集控防误操作系统与SCADA系统的联动

　　第 3 章 集控防误操作系统与 SCADA 系统的联动

　　3.1 SCADA 系统的概述

　　SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统，全名为数据采集与监视控制系统。计算机技术的发展的对 SCADA 系统的技术发展起到了基础性作用。科学技术在不断的发展，对于 SCADA 系统技术也在一代代的更新，目前为止发展到了第四代。

　　第一代是基于专用计算机和专用操作系统的 SCADA 系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的 SD176 系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的 H-80M 系统。这一阶段是从计算机运用到 SCADA 系统时开始到 70 年代。

　　第二代是 80 年代基于通用计算机的 SCADA 系统，在第二代中，广泛采用 VAX 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的 UNIX 操作系统。在这一阶段，SCADA 系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了 EMS 系统（能量管理系统）。

　　第一代与第二代 SCADA 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。90 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的 EMS/SCADA 系统称为第三代。这一阶段是我国SCADA/EMS 系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS 系统中。

　　第四代 SCADA/EMS 系统的基础条件已经或即将具备。该系统的主要特征是采用 Internet 技术、面向对象技术、神经网络技术以及 JAVA 技术等技术，继续扩大 SCADA/EMS 系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。SCADA 基本结构框图 3.1 所示。

　　图 3.1 SCADA 系统图SCADA 系统是一种自动化系统，能够对完成数据采集与监视控制的作用。

　　本系统设有多种功能，例如各种设备温度，母线电压越限都能监视、完成报表的打印、可以查询历史事故及异常、本身内部故障的排查、与联系的设备通信状态排查。在电力系统的运行中，发挥了重要作用，主要表现在倒闸操作中对开关的分断，变电器有载调压装装置分接头的操作，实时对系统电压进行监视与调整，电抗器电容器等设备进行自动调节或投切。电力系统的工作人员可以清楚电网的运行方式以及设备运行情况，都是依靠 SCADA 系统来实现。在实际工作中，电力工作人员都是借助 SCADA 系统来完成相应的遥控操作，查询各类报表，运行监视，电压调整，事故及异常处理等一系列的工作任务，系统通讯结构图如图 3.2 所示。

　

　　对的“无人值守”变电站的运行的好坏是我们一直关注的问题，SCADA 系统就很好了保障“无人值守”变电站安全生产。

　　本项目所设计的互联系统将具有如下功能：

　　（1）值班人员倒闸操作就是借助于 SCADA 系统，值班人员一般在主控室操作，并不能看到操作的设备的情况，这对倒闸操作的安全造成一定的隐患，通过联动切换图像系统图像使得该系统很好的处理了这种问题，通过监控图像，值班人员就及时知道了设备是否发生了异常；当关键设备事故或者异常系统发现时，本系统都要求能够将视频切换至事故发生地，如母线保护跳闸、电压互感器油位异常爆炸等，主变喷油等 ;再者就是通过系统巡视设备时，可以根据需要能调动远方视频。

　　（2）在设计上遥视的系统也可以主动联动 SCADA 系统，视频系统在运行可以发现环境的变化，例如发现“无人值守”的变电站发生火灾事故，SCADA 系统本身不能检测到这种火灾，通过遥视的系统给 SCADA 系统一个提醒，使其做出报警响应，就可以及时引起工作人员的注意，系统也会根据要求做出调整，由于及时的发现火灾情况及时处理，在防止大面积停电有积极意义。

