式)，以调度端为主。由调度端发出查询命令，被控端按发来的命令工作，被查询的站向调度端传送数据或状态信息。

4．SCADA系统的类型

根据远动系统所采用的信道，被控站及调度系统的结构不同可有多种分类方法。

(1)按信道结构分：传送信号是利用有线信道还是无线信道可分为有线和无线远动系统。如站场隔离开关的无线远动装置。

(2)按被控端结构分：常规远动系统和综合自动化远动系统。

(3)按调度端结构分：可分为单机系统，双机系统和网络化系统。

5．SCADA系统基本概念

(1)遥控：遥控是从调度所发出命令以实现远方操作和切换。这种命令只取有限个离线值，通常只取两种状态指令，例如命令开关的“合”，“分”指令。遥控分为单控，程控。

(2)遥调：遥调是指调度所直接对被控站某些设备的工作状态和参数的调整，如调整变电所的某些量值(如变压器等可进行分级调整)。

(3)遥测：遥测是将被控站的某些运行参数传送给调度所。

(4)遥信：遥信是将被控站的设备状态信号远距离传给调度所。

(5)遥视：遥视是将被控站设备的视频信号传送给调度所，进行远方图像监视。

6．SCADA系统调度端主要组成设备及功能

SCADA系统调度端其主要系统为服务器，WEB服务器，调度员工作站，维护工作站，通信前置机及打印机，模拟屏(大屏幕显示器)等外设组成，一个典型的网络化SCADA系统调度端结构如图1-21所示。

图1-21SCADA系统调度端结构图

(1)通信前置机

通信前置机作为SCADA系统调度中心与被控站联系的枢纽，在SCADA系统中起着重要作用。一方面，它接受远方被控端传递来的数据，通过预处理后转发给主站中的主机以及调度员工作站进行再作处理；另一方面，前置机接受主机和其他工作站传递过来的操作命令，传递给远方被控站执行。通信前置机作为SCADA系统中承上启下的通信枢纽，其性能对整个SCADA影响很大。如果通信前置机的性能较差，则会成为SCADA系统的瓶颈。

(2)数据库服务器

数据库服务器作为调度端系统的核心部件，其主要功能为处理和存贮调度管理。

(3)调度员工作站

调度员控制台是调度人员对牵引供电系统进行监视和操作控制用的交互型人机联系设备。台上一般有彩色显示器、操作键盘、鼠标、音响报警装置等，IC卡输入装置，语音输入输出装置的应用也正在得到推广应用。调度员工作站是专门供调度员进行人机交互的计算机，又称图形工作站或人机交互工作站。它一般采用工业控制计算机或工作站计算机，可配有单个或多个监视器，机内装有画面编辑显示和人机交互管理软件，主要用途是解决调度员人机交互的功能。调度员可通过在显示器上的用户画面和模拟显示设备对供电系统及其设备的运行状态进行实时监视。

通过调度员工作站主要完成的功能如下：

遥控功能

遥信显示处理功能

遥测监视功能

事故追忆功能

为便于分析事故原因，可在调度员工作站查询完善的事故追忆功能，事故追忆触发点定义可在线修改。事故追忆功能被触发时，在显示器上推出画面向调度员发出信息提示。追忆数据可以表格方式显示和打印。追忆内容为：故障时间、故障内容、事故发生时的录波数据等。事故追忆主要供事故分析使用。

事故追忆是数据处理系统的增强性功能，它使调度员在一个特定的事件发生后，可以重新显示扰动前后系统的运行情况和状态，以进行必要的分析。

事件顺序记录：SCADA系统对断路器和保护信号的动作顺序能够以ms级进行记录，并能够在调度员工作站上显示动作顺序，及在打印机上打印。顺序事件及时存档，存档保存时间可由调度员确定。

(4)维护工作站

维护工作站完成整个系统的数据建立及修改、画面建立及修改、系统动态监视、环境参数设置，发布系统的一些重要命令、报表记录的查询转存，数据维护等功能。

(5)模拟屏(大屏幕投影仪)

模拟屏主要显示电力系统的全貌和最关键的开关状态和运行参数。它是调度人员监视电力系统运行的传统手段。模拟屏有不对位和灯光式两种。前者简单，适合小系统使用；后者可以不下位进行操作。

对重要的报警信号，除了屏幕显示器有所显示外，还配以音响报警，以引起调度人员的注意。现在语音报警也开始使用，调度人员可直接听到报警的原因，使报警更加直观。

(6)复示终端

复示实质上是调度员控制台的一种，但操作权限小，它不是装在调度室内而是装在远方。它可让未装中央监视系统的下级调度中心值班人员监视所管辖的电力网信息，或作为上级主管和有关业务部门了解电力系统运行情况的工具。

(7)打印机

打印机是主要的记录设备。电力系统中发生的异常或事故，发生的时间顺序、以及日常的正点运行报表都要通过不同的打印机打印出来。

记录仪表和拷贝机对于特别重要的参数，如频率和联络线交换功率等，可以设置记录仪表，可将这些参数的变化曲线完整的记录下来。拷贝机可以把重要的屏幕显示器画面拷贝下来，以备事后分析和查询。

