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SCADA系統(tǒng)概述
　　SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、鐵道交通系統(tǒng)、水利環(huán)保系統(tǒng)、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)、電氣化鐵道上又稱遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。
　　SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)、電子、通信技術(shù)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。
　　SCADA在北美和世界上的其他地方的定義有所不同：
　　在北美，SCADA是指大規(guī)模分布式測量和控制系統(tǒng)；在北美以外，SCADA是指執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的系統(tǒng)，而不限制規(guī)模和地域分布。
　　由于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同。在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。它作為智能電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個(gè)最主要的子系統(tǒng)（見圖1），有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，現(xiàn)已經(jīng)成為電網(wǎng)運(yùn)營不可缺少的工具。它對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，有著不可替代的作用。

　　圖1：智能電網(wǎng)的信息流圖

　　電力SCADA系統(tǒng)
　　電網(wǎng)的運(yùn)行控制要求各種發(fā)電、輸電、變電、配電、用電設(shè)備，在同一瞬間、按照同一節(jié)奏，遵循著統(tǒng)一的規(guī)律，有條不紊地運(yùn)行。各個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，嚴(yán)密和諧，不能有半點(diǎn)差錯(cuò)。對(duì)于一個(gè)大型的電網(wǎng)控制點(diǎn)多達(dá)數(shù)百萬個(gè)，對(duì)其中每一點(diǎn)的調(diào)控都將會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)全身，必須預(yù)先經(jīng)過精密計(jì)算，相互協(xié)調(diào)配合，才能達(dá)到最優(yōu)的控制效果?，F(xiàn)代電網(wǎng)的運(yùn)行控制的目標(biāo)是：保持電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行；發(fā)生偶然事故時(shí)，迅速排除事故，防止事故擴(kuò)大，盡早恢復(fù)電網(wǎng)正常運(yùn)行；同時(shí)為客戶提供合乎質(zhì)量的電能。
　　電力SCADA按照IEEE的定義，是指一種可以使電網(wǎng)公司實(shí)時(shí)地監(jiān)視、協(xié)調(diào)和操作各種電網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)。其功能分為三類：
　　■ 監(jiān)視：采集模擬量和開關(guān)量，判斷電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)
　　■ 控制：必要時(shí)可以自動(dòng)控制斷路器等配電設(shè)備，改變當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)行工況
　　■ 保護(hù)：可以自動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)系統(tǒng)的故障點(diǎn)，并進(jìn)行故障隔離
　　電力SCADA是綜合了電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)，與各種電網(wǎng)設(shè)備相結(jié)合，將電網(wǎng)在正常和事故情況下監(jiān)測、控制、保護(hù)和電網(wǎng)公司運(yùn)營有機(jī)的融合在一起的一種綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。因此，電力SCADA的實(shí)施是基于可靠通信技術(shù)的發(fā)展，其中電力線載波和無線短距離通信被公認(rèn)為是可能的解決方案。但是，電力線載波受電力線長度和多次諧波干擾，短距離無線通信受到空間距離和物理屏蔽的限制，直到智能網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟而開始被使用。相對(duì)于電力線載波技術(shù)各廠家的各自為政而造成的設(shè)備不能互聯(lián)互通；無線短距離網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之初由20多個(gè)主流的工業(yè)控制產(chǎn)商成立了ZigBee聯(lián)盟、共同制定了國際標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)也是當(dāng)前唯一的開放的、低成本，低功耗、無線互聯(lián)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展為220多個(gè)成員，包括美國愛迪生電力公司、太平洋氣電公司、加拿大安大略水電公司、等全球十五家電網(wǎng)公司。在中國，由國家標(biāo)準(zhǔn)委牽頭，浙江、江蘇、湖北、廣西、湖南電網(wǎng)公司和深圳市天智系統(tǒng)技術(shù)有限公司等公司發(fā)起，成立了《ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)工作組，起草標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)文件。
　　ZigBee技術(shù)簡介
　　2000年美國的MIT，美國的UC伯克利大學(xué)，加拿大 McGill大學(xué)開始了Wireless Sensor　Network的研究。國家安全和防控恐怖主義的襲擊是該研究主要課題，無線微塵項(xiàng)目是該研究第一個(gè)啟動(dòng)的項(xiàng)目，致力于研究在有限的區(qū)域里，撒布上成千上萬無線傳感器件，來實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析環(huán)境變化，及時(shí)做出預(yù)警和報(bào)警。IEEE于2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負(fù)責(zé)制訂媒體存取控制層(MAC)與物理層(PHY)規(guī)范，在2003年5月通過802.15.4標(biāo)準(zhǔn)?！?002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將成立“ZigBee 聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。
　　ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于RFID（無線射頻識(shí)別）和藍(lán)牙之間的技術(shù)。這個(gè)字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈，來通知其他蜜蜂有關(guān)花粉位置等資訊，以達(dá)到彼此溝通訊息之目的，故以此作為新一代無線通訊技術(shù)之命名。ZigBee先前亦被稱為‘HomeRF Lite’、‘RF-Easybbbb’或‘FireFly’無線電技術(shù)，主要用于近距離無線連接，目前統(tǒng)一稱為ZigBee 。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要 很少的能量，以組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或者被另外一種無線技術(shù)如GPRS、CDMA、WiMax收集。
　　在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂負(fù)責(zé)制訂媒體存取控制層(MAC)與物理層(PHY)規(guī)范與網(wǎng)絡(luò)層（NWL）、應(yīng)用層（APL）和安全層（SEC）軟體標(biāo)準(zhǔn)，兩者之角色與分工就如同IEEE 802.11小組與Wi-Fi之關(guān)系（見圖2）。

