论文部分内容阅读
摘 要：给出了一种电力SCADA仿真系统及其实现方法。该系统在生产实践的仿真培训方面具有很好的应用前景和优势。
关键词：调度；SCADA系统；通信工作站；开发及应用
1、引言
随着电力工业的发展，电网容量的不断扩大，互联大电网迅速形成；大机组、互联大电网、超高压远距离输电线的出现，对安全经济和高质量发输电的要求更加严格，从而能实时地对电力系统运行进行自动数据采集与监视控制（SCADA）的调度自动化系统应运而生。而调度人员能否正确地操作、使用SCADA系统，全面、准确地掌握电力系统的运行情况，在SCADA系统的辅助下对运行情况进行分析、做出正确的判断和决策，以至采取必要的措施及时处理事故和异常情况，对保证电力系统安全、经济、可靠地运行，意义非常重大。而生产实际中因其直接与生产设备相联，故鲜有机会让调度人员对SCADA系统的各种操作和各种运行情况有一个全面的了解，这对充分发挥SCADA系统效用，提高调度人员素质都极为不利。因此，我们给出了一种电力SCADA仿真系统及其实现方法，以此实现对电力SCADA各种功能的仿真操作，从而对调度人员或电力专业的大学生进行仿真培训，使他们在进入生产实践之前就能很好地掌握必要的技能，具备直接上岗的技术素质。这对缩短人员技术积累周期，提高生产效率，保证系统运行安全很有裨益。
2系统结构
整个仿真系统的结构如图1所示。
图1 仿真系统结构图
图1中CZ1，CZ2为仿真厂站设备，从而为SCADA仿真系统提供厂站信息的模拟台；RTU1，RTU2为2个厂站终端；TX1，TX2为信息传送的通信通道；PC为SCADA仿真系统的调度中心计算机系统，由多台微机组成，其结构如图2所示。
图2 网络系统结构图
图2中FRONT为前置通信工作站；dd为实时监控工作站；SQL为历史数据管理工作站；EMS为能量管理工作站；RTNET为微机实时网络；NPORT为实时服务器。考虑到仿真系统的经济性，没必要设置冗余的服务器和前置通信工作站，通信通道采用具有屏蔽层的四芯通信电缆，两端接调制解调器（Modem）以便使得信息能够远传和提高抗干扰能力。RTNET是采用BNC接头将所有调度中心的所有计算机用细缆联结成实时网络。而且因为仿真系统不可能和厂站的实际设备相连，故厂站端的信息也是采用模拟的方法提供，在模拟信息台上用开关仿真厂站的断路器的开合以提供遥信信息，用灯的亮或灭来仿真遥控信息从而模拟厂站的断路器的动作，而用可调的感性负载来提供遥测量的仿真，用直流表来仿真遥调的结果。
3仿真系统的开发
3.1RTU的开发
RTU采用IntelPentium100主机，通过遥测、遥信、遥控、遥调4个功能模板与厂站信息模拟台连接完成相应的功能。采用部颁CDT规约与调度中心的前置工作站进行通信。实时通信软件设计的3个关键环节如图3所示。
图3 实时通信设计结构图
串行通信口初始化可设通信速率为600b/s，字结构除同步字外均采用（48，40）码，同步字为3组EB90。校验位依据40位信息位的代码值和生成多项式g（x）=x8+x2+x+1进行代数运算计算最后的校验码，由于规约规定是带陪基形成的校验码，最后必须按位取一次反。各信息字的组织格式遵守CDT规约。通讯采用中断方式，对于中断类型N，其中断服务处理程序的偏移量和段基址为IP≤（4*N，4*N+1），CS≤（4*N+2，4*N+3），而80x86系列PC机规定通信适配器COM1使用中断IRQ4（N=12），COM2使用中断IRQ3（N=11），故可按上述计算IP，CS的公式设置中断矢量。
相应中断服务程序的编写，其中发送字符处理是将要发送休息按CDT规约组装后上发，而接受字符处理是将接受到的信息按CDT规约进行分析，从而启动相应的执行机构或设置返校信息并调用发送字符处理程序组装上发该返校信息。
3.2调度中心计算机系统的开发
所有工作站的程序开发均采用在Windowsxp平台下完成。
（1）前置通信工作站的开发
