基于SCADA的供水运行故障检测系统

周永峰

（广州市自来水公司）

0 引言

城市供水管网是城市建设的重要基础设施，其中，供水调度系统是保证供水管网稳定、可靠运行的关键。供水调度系统是指运行在调度中心的一系列计算机信息系统及通信系统，主要功能是获取调度业务所需信息，以供调度人员实施调度与分析。各地自来水公司普遍采用数据采集与监控（supervisory control and data acquisition，SCADA）系统进行供水管网的数据采集[1]。SCADA 应用于对实时控制要求不高，地域较为分散的一点对多点的数据采集、监控或调度系统。

供水SCADA系统对管网、厂站中监测点的压力、流量进行实时监测，实时地反映供水管网的运行状态，以作为优化调度决策的依据。因此实时监测SCADA的运行情况，检测SCADA的故障尤为重要。SCADA的故障监测主要分为两类：一类是通过各种算法检测SCADA系统所监测对象的故障[2]；另一类是检测SCADA系统，发现SCADA系统硬件和软件存在的故障，确保数据能准时、准确地传输到SCADA系统中心[3]。

根据对国内外SCADA系统及其故障检测技术的研究，以及本公司存在数据采集系统故障检测的缺失问题，本文提出基于SCADA的供水运行故障检测系统。利用程序开发平台 VS2010，结合数据库管理平台SQL server2008，把调度三遥系统和阀门井压力监测系统整合成SCADA系统，通过读取系统历史数据及对相关的服务程序进行检测。故障检测系统投入运行后，系统稳定可靠，能及时发现SCADA系统设备的异常运行，诊断出设备的故障类型，通知技术人员及时对故障进行处理，效果显著。

1 广义SCADA系统整体设计

1.1 SCADA结构

SCADA系统经调度三遥系统（狭义SCADA系统）和阀门井监测系统整合，由调度中心系统、数据传输系统和现场监控站点系统等组成，整个系统网络层次从底层逐级向上可分为现场层、网络传输层和中心监控层，结构如图1所示。

1.2 SCADA组成

1.2.1 中心监控层

调度中心系统集中管理和指挥整个调度系统的运行。调度中心主要包括调度中心计算机、通讯主台（主要是无线方式）等部分。

1.2.1.1 调度中心计算机

调度中心计算机运行调度系统软件即上位机软件，具体分为前台机和后台机。前台机是连接通讯主台、具有调度系统所有功能的计算机；后台机的功能主要是运行一些后台数据处理工作（报表等），同时也作为GPRS/CDMA接入服务器。

1.2.1.2 通讯主台

通讯主台主要包括电源、高速数字电台、电台、馈线、全向天线（或定向天线）等，用于和调度系统的各现场电台通信站点进行数据通讯。通信主台采用高速数字电台（MDS电台）。通信方式除传统的无线数传电台之外，还有专线、光纤、TCP/IP及GPRS/CDMA等通信链路，通过其它通信网络来传输数据[4]。

图1 SCADA结构

1.2.1.3 系统软件

调度系统软件是整个SCADA系统的灵魂，协调各个现场数据的通讯任务；把硬件系统采集的各种数据（如压力、流量、开停机状态等）经过计算后，以数据或图表的方式显示出来，以供分析和使用，并且将数据送到DLP大屏幕拼接幕墙。

1.2.2 网络传输层

在网络传输层，系统采用以下通讯链路方式：1)调度中心与水厂的通信连接，以光纤为主通信链路，电台和 GPRS为备用链路；2) 调度中心与加压站的通信连接，以光纤为主通信链路，GPRS/CDMA作为备份链路，兼容支持原有电台通信；3) 调度中心与管网监测点的通信连接采用GPRS和CDMA互为备份、GPRS和电台互为备份、电台和CDMA互为备份三种连接方式[5]。

在通信协议方面，有线链路、GPRS/CDMA链路和无线电台支持Modbus和FT1.2。

1.2.3 现场采集层

现场数据采集主要有两种模式：直接采集仪表数据（RTU数据终端）和采集PLC数据。

1.2.3.1 采集RTU数据终端

RTU数据终端以西门子S7-200系列小型PLC为核心，用于管网测压、测流点或者小型的加压站。现场仪表将物理参量信号转化成电信号，如液位计、流量计、电压变送器、电流变送器等，转化后的电信号被数据输入输出模块采集，并转化为数字信号，再通过通信电台将数据传送回调度中心[6]。

1.2.3.2 采集PLC控制器

鉴于水厂和大型加压站具有完善的数据采集系统，可通过终端计算机直接从厂站PLC采集数据[7]。相比RTU数据终端而言，这种方式减少了采集现场仪表数据的模块，用计算机取代了可编程控制器。

2 故障检测系统

随着对SCADA系统实时监测准确性要求的提高，衍生出针对SCADA运行状态的监控技术，即基于SCADA系统的故障检测系统。本司原有的故障检测软件只能对调度三遥系统进行简单的检测，无法对阀门井压力监测系统和故障的恢复进行监测，系统故障监测类型单一、系统稳定性差、检测原理简单，已无法满足日常调度管理。

目前SCADA的故障主要包括通信故障、电源关闭故障、数据异常等。通常，引起通信故障的原因包括电台通信效果、GPRS通信效果、通信模块故障等；引起电源异常关闭的故障可能是供给端机的电源因故关闭，需由端机后备电池供电，待电池电量消耗后，端机也会因缺电不能运作；数据异常可能由设备（如PLC）故障、管网出现爆漏等引起，此外还可能由调度中心网络状态和数据转换服务的故障引起。因此，有必要研发一套基于SCADA供水运行的故障检测系统，完成各种故障检测功能，实现24小时不间断地对数据进行分析和监控，细化故障类型，分析故障原因，及时把故障检测结果通知技术人员，尽快对故障进行排查维修[8]。