　　3.2 系统联动技术介绍

　　系统互联的方式可以分为监听方式、替换方式和对话方式。

　　1. 监听方式

　　本方式在上述三种方式最为简易，其最大的特点不是相互联系，仅仅是单方面的。接收者的角色为监控系统，主要是按照设计要求而定的，监听主要是依靠防误装置的接口来完成的。监控系统获得防误系统信息的多少跟两者之间的物理接口有很大关系。要数据信息格式以及传输速度肯定相同的前提，他们的物理接口必须一样，并且按照一系列的转换识别，监控系统才会一点不落的得到防误装置的信息，从而增加了其的监控信息量。该设计互联方式在结构上是简单的，对防误装置几乎没有影响，因为他们是单向联系，在信息转换方面需要的规约比较模糊，这些都是这种互联方式的显著优点。因为他们之间的互联不是相互的，所以其积极性不强，不具有独立性，当防误装置出现问题时，这种监听联系就会中止，这些都是这种设计的互联方式存在不足的地方。虽然我们这种设计的互联方式也是有一些不足之处，在现实工作中其应用还是很普遍的，归根结底在其构成简单，信息转换不难，重要是比较经济。

　　2. 替换方式

　　本方式较第一方式更好，在于联系方式变成了互联。在设计上防误装置中的监控机 Mb 被监控系统中主用机器 Ma 取代了，我们可以想象到被取代 Mb的通信上控制也将 Ma 来取代其功能，上述方法是非常明确的，下层站一样会清晰这种情况。Ma 真的变成防误系统与防误系统合二为一的系统来工作，如：遥控操作，参数设置等。第二种方式与第一种对照，我们可以发现积极与主动在设计上充分体现，但是其设计上变复杂化。

　　3. 对话方式

　　对话的设计是真正意义上的系统互联。监控系统和防误系统之间建立一种平等的机制，采用一种标准的或非标准的协议进行通信，相互之间交换监控信息。

　　对话方式较上面两种方式而言最为先进，体现在这是方式更加稳定。应用符合规定的通信协议和相关信息形式是监控系统和防误装置的实现互联的基础，两者之间的互动必须两者紧密配合，否则，无法互联互动。假设监控系统和防误装置是由不同厂家生产的，公布自己的通信技术协议是不同厂家的基本要求，如过两个厂家做不到这一点，这种方式就几乎功亏一篑。无论是国内国外企业，是很难公布自己的协议的，这就是为什么在现实中这种电话的方式很难完成的原因。为了不影响 SCADA 系统的正常运行和便于系统实现，本项目采用的是监听方式实现互联，由防控系统对 SCADA 系统转发的远动数据进行监听。

　　3.3 多媒体主站方式

　　3.3.1 系统原理

　　以多媒体主站方式实现 SCADA 系统与集控微机防误操作系统的互联主要是通过在主站侧对原有电力自动化系统进行改造而实现系统互联。这种互联方式是一种依附于互联方式，并且集控微机防误操作系统和 SCADA 系统之间呈紧密的互联关系。采用针对目标的设计理念，应用了封装电网内部数据和多媒体信息，这都可以改善对变电站设备运行的监测。编程者的设计不同所采用的封装方法肯定是不一样的。运行状况信息与多媒体信息的交流是按照统一封装的方式完成的，所以，图像监控系统和电网设备也得取得交流互动。设计将主站系统接入多到媒体主站互联中后，面临最重要的问题就是如何规划设计电脑与工作人员对话平台。其运行情况好坏以及遥视装置数据在 IP 网络上的传递与传输，运转情况以及图像等数据显示在一个屏幕上在每一个监视系统的计算机上质量，上述都是改良电脑与工作人员对话平台的原因。举个例子，当值班人员对变电站的一次设备进行遥控时，该一次设备间隔的运行状态、电气量信息、报文告警等信息都会第一时间展现。值得注意的是，设计上采用交叉互换的形式双网络设置在主系统的通道中。这样的设计网络分工明确，一般情况下即时广播数据在第一个通道传输，非实时信息等成套数据以及视频视图数据在第二个通道中传输。在双通道网络正常时，各自完成自己的工作，一旦其中一个网络出现异常时，正常的将承担起全部工作的责任。

