数据采集和监控(SCADA)系统

数据采集和监控（SCADA）系统

1概述

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统即数据采集和监控系统，它是电网调度自动化系统的基础和核心，负责采集和处理电力系统运行中的各种实时和非实时数据，是电网调度中心各种应用软件主要的数据来源。SCADA系统包括实时数据采集、数据通信、SCADA系统支撑平台、前置子系统、后台子系统等。

数据采集包括反映物理过程特征的数据的产生，数据发送、接收和数据处理；监视控制不仅包括对物理过程的直接控制，还包括管理性控制，只下发调控指令，由厂站端或下级调度人工调控。通常数据采集装置和控制装置安放在厂站端，与主站端监控系统并不在一起，所以要实现数据采集和直接控制功能需要双向数据通信，一般认为数据采集是信号上行的通信，而直接控制是信号下行的通信。

一个SCADA系统通常由一个主站和多个子站（远方终端装置RTU或变电站综合自动化系统）组成。主站通常在调度控制中心（主站端），子站安装在变电站或发电厂（厂站端），主站通过远动通道或广域网实现与子站的通信，完成数据采集和监视控制。国分为五级调度，主站除接收子站信息，还以数据通信方式接受从下级调度控制中心主站转发来的信息，又向上级调度控制中心主站转发本站的信息。

厂站端是SCADA系统的实时数据源，又是进行控制的目的地。SCADA所采集的数据包括模拟量测量（又称为“遥测”），状态测点（又称为“遥信”）和脉冲累加量（又称为“遥脉”）。

SCADA系统的主站分为前置子系统和后台子系统，二者通过局域网相联相互进行通信。

前置子系统主要完成与厂站端及其它调度控制中心的通信，并将获得的数据发送给后台子系统。后台子系统进行数据处理。SCADA把这些最近扫描的已经处理的反映被监视系统状态的数据存储在数据库中。画面联结数据库，因而画面就直观地给出该系统状态的正确景象。

SCADA为每一个量测量赋予一个状态和记录数值的变化趋势，当设备处于不正常状态或运行限值已被超过时通知调度员。通过提供电力系统的当前状态及过去状态，调度员可对电力系统进行监视。调度员能对电力系统设备和SCADA系统本身进行控制，这使得调度员能使SCADA 系统适合于当前电网工况。调度员能够用人工值去替换远动数据，也可以发出命令给电力系统控制装置。

2实时数据采集

实时数据即当前的运行数据。电力系统中的发电厂和变电站有大量设备，随之有大量的运行数据供厂站自身监控和电网监控使用。SCADA主要采集的信息包括电网中发电机和变压器的运行状态、发电出力和负荷变化情况、网络结构和潮流分布情况、电网的动态变化和事故情况等。为了确保电网安全稳定地运行并且效益最高，实时数据的采集必须快速、全面并且准确。

2.1远动技术基本概念

远动技术是指对厂站设备的远方监视和控制，是SCADA实时数据采集的基础。远动技术的主要功能是“四遥”，即遥测、遥信、遥控和遥调。遥测是物理量值的测量，遥信是状态量的测量，遥控是对状态的控制，遥调是对物理量值大小的调整。远动技术的实施需要两套装置，其一是位于被测控物体方的测控终端RTU（Remote Terminal Unit），其二是位于测控中心的系统，对电网来讲就是SCADA系统。由于技术的发展，许多RTU已不再是独立的装置而成为变电站综合自动化系统的组成部分，就像主站的SCADA功能成为EMS的一部分功能一样。

2.2开关量和模拟量

对电网来讲要测量的量有两大类，一类是状态量，一类是模拟量。状态量（Status）包括断路器和隔离刀闸的开/合、发电机和变压器的投/停等具有两种状态的量，还有如变压器抽头位置、设备检修/冷备用/热备用/运行，以及继电保护动作等具有多种状态的量，电网中状态量是以某种相对应的接点开/合来表示的，故称之为开关量。

模拟量（Analogue）不是物理上的术语而是测量上的术语，在不同的场合有不同的定义，例如：模拟量不是突变的而是连续变化的物理量；模拟量不是原物理量而是用传感器和变送器线性地改变了值的大小甚至改变了性质后的物理量；模拟量是其值没有数字化的物理量等等。

2.3开关量的采集

电网中许多设备带有高电压和大电流，难以直接采集其开/合、投/停以及档位等状态，必须通过设备上相关的辅助接点间接地采集。这些接点可能会抖动、拒动、误动，在采集时要有判断和处理措施。

2.4模拟量采集的互感器、传感器和变送器

互感器是高电压大电流测量时用于降压、减流的变换元件。传感器和变送器是非电气量或低电压小电流电气量的测量装置。

2.5电气模拟量的直流采样

所谓直流采样是将交流信号整流成直流信号，经过某些运算和处理，然后用直流电压和

电流输出。这是因为早期的计算机和微机的处理速度慢，无法满足交流采样速度和计算速度

要求造成的。传统的远动测控装置都采用直流采样，但现在变电站综合自动化系统已改用交

流采样，因为交流采样装置简单，而且可采集电网动态变化过程的信息，所以逐渐取代直流

采样。

2.6非电气模拟量的直流采样

SCADA系统中用到的非电气模拟量有水位、温度和压力，如水库水位、变压器油温、断路器中SF6的压力等。

2.7与时间有关的电网频率、周期和相位等电气参数的采样

SCADA系统所需采集的电网频率、周期和相位等电气参数可用已知频率的脉冲计数法采样。它们主要的采样用电子电路包含与门、触发器、高精度晶体脉冲发生器和脉冲计数器。与门的各个输入端都是高电平时输出为高电平。触发器有‘0’、‘1’两个输出端，二者电位总是高低相反。触发器还有置‘0’和置‘1’输入端及一个计数输入端，对该端每输入一个脉冲，触发器的‘0’端和‘1’端的电平就相互反转一次。与门一个输入接触发器‘1’，与门的输出端接脉冲计数器。

2.8交流电气量的交流采样

随着计算机和微机芯片处理速度的快速提高，交流电气量的直流采样已逐渐被交流采样替代。交流采样的方法是采集交流电流和电压每周波的波形点值，再根据波形点值用计算机或微机计算出电流电压的幅值、有效值、功率因数、有功和无功功率、各母线电压的相角差、频率、周期等。与直流采样相比，交流采样的主要优点是1）采样装置简单；2）采样装置种类少；3）采样精度高；4）能反映电网的动态变化过程，因此现在的变电站综合自动化系统已全部用交流采样代替了直流采样，只保留了非电气量的直流采样。只有早期投运的变电站内还保留着电量的直流采样装置。

交流采样方法和计算方法按应用的要求有多种，如继电保护动作电流的采样少于半个周波，每次采样只采3到5点，而SCADA/EMS的交流采样每周波要采二十几点到几十点。交流采样后计算电流电压的幅值/相角的算法有许多种，如①考虑输入为正弦波的采样值积算法和半周积分算法；②考虑了输入信号中有不衰减直流分量和整次倍谐波的付氏周期函数算法；③用于衰减性直流分量和输入信号不是周期分量的随机函数算法；④基于继电保护快速计算要求的算法等。

2.9变电站综合自动化系统和远动测控终端

随着计算机和网络通信技术以及电网监控技术的快速发展，对变电站自动化提出了一系