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在电力行业中，SCADA系统的应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统（EMS系统）的一个主要子系统，有着信息完整、效率高、能正确掌握系统运行状态、可加快决策速度、协助快速诊断系统故障等优势，现已成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度的自动化与现代化，提高调度效率和水平发挥着不可替代的作用。目前我国骨干输变电线路上的超高压变电站（500kV、220kV及绝大部分110kV的变电站）大多已经建立起光纤传输连接，并在生产管理上建立了SCADA系统，可以进行中心调度、地区调度的多级监控、调度管理。
图1.19所示为电力SCADA系统结构图，该系统采用集中管理、分散布置的模式，采用分层式、分布式系统结构，由站内管理层、数据通信层、基础设备层组成。
站内管理层实现变电所控制室对本变电所设备的监视、报警功能，并负责变电所综合自动化系统与综合监控系统之间的数据交换，包括双冗余通信控制器、双冗余以太网交换机、工作站、自动化屏、智能测控单元（含DI/DO/AI模块）等设备。数据通信层实现变电所内管理层与基础设备层之间的通信，包括光电转换装置、光缆、通信电缆等设备。
基础设备层实现对基础设备数据的采集、测量等功能，包括220kV等不同电压等级的交流保护测控单元及直流保护测控单元等。
系统还配有GPS脉冲对时设备，这是电力SCADA系统与一般行业的SCADA系统的不同之处。当然，目前一般行业的SCADA系统配置GPS脉冲对时设备的也越来越多。
电力（除发电厂外）SCADA系统与其他行业的SCADA系统还有一个较大的不同之处，就是其采用的通信协议在其他行业很少使用。如一些企业依托IEC61850标准开发了全套变电站自动化系统，这些系统可以根据变电站内IED（智能电子设备）间的通信需求，支持变电站装置间通信和变电站对外通信等多种通信类型。例如，引入GOOSE（面向通用对象的变电站事件）、SMV（采样测量值）和MMS（制造报文规范）等不同通信方式，满足变电站内装置间的通信需求。这些通信方式及相关协议基本上都是电力行业专用的。
图1.19 电力SCADA系统结构图
铁路和城市地铁的控制系统在其行业称作信号系统，从系统结构来看，也是典型的SCADA系统。除了信号系统保障轨道交通运行的安全性和可靠性，各类辅助系统（如地铁或隧道的通风系统等）也起保障作用，武广高铁的防灾系统就属于这种保障系统。
武广高铁从广州到武汉，全长995公里，途经15个车站，设计时速为350km，是我国的重要干线铁路。铁路沿线部分区段的自然条件恶劣，很容易发生冰冻天气、岩土松动及泥石流等，同时，沿途有较为复杂的居住环境，人、畜等可能会非常规穿越铁路。为了确保高铁稳定运行，减少这些自然和人为因素对高铁行车安全的影响，在武广高铁上建设了防灾SCADA系统，如图1.20所示。该系统专门配置了3个防灾数据中心，分别位于武昌新火车站、长沙火车站和广州南站内。全线共设置155个冗余监控单元、3个值班室、2个调度所。整个防灾监控系统采用贝加莱公司的软硬件产品，实现了对远程无人值守站点、环境恶劣站点的监控。系统设有风速监测站点109个、雨量监测站点51个、异物监测站点125个，可以对暴风与大雾在机车运行时产生的影响，暴雨造成的潜在泥石流、路基塌陷等潜在因素，以及在桥梁、隧道、山体等区段出现异物（包括人和动物）进入轨道运行区域等异常及时进行采集，并将上述数据上传给调度中心，以便能够及时做出调整。
图1.20 武广高铁防灾SCADA系统总体结构图