　　3.3.2 实现方法

　　方案上规划了两种不重方法来完成多媒体主系统的建设：SCADA 和集控微机防误互联系统，打造成为一个系统。SCADA 和集控微机防误系统组成结构图，如图 3.3 所指。这种设计非常能满足在目前电网自动化程序上的应用，一些视频功能也是在目前电网自动化程序的基础产生的。利用接口计算机技术，使得SCADA 主站视频监控装置联系在一起。接口技术非常灵活，形式上可以选择异步串行接口，同样选择是网络接口，关键看哪种协议，是因为其取决于 SCADA主站改造的工作量的多少。该设计方案，两套系统能够更加协调运行。

　

　　多媒体一体化主站结构为图 3.4 所示。广域网络是子站设备运行信息的传播介质，所以信息利用上述介质运输到主站系统，多媒体等演示通过在主站系统来完成。集控微机防误操作程序如何实现了，广域网络在本系统获得了采用。通过这两种方式实现 SCADA 系统和集控微机防误操作系统的互联，两套系统之间可以进行信息交互。

　　

　　3.4 多媒体 RTU 方式

　　3.4.1 多媒体 RTU 的结构

　　目前正在使用的 RTU 较多媒体的网络 RTU（MNRTU）显得还有一些不足。

　　能够电力设备的“四遥”功能是 MNRTU 的一个再基本不过的项目。能够完成多媒体不间断监测，同时能够对下属变子站及时报警以及完成 IP 电话等优秀功能，同时可以提高高速通道的带宽资源的利用率，上述三点都是 MNRTU 系统的独特和先进之处。双机网络在 MNRTU 在构成设计采用了。如图 3.5 所指。多媒体的监测与控制、即时的信息数据存储库、通信的网络、借助网络作用的电话等任务都依靠上位机解决的。它之所以的功能强大，是因为将目前行业里最领先的通信技术及多媒体技术应用到了 RTU 中，之所以其功能较传统 RTU 具有如此多特色功能，原因在于通过将传统的 RTU 功能精妙与图像监控系统、防卫安全等新技术组合在一起；普通意义上的“四遥”及远方抄表、FTU 监测与控制还有公用变压器测量（扩展功能）等都是借助下位机来实现的，总的来说 MNRTU在保留传统 RTU 基本功能的同时，还取得很大的飞跃。

　　

　　下位机之所以能够做到对状态量及模拟量以的采集，主要是借助这两样东西，第一样就是模拟量采样板，第二样借助的东西就是开关量输入板。下位机能够和上位机之间高速的网络通信，是因为它们之间应用 NETBIOS 协议。上位机的其硬件很丰富，主要有多媒体数据搜集装置（摄像头等）、上位工业控制计算机以及多种的报警装置（温感报警等）等组成。上位机实际上就是一套就地监控装置进行完美的数字化而成的，大量任务机制高效、灵活地将多媒体数据在本系统的工控机迅速的处理，本系统能够采用近端控制及远方通信的方式。

　　3.4.2 多媒体 SCADA 系统

　　一种被称为新型的变电站综合自动化--多媒体 SCADA 系统，是MNRTU 采用光纤网络技术与主端站联系起来而组成的。多媒体 SCADA 系统中，实现了集控微机防误操作系统和 SCADA 装置的联络。对 SCADA 数据信息的采集基本上是依靠 MNRTU 的下位机来实现的。多媒体数据信息的收集以及压缩的工作是基本上依靠上位机来完成的。此外一些 SCADA 信息的技术协议变换和转发任务也是依靠上位机来实现的 .中心站接收到的多媒体数据和SCADA 信息，归功于 MNRTU 的上位机能够把相关信息送入到某个通道中再进行传输，这就说明了上述一种亲密的联系形式。变电站端均有这套系统第一时间完成互联，SCADA 系统成为了它的依靠 .多媒体 SCADA 结构的组成如图 3.6 所示：

　