前置部分是调度中心与RTU进行信息交换的枢纽，对他的实时性较高。因此，充分利用了Windowsxp基于线程的多任务技术，将前置部分的各功能模块安排到多个线程中完成，每一个线程完成一个任务，由于多个线程是共享同一个进程的地址空间，所以可以共享同一个内存缓冲区，这大大提高了数据交换的效率。并且由于多个线程完全封装在一个进程中，降低了使用和维护的难度。而线程之间的协同工作使用Windows提供的线程同步的方法“事件”，从而可以兼顾系统的实时性和效率。开发完成后前置部分具有以下实时数据处理的功能：
①RTU通信经过Modem出来的RS232接口，通过多串口扩展卡与前置机的一个串口相连，前置机与RTU的通信可以通过读写串口来进行。这个功能是充分利用了Windows的消息机制，通过Delphi调用Windows的串行通信API函数实现的。同样，为了提高系统的实时性，在发送自定义消息时直接发送到指定窗口而不经过消息队列。
②规约转换将RTU上传的CDT格式的数据报文转换为SCADA系统的实时数据。将工作站发给RTU的命令转换为CDT规约格式的命令报文。
③网络命令监听监听实时网络上其他节点的命令发送请求，执行各种控制命令。
④网络数据交换将规约转换后的实时数据转发到网络实时服务器RTSV的虚拟盘上。
（2）RTSV的开发
仿真系统采用10Mb传输速率的总线结构实时网络，RTSV是网络服务器，他的C盘和D盘可以和其他工作站共用。在RTSV的C盘上的子目录C：＼AA，在各工作站上以I：＼AA工作，在D盘上的子目录D：＼SS，在各工作站上以H：＼SS工作。同时，RTSV还负责同步各工作站的时钟。而实时管理是RTSV上较重要的软件系统，他通过虚拟盘与前置机交换实时数据，并在该虚拟盘上建立实时数据库并提供。 这样，其他工作站可以通过内存文件调用共享实时数据库。这种虚拟盘交换数据的方式因为是利用计算机内存来交换数据的，故速度很快，有利于提高整个仿真系统的实时性。而且，实时管理系统还提供实时数据的在线系数维护功能，并且负责在每个整点将实时数据转存到C：＼DATA目录下的历史数据库中，从而形成仿真系统的历史数据。这样，其他工作站就可以通过提取I：＼DATA下的历史数据完成相应的管理功能。
（3）实时监控工作站的开发
为使调度人员能准确、直观地了解电网当前运行状态，实时监控主界面采用主接线图的方式，在各主要设备图示符号附近显示其遥测值（遥测值的越限采用不同与正常值的醒目颜色加以区分），以给断路器符号填充颜色或空心来表示其断开或合上的状态，从而直观地表现遥信信息。遥测、遥信值是通过读取实时数据库相应的字段值获得，遥测量以3～6s为更新周期，遥信信息优先处理。调度人员可通过监控界面进行遥控、遥调操作，选择了遥控、遥调对象后，命令向网络广播，被前置机监听到后按CDT规约向RTU发送，并将返校信息送回，实时监控软件检测到返校信息后显示给调度人员确认，经确认后的命令才被RTU执行，这样就提高了系统的可靠性。
（4）历史数据管理工作站的开发
在SCADA系统中，历史数据管理是系统的重要管理手段。本工作站的程序分前台和后台两部分，在后台，将I：＼DATA下的数据经过筛选、处理及统计计算后按预先设计的数据结构存储在二维关系型数据库中。在前台，通过显示画面及人—机交互方式，完成对监测数据、开关变位情况的统计查询、报表的增删、打印、修改检测量的数量、名称等特性及在月初、年初时对数据库的更新工作等维护工作。
5）能量管理工作站的开发
能量管理是电力系统安全、经济运行校核的重要技术措施。能量管理软件将实时数据库中的有关数据首先取至本机。然后通过图形技术直观地对电量统计、负荷曲线、负荷率和电压曲线进行绘制，给调度人员提供统计分析的直观依据。
4结论
本仿真系统把计算机技术、通信技术和控制技术三者有机结合，根据电力系统的特点，开发出了电力SCADA系统必须具备的基本功能，具有较高的实时性和可靠性。开发完成后，已在我专业实验室试用了数年。据使用过该系统的毕业生反映，该仿真系统和生产实际中所用SCADA系统具有很好的一致性，使得他们在走上生产岗位后，很快就能胜任调度工作。