　　圖2：ZigBee標(biāo)準(zhǔn)分層示意圖

        圖3：ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，，在2003年5月通過802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，2006年802.15.4任務(wù)小組制訂了802.15.4b標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)主要是加強(qiáng)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，包括有解決標(biāo)準(zhǔn)疑義之處、降低復(fù)雜度、提高彈性并思考新的頻段分配等。
　　ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制訂網(wǎng)路層、安全管理、應(yīng)用介面規(guī)范，其次亦肩負(fù)互通測試，在2004年第四季推出第1.0版規(guī)范(Version 1.0)。2006年底發(fā)布了ZigBee規(guī)范(Version 1.0)的修訂版，對(duì)組設(shè)備、設(shè)備維護(hù)、目標(biāo)組播、無線編程等四個(gè)方面做了增修，同時(shí)定于2007年發(fā)布新一版的規(guī)范。
　　在網(wǎng)絡(luò)層方面，ZigBee聯(lián)盟制訂ZigBee可具備支持Star、Cluster Tree與Mesh三種網(wǎng)路架構(gòu)（見圖3）。在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之角色方面，可分為全功能設(shè)備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設(shè)備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD之電路較為簡單且占用Flash較小。FFD之節(jié)點(diǎn)具備控制器（Controller）之功能提供資料交換，而RFD則是只能傳送資料給予FFD或是從FFD接受資料?！　?
　　ZigBee技術(shù)針對(duì)環(huán)境如汽車，手機(jī)，發(fā)電機(jī)，配電房，變壓器等對(duì)于無線通信的干擾有著很好的防范技術(shù)。自然界對(duì)于無線信號(hào)的干擾分為兩類：
　　■ 移動(dòng)物體的干擾，也就是物理學(xué)中的“多普勒效應(yīng)”其原理是外界物體移動(dòng)引起電磁波環(huán)境發(fā)生變化，從而影響無線通訊效果。ZigBee組網(wǎng)技術(shù)采用的是密集組網(wǎng)技術(shù)，也就是說電磁環(huán)境變化使得某些鏈接的效果變差，卻使得另一些鏈接效果變好。因?yàn)橥ㄓ嵉倪^程通常有多條路徑，所以整體來看沒有影響。
　　■ 電磁波的干擾：ZigBee技術(shù)工作在2.4GHz頻段，與上述雷電、工業(yè)、交通、生活（包括手機(jī)）中使用的電力、電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁波和不在同一頻道，因此沒有干擾。同時(shí)2.4GHz工作還有天線體積小，節(jié)省能源使用的優(yōu)點(diǎn)。
　　可靠的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在電力SCADA中的應(yīng)用
　　相對(duì)于電力微波通信網(wǎng)、電力DDN數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和公網(wǎng)等遠(yuǎn)程通訊技術(shù)相比，電網(wǎng)數(shù)字化需要“就地”獲取信息，并快速作出反應(yīng)，同時(shí)需要和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)配合。ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)針對(duì)電力系統(tǒng)監(jiān)測、控制的需求，在通信容量、通信時(shí)延、通信可靠性、能量損耗上正是這樣一項(xiàng)滿足電力SCADA需求的技術(shù)。ZigBee技術(shù)首先被應(yīng)用在數(shù)字化變電站和電網(wǎng)監(jiān)控上。本文僅就配網(wǎng)和變電站數(shù)字化為例介紹ZigBee組網(wǎng)技術(shù)在電力SCADA中的應(yīng)用，電網(wǎng)監(jiān)控請(qǐng)參見筆者其他論文。
　　ZigBee技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用得益于近年來配網(wǎng)和變電站本身技術(shù)的發(fā)展提供的有利條件：
　　■ 數(shù)據(jù)采集數(shù)字化：光電互感器的應(yīng)用改變了監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
　　■ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散化：從集中控制、功能分散逐步向戶外型、分散型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。
　　■ 系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化：IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)。
　　■ 系統(tǒng)分層分布化：通信技術(shù)分層獨(dú)立，為采用新興通信技術(shù)提供方便。
　　IEC 61850明確地將變電站系統(tǒng)分成3層：變電站層、間隔層和過程層。介于變電站層與過程層之間的間隔層智能電子設(shè)備（IED），圍繞保護(hù)、測量、計(jì)量、參數(shù)設(shè)置等功能與上下層設(shè)備交換信息，向上主動(dòng)傳送報(bào)告記錄、故障啟動(dòng)／動(dòng)作、變位、模擬信號(hào)量、錄波數(shù)據(jù)等報(bào)文，接收上層發(fā)出的各種控制塊的參數(shù)設(shè)置(例如日志控制、報(bào)告控制、GOOSE、GSSE等設(shè)置)、開斷開關(guān)或斷路器的控制指令、查詢記錄(或召喚)、對(duì)時(shí)等操作請(qǐng)求；向同一個(gè)間隔單元或者不同間隔單元的IED發(fā)出互鎖、報(bào)警、故障等信號(hào)，進(jìn)行分布式功能的服務(wù)調(diào)用；向下接收過程層合并單元傳來的周期性實(shí)時(shí)模擬信號(hào)，將主站控制操作斷路器的命令下傳給智能斷路器控制器，能對(duì)合并單元的采樣值控制塊設(shè)置采樣值周期、傳輸方式等參數(shù)，以改變傳輸質(zhì)量（見圖4）。