由于该SCADA系统的可靠运行对于保障列车的运行安全和乘客的生命安全具有非常重要的作用，因此，在进行SCADA系统配置时，对电源、机架、CPU、I/O等单元都进行了冗余设计。主/从CPU模块转换时间短，对系统运行没有影响。系统硬件选用X20控制器，单机及I/O的平均无故障时间可以达到50万小时，且满足铁道电气系统A级EMC指标。
软件采用贝加莱的全集成自动化平台（Automation Studio），该软件可以完成系统组态、控制器编程和人机界面开发，大大简化了系统开发和调试过程。最新版本的Automation Studio 4允许使用所有符合IEC61131-3标准的编程语言和C语言进行PLC编程，以及运用C++进行面向对象编程。项目文件以XML格式实现共享，可以确保与第三方系统（如物料管理和生产规划软件）的开放通信。采用OPC统一结构（OPC UA），可以从底层设备直接连接至工厂管理层。Automation Studio还提供了广泛的诊断工具，用于读取系统信息和优化系统。使用系统诊断管理器可以通过标准的Web访问读取广泛的目标系统信息。对运动控制系统开发的强大支持也是该软件的特点。
楼宇SCADA系统的上位机通常采用组态软件开发，下位机主要是各种DDC控制器。上位机通过楼宇自动化常用的总线及其他通信协议与下位机通信，完成监督控制与数据采集功能。通常楼宇SCADA系统包括多个子系统，它们分别是高压配电监控系统、低压配电监控系统、供水监控系统、排污监控系统、中央空调监控系统、照明监控系统、电梯集群管理系统、停车场监控系统等。图1.21所示为楼宇SCADA系统总体结构图。从这里也可以看出楼宇SCADA系统使用BACnet等行业典型通信协议，而现场控制器为DDC。
图1.21 楼宇SCADA系统总体结构图
（1）高压配电监控系统。
高压配电监控系统主要实现对市电进线和高压出线的电压、电流、不平衡电流、有功功率、无功功率、功率因数、相角等参数的采集显示，以及对变压器各参数的采集显示。
（2）低压配电监控系统。
低压配电监控系统主要对各控制柜（包括市电进线柜、市发电转换柜、低压联络柜、空调动力开关柜、供水动力开关柜、排污动力开关柜、设备间动力柜、电梯动力开关柜、路灯照明开关柜、安防动力开关柜、楼层动力开关柜、停车场动力开关柜、地下层动力开关柜）的电参数进行采集显示。
（3）供水监控系统。
供水监控系统主要对供水加压泵（包括补压泵）的状态进行监控，还负责对地下水池的水位检测（溢出水位、生活水位、消防水位）、对变频器及进水蝶阀的状态监控。加压泵组变频调速采用一台变频器带多台泵的方式。当压力过大时，依次变频调速，直至停止各加压泵。当用水量较小时，用补压小泵供压，从而达到节能的目的。为均衡各个加压泵的运行时间，延长加压泵组的使用寿命，每次启动的第一台加压泵应是累计工作时间最少的加压泵。
（4）排污监控系统。
排污监控系统主要对各个排污泵的运行状态及污水池的污水液位进行监测，控制排污泵定时启动排污，当污水池的污水液位过低时，连锁关闭排污泵；当污水液位过高时，自动启动排污泵并报警。
（5）中央空调监控系统。
中央空调主要由冷水机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统及末端风机盘管系统等组成。中央空调中的冷冻水循环系统中回水和供水的温度差、冷却水循环系统中供水和回水的温度差是中央空调工艺参数中的关键参数，它们的控制精度直接影响用户的制冷效果和中央空调系统的能耗。中央空调监控系统可以完成对相关工艺、设备和能耗等参数的监控。
（6）照明监控系统。
照明监控系统主要完成对各个楼层的照明监控、地下室照明监控、楼顶照明灯监控、航空指示灯监控、路灯监控等。
（7）电梯集群管理系统。
电梯集群管理系统由上位机完成对电梯运行情况的管理、监测，以及电梯维护、运行、停止等；由下位机完成电梯运行过程中的逻辑控制功能。