　　由图可见，电力调度控制中心加设了一套多媒体服务装置，很好的解决曾今 SCADA 系统的主端站客户端主机不能够取得和破解和分析出自 MNRTU的 IP 报文的问题。本系统是一种快速监控子网，本系统由 MNRTU 和网卡构成，本系统的实时通信方式是利用前置机进进行的，该前置机是由 RD800 系统和可调整速度的 RS-232 串口组成的。正如上面介绍的，才会有多媒体服务器在主站系统的更多用途：实时工作的远程图像监控的用途，远程实时监听的语言信息以及电力设施声响判别的用途，多媒体方面有管理数据库、数据报警响应能力以及发布信息数据的用途。

　　3.5 协同式监控程序系统

　　3.5.1 系统原理

　　协同性，其实就是互相作用的协作过程，再者就是他们有一个相同的目标，此外协同性必须是个群体的概念。通过集控微机防误操作程序以及 SCADA 装置有序组合起来才成为了本系统，正是这种有序的组合才使得协同工作能在集控微机防误操作系统和 SCADA 装置之间发生，达到了一同完做到电气装置的监视与控制的效果，这样做的结果就使得监控区域得到了扩展。其中的无论哪个子系统都决定不了本系统，本系统是重新研发一个的一个新的东西，而且这个研发思路不同意上述的两套系统，不是一种紧密互联关系在上述的两个系统之间。

　　本系统设计有他的独特之处，广义黑板模型就是他的出发点。

　　a）黑板模型

　　黑板的概念最早由 Newell 提出。20 世纪 70 年代初期，黑板的问题求解模型在 Carnagie-Mellon 大学设想出，并研制了一个黑板系统 HEARSAY-II,该系统是一个语音理解系统。本模型是几种典型的协同模型之一。要么是多个人类方面的专家要么是主体学者一起协作回答一个问题，黑板是一个共同享有的问题解答工作空间，黑板一定能多数专家学者 “看到”. 解答开始的时间，就是在黑板上完成问题以及初始数据记录的时候。专家们解答问题的机会都是通过寻求利用其丰富经验知识，而这种解答机会都是通过“注视”黑板的方式来获取。求解答案会将被专家写在在黑板上，前提是这个专家认为看到黑板上的数据能够充分支持他更深入的求解相关问题。更多的信息被添加，这就加大其余专家坚持解答的机会。黑板上的信息不断增加，专家们必然解决出问题，在最后得到正确结论。黑板模型有下图可知。其组成如图 3.7 所示。

　　

　　1.知识源（KS）：就是多个相互独立的主体，这些主体根据解答的问题专门知识的区别在应用领域中划形成的。

　　2.黑板：问题解答时知识源之间碰撞与交流都是以黑板介质完成的。是解答共同的问题地方。几乎其的组织方式都是依靠层次结构来完成的，其主要作用在于能够存储知识源需要的数据及解答过程中相关数据。某些时候，控制数据也能够存放在黑板上。专家在求解问题时，大量信息在黑板在更换。

　　3.监控机制：按照相关控制方法，依照问题在黑板上被解答情况与不同知识点体现出解答技巧与能力，知识源被合理地应用与激活，这种机制作用在于知识源会随着黑板的变化做出及时的反应。

　　b）广义上黑板的模型

　　如果推广开黑板的构想，面向对象是其采用的设想，其作用使得共享的问题解答区域和该区域中数据或知识能在“广义黑板”上的集中，这种集中是一系列的组织、管理、转移、存储等构成的。广义黑板就是一块更大的黑板是由多块小黑板和其他们间的关系而构成的，每个构成主体能够一心一意地解答各自特定的问题。广义黑板模型的形成，在于能否把 “广义黑板”比作上述模型中的“黑板”.如图 3.8 所示：

　

　　一般黑板模型和广义黑板模型有着非常大的不同，后着嵌套的应用，前者则不可以。一个广义黑板可能就是一个协同系统，知识源的多而不同分布在不同地域上或性能上，这就决定其目的是将所有的主体都发现别的知识源。其他不同的主体要共同解答一个问题，Internet 是一个不错的选择。