　　圖4：間隔層IED功能模型

　　圖5：微機(jī)閉鎖示意圖

　　數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備（IED）應(yīng)用ZigBee技術(shù)是電力SCADA發(fā)展趨勢之一，其中五防閉鎖裝置是電力安全生產(chǎn)的重要設(shè)備（IED）。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，技術(shù)的不斷更新，防誤裝置得到不斷改進(jìn)和完善。防誤裝置的設(shè)計(jì)原則是：凡有可能引起誤操作的高壓電氣設(shè)備，均應(yīng)裝設(shè)防誤裝置和相應(yīng)的防誤電氣閉鎖回路。
　　電網(wǎng)中的五防是指：
　　■ 防止誤分、合斷路器。
　　■ 防止帶負(fù)荷分、合隔離開關(guān)。
　　■ 防止帶電掛（合）接地線（接地開關(guān)）
　　■ 防止帶接地線（接地開關(guān)）合斷路器（隔離開關(guān)）
　　■ 防止誤入帶電間隔。
　　80年代中期，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入了防誤閉鎖領(lǐng)域，其裝置統(tǒng)稱為“微機(jī)閉鎖裝置”，二十年來，經(jīng)過了幾代技術(shù)的發(fā)展變遷，已成為既成熟又實(shí)用的一個(gè)技術(shù)分支。就微機(jī)五防產(chǎn)品而言，雖然各廠家的產(chǎn)品各有其特色，但基本原理和采用的技術(shù)手段大致相同，裝置主要由PC機(jī)、智能模擬屏、工控機(jī)、電腦鑰匙和各種鎖具組成。 通過在PC機(jī)或智能模擬屏上模擬預(yù)演，由系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先存儲(chǔ)的邏輯規(guī)則和狀態(tài)對(duì)每步預(yù)演進(jìn)行判斷，并通過串行接口通訊將操作步驟輸入電腦鑰匙中，然后用電腦鑰匙打開裝于現(xiàn)場相應(yīng)設(shè)備上的編碼鎖，然后進(jìn)行倒閘操作。
　　微機(jī)閉鎖經(jīng)過十幾年來不斷的完善和發(fā)展，已開始在電力系統(tǒng)大面積推廣應(yīng)用，其綜合指標(biāo)相比其它防誤閉鎖裝置具有不可比擬的優(yōu)越性。特別是閉鎖全面、操作方便、維護(hù)簡單、性能可靠、造價(jià)相對(duì)較低受到電力系統(tǒng)的肯定。但是：實(shí)際上其自身還有很多不足，比如：
　　■ 離線操作模式的安全隱患問題；
　　■ 系統(tǒng)造價(jià)偏高，使微機(jī)防誤閉鎖無法向廣度發(fā)展的問題；
　　所謂“離線” 操作模式，是指在操作過程中電腦鑰匙與主控系統(tǒng)之間沒有通訊聯(lián)系，此種模式下電腦鑰匙只能順序執(zhí)行預(yù)存的操作票。由于離線模式而導(dǎo)致微機(jī)防誤裝置失去防護(hù)效果，發(fā)生誤操作事故的例子很多，比如某電廠對(duì)一條熱備用線路轉(zhuǎn)停電檢修操作時(shí)，在運(yùn)行人員前往現(xiàn)場操作的過程中由于二次的原因斷路器重合，而運(yùn)行人員未能及時(shí)接到通知，仍然用電腦鑰匙按預(yù)存的操作票打開線路側(cè)刀閘的防誤鎖具，然后拉開刀閘，造成一起帶負(fù)荷拉刀閘事故。某變電站執(zhí)行某線路停電檢修操作時(shí)，運(yùn)行人員持電腦鑰匙接通電氣鎖回路并斷開斷路器，然后用電腦鑰匙打開線路側(cè)刀閘的防誤鎖具，拉開刀閘，卻造成一起帶負(fù)荷拉刀閘事故，事后分析原因是由于斷路器的觸頭沒有完全脫開造成的。此外，在綜自站遇到代路、導(dǎo)母等操作時(shí)，運(yùn)行人員遇到監(jiān)控操作則必須返回主控室才能確認(rèn)操作步驟，導(dǎo)致操作人員多次往返奔波于主控室和現(xiàn)場之間，增加了人員的負(fù)擔(dān)，也降低了操作效率。以上種種問題，在“離線”模式的微機(jī)防誤閉鎖裝置中是無法解決的。