（8）停车场监控系统。
停车场监控系统对出入车辆进行管理。早期多采用IC卡收费管理方式，目前多数系统利用车辆的动态视频或静态图像对牌照号码、牌照颜色进行自动识别，自动化程度更高，可实现无人值守。
SCADA系统在油气长距离输送中占有重要地位，它对与油气输送有关的首站、门站、分输站、压气站、阀室、末站等站场设备进行监控。我国的西气东输工程就是典型的天然气长距离输送工程。然而，由于天然气长距离输送管道输配系统已由单气源、单管不加压的输送方式演变为多气源、多管、多个加压站的输送方式，生产运行工艺十分复杂。同时，天然气的产、供、销是由采气、净化、输气和供气等环节组成的，长距离输送管道作为这个系统的中间环节，必须协调好上下游的关系，对操作管理的要求很高。输送的燃气担负沿线城市或地区的供气任务，涉及国计民生，一旦发生事故，将造成很大的经济损失和社会影响，因此必须保证其安全、可靠、连续和稳定地运行。
根据油气输送系统的特点，进行这类输送的SCADA系统通常由调度控制中心、站场控制系统（站控系统）、安全仪表系统及连接调度控制中心和站控系统的通信网络组成。一些大型的站控系统实际上也是一个结构完整的SCADA系统。图1.22所示为西气东输SCADA系统的总体结构图。在控制层级上，具有控制中心级、站控级、现场设备级和手动级四级结构，可以选择一种模式进行操作。在正常情况下，管道沿线各站无须人工干预，各站在调度控制中心的统一指挥下完成各自的工作。经调度控制中心授权后，可将控制权切换到站控级。当数据通信系统发生故障时，站控级自动接管控制权，完成对本站的监视控制。当进行设备、通信系统检修或紧急停车时，可采用就地控制。这类系统通常具有多级调度控制系统。例如，西气东输监控中心有省级调度控制中心和国家级总调度控制中心，以实现对整个输气过程的全面监控。
图1.22 西气东输SCADA系统的总体结构图
（1）监视各站的工作状态及设备运行情况，采集与存储站场的主要运行数据和状态信息，具体如下。
①参数检测：进出站气温、气压；首站、清管站、末站和分输站的瞬时流量和累积流量；计量支路的压力、差压、温度等；可燃气体浓度。此外，在站场采用在线气相色谱分析仪实时监测天然气的组分，保证计量的准确度。压缩机是站场的核心设备，一般有独立的状态监控系统，站场PLC等主控设备与该监控系统通信，采集压缩机的状态信息等。
②报警信号：进出站压力超限；压缩机轴承温度过高，振动量过大；安全阀、泄压阀动作；重要球阀动作等。
③状态量检测：压缩机状态，进出站调节阀和开关阀的运行状态。
（2）远程监控功能，主要如下。
①从远方各站控系统、阀室RTU采集数据，监视现场设备的工作状态及设备运行情况。记录重要事件的发生、工艺参数及设备运行状态参数超限报警，显示、打印报警报告。
②给远方各站控系统、阀室RTU发送指令（同时进行指令记录），按程序自动启停机组、开关阀门及自动切换工艺流程。
③对需要调节的主要参数（如压力、温度、流量等）进行远方给定和自动调节，对各站场的工艺参数及设备运行状态参数的报警值及停机（跳闸）设定值进行远程修改。
④显示管道全线的工作状态，打印管道全线运行报告。
⑤对管道全线密闭输送进行水击超前保护控制。
⑥对管道全线进行实时工艺计算和优化运行控制。
⑦对管道全线进行清管控制。
⑧对管道全线及各站运行的设备状态及工艺参数进行现行趋势显示和历史趋势显示。
⑨对系统设备的故障与事件等具有自检功能。
（3）安全与管理等功能，具体如下。
①发布ESD（紧急停车）指令。
②有毒有害气体报警。
③系统时钟同步。
④当数据通信信道发生故障时进行主备信道的切换。
⑤向管道沿线各站下达压力和流量设定值。
①过程变量巡回检测和数据处理。
②向调度控制中心报告经选择的数据和报警。
③显示画面、图像。