可见，该仿真系统在生产实践的仿真培训方面具有很好的应用前景和优势。
关键词：调度；SCADA系统；通信工作站；开发及应用
1、引言
随着电力工业的发展，电网容量的不断扩大，互联大电网迅速形成；大机组、互联大电网、超高压远距离输电线的出现，对安全经济和高质量发输电的要求更加严格，从而能实时地对电力系统运行进行自动数据采集与监视控制（SCADA）的调度自动化系统应运而生。而调度人员能否正确地操作、使用SCADA系统，全面、准确地掌握电力系统的运行情况，在SCADA系统的辅助下对运行情况进行分析、做出正确的判断和决策，以至采取必要的措施及时处理事故和异常情况，对保证电力系统安全、经济、可靠地运行，意义非常重大。而生产实际中因其直接与生产设备相联，故鲜有机会让调度人员对SCADA系统的各种操作和各种运行情况有一个全面的了解，这对充分发挥SCADA系统效用，提高调度人员素质都极为不利。因此，我们给出了一种电力SCADA仿真系统及其实现方法，以此实现对电力SCADA各种功能的仿真操作，从而对调度人员或电力专业的大学生进行仿真培训，使他们在进入生产实践之前就能很好地掌握必要的技能，具备直接上岗的技术素质。这对缩短人员技术积累周期，提高生产效率，保证系统运行安全很有裨益。
2系统结构
整个仿真系统的结构如图1所示。
图1 仿真系统结构图
图1中CZ1，CZ2为仿真厂站设备，从而为SCADA仿真系统提供厂站信息的模拟台；RTU1，RTU2为2个厂站终端；TX1，TX2为信息传送的通信通道；PC为SCADA仿真系统的调度中心计算机系统，由多台微机组成，其结构如图2所示。
图2 网络系统结构图
图2中FRONT为前置通信工作站；dd为实时监控工作站；SQL为历史数据管理工作站；EMS为能量管理工作站；RTNET为微机实时网络；NPORT为实时服务器。考虑到仿真系统的经济性，没必要设置冗余的服务器和前置通信工作站，通信通道采用具有屏蔽层的四芯通信电缆，两端接调制解调器（Modem）以便使得信息能够远传和提高抗干扰能力。RTNET是采用BNC接头将所有调度中心的所有计算机用细缆联结成实时网络。而且因为仿真系统不可能和厂站的实际设备相连，故厂站端的信息也是采用模拟的方法提供，在模拟信息台上用开关仿真厂站的断路器的开合以提供遥信信息，用灯的亮或灭来仿真遥控信息从而模拟厂站的断路器的动作，而用可调的感性负载来提供遥测量的仿真，用直流表来仿真遥调的结果。
3仿真系统的开发
3.1RTU的开发
RTU采用IntelPentium100主机，通过遥测、遥信、遥控、遥调4个功能模板与厂站信息模拟台连接完成相应的功能。采用部颁CDT规约与调度中心的前置工作站进行通信。实时通信软件设计的3个关键环节如图3所示。
图3 实时通信设计结构图
串行通信口初始化可设通信速率为600b/s，字结构除同步字外均采用（48，40）码，同步字为3组EB90。校验位依据40位信息位的代码值和生成多项式g（x）=x8+x2+x+1进行代数运算计算最后的校验码，由于规约规定是带陪基形成的校验码，最后必须按位取一次反。各信息字的组织格式遵守CDT规约。通讯采用中断方式，对于中断类型N，其中断服务处理程序的偏移量和段基址为IP≤（4*N，4*N+1），CS≤（4*N+2，4*N+3），而80x86系列PC机规定通信适配器COM1使用中断IRQ4（N=12），COM2使用中断IRQ3（N=11），故可按上述计算IP，CS的公式设置中断矢量。
相应中断服务程序的编写，其中发送字符处理是将要发送休息按CDT规约组装后上发，而接受字符处理是将接受到的信息按CDT规约进行分析，从而启动相应的执行机构或设置返校信息并调用发送字符处理程序组装上发该返校信息。
3.2调度中心计算机系统的开发
所有工作站的程序开发均采用在Windowsxp平台下完成。
（1）前置通信工作站的开发