2.1 功能架构

SCADA故障检测系统细化了故障原因和类型，结合数据服务器、交换机等设备的情况，分别对数据转换、网络状态、通信故障、电源故障、数据异常等故障进行检测，并把故障信息按故障等级分时段通过短信发送到相关人员手机。增加故障恢复检测功能，实现智能故障检测，功能架构如图2所示。

图2 故障检测功能架构

2.2 各个功能检测原理

2.2.1 数据转换服务状态检测

1) 检查数据库更新时间，满足30 min内数据有更新则属正常；

2) 检查实时数据表的最新时间，存在15 min内的数据则属正常；

3) 当检测到转换服务问题时，则尝试重启服务，并延时5 min再进行检测，若问题仍存在，则发送报警短信。

2.2.2 局域网状态检测

中心计算机用 Ping地址命令的方式检测各服务器、网络以及关键工作站链路是否正常，中心计算机DOS窗口使用Ping地址命令，检测发送到目标地址的数据包是否全部接收，这些服务器和链路包括中心数据服务器、检测部门的局域网络、检测部门至公司的网络、各水厂至公司的网络和工控网。

2.2.3 SCADA的多个监测点通信故障检测

1) 区别电台站点和基站的故障。当检测到全部站点通讯故障，而局域网络状态正常，则认为基站故障，发送报警短信；

2) 区别GPRS监测点和工控网的故障。当检测全部监测点故障，而工控网连接正常，则发送报警短信。

2.2.4 SCADA的管网单点通信故障检测

1) 根据多监测点的故障检测结果，判断是否需要检测当前监测点的通信故障。如果多监测点故障检测结果显示为大规模通信失败，则在解除多点故障前，不再检测对应单点的通信故障、电源状态及通信率；

2) 通信失败故障：单个监测点的任一参数连续5次检测到通信失败，则判定为通信失败故障。

2.2.5 SCADA的管网单点电源状态检测

监测点的电源状态指示连续出现4次“关”，则发短信。

2.2.6 SCADA的无线通信点的通信率检测

每天14点，对各监测点前24 h的通信状态进行统计，失败率≥30%，则发短信。

2.2.7 SCADA的短期数据异常检测

1) 当监测点的数值连续3次≤0，则发短信；

2) 当监测点的前15 min数值大于上限或者小于下限，则发短信。

2.2.8 SCADA的长期数据异常检测

每个月运行一次，检查一个月的压力变化情况。首先用每日的平均压力求一个月的平均值和标准差，并设定平均值±3个标准差为上下限。数据若超过上下限，或者连续7个点在平均值同一侧，则认为压力变化异常。

2.2.9 阀门井压力监测点的刷新时间过长检测

扫描阀门井压力监测点的历史数据最新时间，若时间超过1天，则认为是刷新时间过长，且该点当天阀门井故障未有标识，判断为此阀门井压力监测点刷新时间过长，标识该点阀门井故障。

2.2.10 故障恢复检测

按照以上的故障检测原理对数据转换服务、网络状态、通信状态、电源状态等进行监测，一旦检测到状态恢复正常，判断为故障排除，状态恢复。

2.3 程序设计及系统调试

2.3.1 程序设计

根据检测原理进行程序设计，数据转换服务状态检测、SCADA的管网单点通信故障检测、SCADA的管网单点电源状态检测、阀门井监测点的刷新时间过长检测的数据流图，如图3所示。

图3 数据流图

根据各故障检测原理以及检测数据流图，通过程序开发平台VS2010编写程序代码。

2.3.2 系统调试

技术人员在监测点现场模拟故障的发生，经测试，故障检测系统能及时检测到各种类型的故障，且判断准确，达到故障检测的设计要求，满足调度技术人员随时发现SCADA系统故障的要求。

3 结论

基于SCADA的供水运行故障检测系统，是利用对调度三遥系统及阀门井压力监测系统的实时及历史数据的检测，结合数据转换程序运行情况等元素进行故障检测。故障检测系统投入使用后，能准确及时地检测到故障，实现智能故障检测，保障调度系统的安全性、可靠性，为城市供水的优化调度提供坚实的基础。

[1] 李海云.城镇水厂自动化供水 SCADA 系统的研究与应用[D].太原:太原理工大学,2010.

[2] 翁国庆,华良.基于 SCADA/EMS的变电设备故障诊断专家系统[J].机电工程,2009,26(10):74-77.

[3] 黄延林,曹梅花,张卉.基于 SCADA 系统给水管网实时检测爆管位置方法的研究[J].给水排水,2007,33(5):104-108.

[4] 吴铮,周剑利,申彦春.供水厂 SCADA 系统设计方案的研究[J].河北工业科技,2007,24(5):259-261,274.

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[6] 罗扬艳.供水 SCADA 系统数据中心双通信方式的实现[J].中国建设信息,2007,2:61-63.

[7] 申元甲,袁洪涛,刘颖.基于 SCADA 系统的井群远程控制系统设计与应用[J].工业控制计算机,2007,20(2):78-79.

[8] 蔡卫峰.无线通信 SCADA 系统的实现与应用[J].电子技术应用,2002(8):61-63.