　　3.5.2 基于黑板的遥视与防误操作系统的运行
　　
　　协同系统遥视系统和 EMS 系统其实都是好几个主体的组合，这个的结论是协作性在主体之间开展，于是，不同主体之间协同的问题就成为了关键，因为这与 EMS系统和遥视系统的协同问题是一个相同的问题。遥视系统是个非常复杂的系统，按其构成主体划分为不少于七个部分，例如识别视频图像主体、切换遥视主体、视频巡视主体、EMS 巡视联动主体等。依照相同方法， EMS 划分成不少于 3个主体部分。例如接收信息数据的主体、平台界面的主体、处理数据信息的主体。遥视系统和 EMS 数据信息在广义黑板上被提供，上述主体就可以顺利分享了。各个主体在分享信息后，必须按照监控机制要求，完成之间相应的工作，那就是将各自的结论共其他主体分享。

　　广义黑板内部信息的共享可以通过多种方式实现。采用两块不同的黑板就是最简单的办法，第一块黑板的作用是发挥遥视系统的功能，第二块供 EMS 使用，所采用的两块黑板在信息数据配置上应用了冗余原则，EMS 系统与遥视系统的接口成为他们之间通信的途径。设计上把 RS-232/RS-485/网络接口方式应用在主端站上，RS-232/RS-485/网络接口在遥视系统与 EMS 系统上一样得到采用。

　　遥视系统与 EMS 系统接口方式还可以其他的方式，这种方式就被厂站使用的自动化系统和 RTU 接口方式。在条件比较简陋的境况下，通常变电站会选择连接方式是接点。由于主端站接口方式不能及时响应 EMS 的警示，所以无法录像，为弥补这个不足，于是迫使视频录像信息在厂站接口方式管理的形式必须采用分布式的，比较之下各有优缺点。

　　3.6 集控微机防误操作系统与 SCADA 系统的联动

　　基于以上互联方式的特点，本项目采用的是多媒体 RTU 方式在变电站端实现互联。多媒体 RTU 方式，需要在变电站端将 SCADA 数据传输给视频监视服务器，由视频监视服务器向集控中心传输图像和数据信息，上层中心站监视系统终端不需要改动，只需要对视频联动进行分布式管理。每个变电站端的SCADA 系统能够实时地，准确地监测到变电站的运行情况，从而更加可靠地保证了电力线路的正常运行。

　　3.7 视频监控系统与 SCADA 系统的联动
　　
　　当今人类的信息交流已经进入多媒体时代。多媒体信息主要有四种形式，即视频、音频、图形、文本。在变电站自动化系统中，视频和音频属于连续媒体，互相间具有隐含的时间关系，必须在一段时间里按特定的速度播放，如若不然媒体的质量就得不到保证；在播放属图片及文字时质量容易得到保证，因为对非动态媒体播放速度的要求不是太严格，播放时必须遵照实时性的原则，在播放实时这特性方面，非同一类型的图片是不一样的，并且不一样文本信息也是不一样的。

　　多年来，自动化装置的人机对话平台都是按以图片和文字为主的静态媒体设计的，这种设计是在大多数变电站的的设计；语音警报用于变电站发生事故或异常时提醒运行人员注意。目前多媒体技术尚未在国内变电站普遍推广应用。

　　少数已应用的变电站中，实际上以视频技术的应用为主。习惯上将这种视频技术应用为主，将变电站拍摄的图像信息远传到变电站主控室或调度主站的多媒体信息演示系统称为遥视系统。遥视系统是多媒体系统的一种类型。多媒体系统是指在现有自动化技术的基础上，应用了视频技术、动力环境监测技术、音频技术、多媒体输入技术等一至多项技术的系统。