前置部分是调度中心与RTU进行信息交换的枢纽，对他的实时性较高。因此，充分利用了Windowsxp基于线程的多任务技术，将前置部分的各功能模块安排到多个线程中完成，每一个线程完成一个任务，由于多个线程是共享同一个进程的地址空间，所以可以共享同一个内存缓冲区，这大大提高了数据交换的效率。并且由于多个线程完全封装在一个进程中，降低了使用和维护的难度。而线程之间的协同工作使用Windows提供的线程同步的方法“事件”，从而可以兼顾系统的实时性和效率。开发完成后前置部分具有以下实时数据处理的功能：
①RTU通信经过Modem出来的RS232接口，通过多串口扩展卡与前置机的一个串口相连，前置机与RTU的通信可以通过读写串口来进行。这个功能是充分利用了Windows的消息机制，通过Delphi调用Windows的串行通信API函数实现的。同样，为了提高系统的实时性，在发送自定义消息时直接发送到指定窗口而不经过消息队列。
②规约转换将RTU上传的CDT格式的数据报文转换为SCADA系统的实时数据。将工作站发给RTU的命令转换为CDT规约格式的命令报文。
③网络命令监听监听实时网络上其他节点的命令发送请求，执行各种控制命令。
④网络数据交换将规约转换后的实时数据转发到网络实时服务器RTSV的虚拟盘上。
（2）RTSV的开发
仿真系统采用10Mb传输速率的总线结构实时网络，RTSV是网络服务器，他的C盘和D盘可以和其他工作站共用。在RTSV的C盘上的子目录C：＼AA，在各工作站上以I：＼AA工作，在D盘上的子目录D：＼SS，在各工作站上以H：＼SS工作。同时，RTSV还负责同步各工作站的时钟。而实时管理是RTSV上较重要的软件系统，他通过虚拟盘与前置机交换实时数据，并在该虚拟盘上建立实时数据库并提供。 这样，其他工作站可以通过内存文件调用共享实时数据库。这种虚拟盘交换数据的方式因为是利用计算机内存来交换数据的，故速度很快，有利于提高整个仿真系统的实时性。而且，实时管理系统还提供实时数据的在线系数维护功能，并且负责在每个整点将实时数据转存到C：＼DATA目录下的历史数据库中，从而形成仿真系统的历史数据。这样，其他工作站就可以通过提取I：＼DATA下的历史数据完成相应的管理功能。
（3）实时监控工作站的开发
为使调度人员能准确、直观地了解电网当前运行状态，实时监控主界面采用主接线图的方式，在各主要设备图示符号附近显示其遥测值（遥测值的越限采用不同与正常值的醒目颜色加以区分），以给断路器符号填充颜色或空心来表示其断开或合上的状态，从而直观地表现遥信信息。遥测、遥信值是通过读取实时数据库相应的字段值获得，遥测量以3～6s为更新周期，遥信信息优先处理。调度人员可通过监控界面进行遥控、遥调操作，选择了遥控、遥调对象后，命令向网络广播，被前置机监听到后按CDT规约向RTU发送，并将返校信息送回，实时监控软件检测到返校信息后显示给调度人员确认，经确认后的命令才被RTU执行，这样就提高了系统的可靠性。
（4）历史数据管理工作站的开发
在SCADA系统中，历史数据管理是系统的重要管理手段。本工作站的程序分前台和后台两部分，在后台，将I：＼DATA下的数据经过筛选、处理及统计计算后按预先设计的数据结构存储在二维关系型数据库中。在前台，通过显示画面及人—机交互方式，完成对监测数据、开关变位情况的统计查询、报表的增删、打印、修改检测量的数量、名称等特性及在月初、年初时对数据库的更新工作等维护工作。
5）能量管理工作站的开发
能量管理是电力系统安全、经济运行校核的重要技术措施。能量管理软件将实时数据库中的有关数据首先取至本机。然后通过图形技术直观地对电量统计、负荷曲线、负荷率和电压曲线进行绘制，给调度人员提供统计分析的直观依据。
4结论
本仿真系统把计算机技术、通信技术和控制技术三者有机结合，根据电力系统的特点，开发出了电力SCADA系统必须具备的基本功能，具有较高的实时性和可靠性。开发完成后，已在我专业实验室试用了数年。据使用过该系统的毕业生反映，该仿真系统和生产实际中所用SCADA系统具有很好的一致性，使得他们在走上生产岗位后，很快就能胜任调度工作。
可见，该仿真系统在生产实践的仿真培训方面具有很好的应用前景和优势。