2. 能源监控SCADA系统网络拓扑与通信方案设计
现场约束与拓扑分层
某工厂能源监控场景包含三类介质：10kV/0.4kV 配电、压缩空气、循环水。设备分布为：配电室 A（进线柜、馈线柜、2 台智能电表）、配电室 B（1 台智能电表、1 台水表）、空压站（2 台空压机控制器、1 台流量计）、循环水泵房（1 台水泵控制器、1 台流量计）。SCADA 服务器与操作站位于中控室，距最远配电室约 420m。
按“现场层—汇聚层—监控层”三层设计：现场层负责一次设备数据采集；汇聚层负责协议转换与网络收敛；监控层负责数据存储、画面展示与报警。现场层到汇聚层采用工业以太网，汇聚层到监控层采用冗余环网或双上行链路。
通信协议选型依据
| 对象 | 协议 | 选型理由 | 端口/参数 |
|---|---|---|---|
| 智能电表（支持以太网） | Modbus TCP | 寄存器模型简单，电表原生支持，轮询周期 1s 可满足 | 502，从站地址 1~5 |
| 空压机控制器 | Modbus TCP | 控制器提供 Modbus TCP 映射表，无需额外网关 | 502，从站地址 11~12 |
| 水流量计（RS-485） | Modbus RTU 经网关转 Modbus TCP | 现场仅 RS-485，网关做协议转换后统一接入 | 网关 IP:502，串口 9600-8-N-1 |
| 与上级调度/能源管理平台 | IEC 60870-5-104 | 调度侧要求 104 规约，支持总召唤与变化上送 | 2404，ASDU 地址 1 |
| 跨系统数据共享（MES/能管） | OPC UA | 需要带语义的模型化数据，支持订阅与安全通道 | 4840，SecurityPolicy Basic256Sha256 |
冗余策略
- 网络冗余：汇聚层两台工业交换机组成环网，启用 RSTP，单点断链恢复时间目标 < 1s；监控层服务器双网卡分别接入两台交换机。
- 设备冗余：SCADA 主备服务器热备，主服务器故障时备机在 5s 内接管采集与报警。
- 链路冗余：关键配电室 A 采用双上行链路，分别连接汇聚交换机 1 和 2。
- 协议冗余：IEC 104 采用双通道配置，主通道中断后自动切换备用通道。
设计检查点：现场层设备 IP 规划需与汇聚层 VLAN 一致；Modbus TCP 轮询周期应大于设备响应时间；IEC 104 总召唤周期建议 15min，变化上送优先。
IP 与 VLAN 规划示例
| 层级 | 设备 | IP 地址 | VLAN | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 监控层 | SCADA 主服务器 | 192.168.10.10 | 10 | 双网卡：10.10 / 10.11 |
| 监控层 | SCADA 备服务器 | 192.168.10.11 | 10 | 热备 |
| 汇聚层 | 交换机 1 | 192.168.10.21 | 10 | 管理地址 |
| 汇聚层 | 交换机 2 | 192.168.10.22 | 10 | 管理地址 |
| 汇聚层 | 协议网关 | 192.168.10.30 | 10 | RTU 转 TCP |
| 现场层 | 智能电表 1~3 | 192.168.20.11~13 | 20 | Modbus TCP 从站 |
| 现场层 | 空压机控制器 | 192.168.20.21~22 | 20 | Modbus TCP 从站 |
| 现场层 | 水表/流量计 | 经网关映射 | 20 | RS-485 从站地址 31~33 |
冗余验证方法：断开交换机 1 与交换机 2 之间的环网链路，观察 SCADA 采集是否中断；断开主服务器网卡，确认备服务器在 5s 内接管。IEC 104 双通道切换可通过模拟主通道断链验证。
注意：Modbus TCP 与 IEC 104 不要共用同一 VLAN 广播域；OPC UA 对外接口应启用证书认证，避免未授权访问。