　　应用多媒体视频技术可以在变电站主控室或调度中心观察到变电站设备现场安装的视频系统所采集的视频监控图像，这些视频监控图像能够回放与存储；可以在主控室或调度中心对视频监控相关图像的拍摄装置开展远程调整和控制，这种远程的控制与调整是多方面的比如在各方向自由的旋转、拍摄时的能焦距光线的调节等一些变电站现场能完成的一系列的操作。总之，视频技术在变电站的应用，可使主站运行人员以最佳的观察效果观察变电站各个角落和各种设备，即使了解现场实况，便于主管领导加强安全生产监督管理，实施更科学的生产调度和决策。

　　应用多媒体技术可以对变电站的动力环境进行监控，例如变电站防盗、防火、防爆、防泄漏、防水的监控等，使运行人员能及时发现变电站环境的异常变化。

　　变电站音频信息包括现场设备运行声音、调度电话等。音频信息应该能够双向传播、演出、录音和回放。多媒体音频技术与视频技术配合，可以使运行人员“听见”变电站各种设备的声音，从声音的角度对设备的运行状况进行判断并及时发现设备的异常。音频信号的采集、传输与演示的一个重要技术问题，就是要解决与视频信号的同步问题。

　　总之，多媒体技术在变电站的综合应用，可以在变电站现有的遥测、遥信、遥控、遥调等“四遥”功能的基础上，增加遥视，动力环境监测和音频信息的采集、传输和演示等多种功能，更有利于实现变电站真正的无人值班，并大大提高电力系统的安全运行水平。

　　智能变电站要求设备状态可视化，需要采集一次设备的运行状态信息，进行状态可视化展示并发送到上级系统，为实现优化电网运行和设备运行管理提供基础数据支持。多媒体技术在变电站的综合应用，更有利于实现设备状态可视化的功能。我们把应用多媒体视频技术的变电站自动化系统称为变电站多媒体自动化系统，这种系统的功能结构示意图如图 3.9 所示。各部分的主要功能如下：

　　间隔层。间隔层的各种智能电子设备 IED 完成对变电站相关设备的模拟量、开关量进行数据采集、分析计算，完成保护和控制、操作等任务，并把采集的数据传送给监控中心主站和调度，并接受监控中心或上级调度的命令。

　　视频单元。视频单元中装有多个摄像头，通过视频矩阵（又称视频切换器）连接起来。视频矩阵可以从多路视频输入信息中选择一路或几路信息输出。视频矩阵的输出，通过信道控制器与变电站的报警信息、视频信息一起压缩编码后经光纤以太网传送至多媒体中心主站。

　　变电站层。变电站层的设备主要有监控中心主站、远动工作站、多媒体中心主站和通信转换器等1）通信转换器的功能：对间隔层的 IED 起通信规约转换的作用。

　　2）监控中心主站的功能：与普通变电站自动化系统的作用相同，负责间隔层所采集数据的接受、存储、显示，并根据运行人员下达的控制操作命令，传送给间隔层的 IED 装置去执行，即完成变电站的监视、控制和操作等功能。另外，监控中心主站还负责对多媒体中心主站下达图像采集和播放的命令。

　　3）远动工作站：负责变电站与调度中心的通信。

　　4）多媒体中心主站：负责接收和解压视频信号、图像存储、报警或根据监控中心主站的命令采集或播放现场图像。设立多媒体中心主站的目的是为了减轻监视中心主站的负担，因为多媒体数据量大，接收后还需解压，播放时连续性要求高，多个区域多路视频图像同时播放会大大增加主机系统的资源，设多媒体中心主站可专门用于处理视频图像。因此多媒体中心主站是实现多媒体功能的关键。

　　多媒体中心主站还负责把采集的多媒体信息根据调度中心的命令发送到调度中心。对于紧急报警信息和特别运行命令，需要保证视频图像的实时性。当接到该类命令后，需要传送数据的站点得到较高的优先级，通过高层软件获得独占信道的能力，确保该站点数据的实时发送和网络传输的通畅。