　　采用ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)的電腦鑰匙與主控設(shè)備之間的無線信息同步，同時(shí)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)中心拓?fù)浼夹g(shù)，成功解決強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中無線信息發(fā)送及接收的穩(wěn)定性和成功率等關(guān)鍵問題，并成功降低了發(fā)射功率，確保產(chǎn)品在變電站干擾敏感區(qū)的安全使用。
　　特色和創(chuàng)新之處在于：
　　■ 在不大幅提高產(chǎn)品造價(jià)的前提下,徹底解決了現(xiàn)有微機(jī)防誤閉鎖裝置中普遍存在的離線操作存在安全隱患的問題；
　　■ 填補(bǔ)了“多組同一任務(wù)并行操作”的空白，使系統(tǒng)具有了真正意義上的并行操作功能。
　　■ 無線電腦鑰匙在變電站無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何區(qū)域都可以輕松完成自學(xué)、接票、操作和回傳等，無需像以往的五防模式運(yùn)行人員來回跑上跑下進(jìn)行操作。
　　■ 實(shí)時(shí)在線，實(shí)時(shí)防誤：五防主機(jī)顯示的一次設(shè)備狀態(tài)是實(shí)時(shí)的，和現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)保持一致。在操作的過程中，五防主機(jī)始終進(jìn)行實(shí)時(shí)邏輯判斷，判斷在操作過程中的任何時(shí)刻操作是否還滿足五防邏輯，起到了真正實(shí)時(shí)有效的防誤目的。
　　綜述
　　基于可靠ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的電力SCADA的應(yīng)用具有如下特點(diǎn)：
　　■ 擁有無線組網(wǎng)的核心技術(shù)專利；
　　■ 符合國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)；
　　■ 批量使用后，比現(xiàn)有系統(tǒng)更高的性價(jià)比；
　　■ 安裝維護(hù)極其方便，可以和現(xiàn)有系統(tǒng)無縫對(duì)接。
　　在電力SCADA從微機(jī)控制向綜合智能化控制發(fā)展過程中，主要表現(xiàn)為電氣設(shè)備的小型化、機(jī)電一體化，以及控制與保護(hù)的整體化，將控制、保護(hù)系統(tǒng)與一次設(shè)備就近安裝在一起，向著智能型裝置發(fā)展。高度綜合化和智能化的應(yīng)用將日益加快，優(yōu)點(diǎn)顯而易見，如緊湊的設(shè)計(jì)降低了空間要求；標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的技術(shù)使保護(hù)、控制易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)協(xié)調(diào)；功能自由的設(shè)置使之更具靈活性；優(yōu)化測點(diǎn)可以降低成本和盡可能消除數(shù)據(jù)的不一致性；增強(qiáng)了的抗干擾能力，提高了SCADA（數(shù)據(jù)采集和控制）的準(zhǔn)確性。把低成本、低功耗的無線ZigBee技術(shù)應(yīng)用于電力SCADA，不但滿足了數(shù)字化電網(wǎng)就地獲取信息、快速作出反應(yīng)、和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)配合的要求，同時(shí)還提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。