④除执行调度控制中心的控制命令外，还可以独立进行工作，实现PID及其他控制。
⑤实现流程切换。
⑥实现联锁保护功能。
⑦进行设备自诊断，并把结果报告给调度控制中心。
⑧向操作人员提供操作记录和运行报告。
一般来说，现场的站控系统都是具有上位机的SCADA系统。上位机采集下位机和安全仪表系统的参数。通常有操作人员在控制室进行值班操作。一般只有控制器（如RTU）对阀室进行控制，没有上位机，即阀室一般只配置巡检，不配置人员在现场进行操作。站场和阀室的控制系统通过有线或无线通信与上级调度控制中心进行数据交换。
安全仪表系统主要对大型空压机、危险气体泄漏等实施紧急停车，确保设备、人员和生产安全。一般要求安全仪表设备达到IEC61508 SIL3的要求，并配置独立的可燃气体检测和报警系统（FGS）。
数据通信系统在油气长距离输送SCADA系统中起重要作用。鉴于该应用的特点，其通信方式较为复杂多样。通信介质一般包括电话线、微波线路、光纤或卫星线路等。设备不同，涉及的通信协议也不同。此外，为了确保数据可靠传输，通常采用冗余的通信方式，即有线通信与无线通信互备。为了保证信息安全，还会对重要数据进行加密传输。
油气长距离输送SCADA系统的距离跨度大、设备站点多，考虑到故障检测等对时钟同步的要求，该系统还应配置时钟同步设备，以确保整个网络的控制、监控等各类节点的时钟同步。通常，会根据系统对时钟同步精度的要求来配置同步设置。时钟同步方法比较如表1.2所示。
油气长距离输送SCADA系统一般要求整个网络所有节点的校时精度为10ms；控制器和I/O模块之间的同步精度为0.5μs；SOE时间标签的分辨率为0.25ms。
表1.2 时钟同步方法比较
由于SCADA系统能产生巨大的经济和社会效益，因此SCADA系统在以下领域中得到广泛使用。
（1）无人工作站系统——用于集中监控无人值守系统，这种无人值守系统广泛分布在以下行业和应用领域。
• 无线通信基站网、邮电通信机房空调网。
• 电力系统配电网、变电站自动化系统、电力调度系统。
• 铁路系统道口、信号管理系统。
• 坝体、隧道、桥梁、水利设施（如南水北调）、机场、油库和码头。
• 地铁、铁路自动计费系统。
• 高速公路、高铁沿线危险源、城市道路交通。
• 供热、供水、供气、雨水泵站、污水泵站等公用设施。
• 环境、天文、地理和气象等。
• 风力发电厂、生物质电厂、太阳能电厂等新能源领域。
• 发电厂、污水处理厂、垃圾发电厂的污染源在线监控。
（2）生产制造系统监控——用于监控和协调生产制造流水线上各种设备正常有序运营和产品数据的配方管理。这些生产线包括家电、家具、汽车、卷烟、纺织品等。
（3）大型设备远程监控——如对大型港口机械的远程监控、对大型中央空调的远程监控、对远洋轮船的远程监控等。
（4）重要危险源远程监控——如对矿山瓦斯等有毒有害气体、森林火警和化工危险品运输车等的实时监控。
（5）对其他生产和生活相关行业的监控——如农业大棚监控、粮库质量和安全监测、油库安全监测、化工仓储设施的安全监控、自动化仓库及物流配送的监控等。
采用SCADA系统后可以带来一系列的经济和社会效益，具体如下。
• 大大提高了生产和运行管理的自动化水平、安全性和可靠性。
• 较高的自动化程度可大大提高产品质量和生产效率。
• 大大降低了生产人员面临恶劣工作环境的可能性，保证了工作过程中现场员工的安全性。
• 可大大减少不必要的人工浪费，节约人员开支。
• 通过对生产过程的集中控制和管理，大大提高了企业作为一个整体的竞争能力。
• 系统通过对设备生产趋势的保留和处理，可提高预测突发事件的能力、在紧急情况下的快速反应和处理能力，可大大减少生命和财产损失，从而带来潜在的社会和经济效益。
正因为如此，SCADA系统在不同的行业领域得到了广泛应用，成为应用广泛的工业控制系统。