(8) GPS时钟

在调度端和被控站内均设有GPS时钟系统，正常情况下，控制站站设备和被控站设备的时钟都与GPS时钟系统对时，以保证所有设备时钟同步。当GPS时钟系统故障时，系统自动采用软件对时。此外，系统能够监视GPS时钟系统的状态，显示通信状态等信息。

二、综合自动化系统的构成

所谓变电站综合自动化系统，就是将变电站的二次设备（包括控制设备、信号设备、测量仪表、保护装置、自动装置及远动装置等）利用微机技术，经过功能的重新组合，实现信息共享，对变电所实施自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化装置。

其主要优点主要体现为：

1）牵引变电所综合自动化系统将现代的计算机、信息管理、网络通信等技术有机的结合起来，实现了信息共享、提高了设备的利用率，并且运行的可靠性和自动化程度均有了很大的提高，真正能够实现无人或少人值班。

2）牵引变电所综合自动化系统通过专用的数据通道与调度所设备组网，构成完整的综合调度自动化系统，可以实现对牵引供电系统灵活可靠而又科学的调度管理。解决间隔层中各保护间的复杂配合，提高保护系统的动作速度。同时避免不合理的系统资源配置，节省了工程投资。

3）牵引变电所综合自动化系统的应用，可以提高变电所的整体功能和管理水平，应该说，采用具有高可靠性、功能强大且自动化程度相当高的牵引变电所自动化系统，将是国内牵引供电系统自动化技术发展的必然趋势。

随着集成电路技术、微计算机技术、通信技术和网络技术的不断发展，牵引变电所综合自动化系统的体系结构也不断发生变化，其功能以及可靠性也不断提高。目前，我国牵引变电所综合自动化系统一般采用分层分布式综合自动化系统。

在分层分布式综合自动化系统中，一般将整个变电所设备分为三层：变电所层、间隔层(或称单元层)和过程层(或称设备层)。过程层主要指变电所内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。间隔层一般按断路器间隔划分，包括测量，控制部件和继电保护装置。变电所层包括监控主机、远动通信机等。变电所层设现场总线或局域网，供各二次设备之间交换信息。分层分布式综合自动化系统可分为集中组屏模式和分散安装模式，在集中组屏模式下，将综合自动化系统按其不同的功能组装成多个屏，集中安装在主控室内，其典型结构如图1-22所示。

分层分布式综合自动化系统中各层的主要功能如下：

1．变电所层功能

变电所层由当地监控单元和远动通信单元组成，当地监控单元与远动通信单元互相独立。在正常情况下，调度端控制命令不通过当地监控单元即可执行。通过当地监控的显示器监视变电所运行情况，查看各种报表及曲线。当远方控制失效时，当地监控单元作为远方控制失效的后备手段在当地进行控制操作。

(1)当地监控单元功能

当地监控单元单元由当地监控主机、流水及报表打印机、通信管理机组成，主要功能包括：

当地监控功能。实时监视变电所内的开关运行状态，对各种故障信息进行实时多窗口动态报警显示，显示全所的保护信息，故障录波、负荷录波及预告信息；动态显示全所的遥测量及实时曲线。通过鼠标或键盘完成当地/远方转化操作，实现对牵引变电所内的各种开关的分/合控制、信号复归等各种控制操作，并进行操作前的合理性判定；实现保护装置的复归及参数整定；同时还可完成各种报表记录、曲线的检索及显示。

系统维护功能。通过系统维护软件可完成整个系统数据的建立及修改、画面建立及修改、历史数据库的管理、系统运行参数的定义、修改及系统程序的维护和开发。

实时及报表打印功能。对当地监控系统的实时数据进行流水打印，主要包括：调度员操作记录、故障报警及事件顺序记录、遥测量越限记录等。对当地监控系统各种报表的打印及画面的拷屏功能。

(2)远动通信单元功能

远动通信单元完成向远方调度中心传输监控及保护信号，既支持对该信号进行调制和解调，也支持光纤数字通道完成远动功能，同时完成牵引变电所内的时间同步。

2．间隔层功能

间隔层主要由各种保护、测量和控制设备组成，实现对牵引主变压器、馈线、电容器的保护，测控和控制。

三、综合自动化系统的应用模式

按用户需要、值班方式和保护测控装置的布置方式不同，牵引变电所综合自动化系统有以下几种运用模式。

1. 分散式无入值守

在该模式下，保护、测控装置“下放”至一次设备处，牵引变电所采用无人值守，主要配置视频监控单元、自动灭火单元、分散式保护测控单元和当地监控单元，系统配置如图1-23所示。

图1-23分散式无人值守综合自动化系统配置图

2．集中式有人值班

在该模式下，保护与测控装置集中在控制室内组屏，牵引变电所采用有人值守，主要配置集中式保护测控单元、当地监控单元、中央信号、显示表记等，其系统配置如图1-24所示。

3．集中式无人值守

在该模式下，保护、测控装置集中在控制室内组屏，牵引变电所采用无人值守，主要配置视频监控单元、自动灭火单元、集中式保护测控单元、当地监控单元等，其系统配置如图1-25所示。

图1-24集中式有人值守综合自动化系统配置图

图1-25集中式无人值守综合自动化系统配置图