摘要：給出了一種電力SCADA仿真系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)踐的仿真培訓(xùn)方面具有很好的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)。
1引言
隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，互聯(lián)大電網(wǎng)迅速形成；大機(jī)組、互聯(lián)大電網(wǎng)、超高壓遠(yuǎn)距離輸電線的出現(xiàn)，對(duì)安全經(jīng)濟(jì)和高質(zhì)量發(fā)輸電的要求更加嚴(yán)格，從而能實(shí)時(shí)地對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而調(diào)度人員能否正確地操作、使用SCADA系統(tǒng)，全面、準(zhǔn)確地掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，在SCADA系統(tǒng)的輔助下對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行分析、做出正確的判斷和決策，以至采取必要的措施及時(shí)處理事故和異常情況，對(duì)保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行，意義非常重大。而生產(chǎn)實(shí)際中因其直接與生產(chǎn)設(shè)備相聯(lián)，故鮮有機(jī)會(huì)讓調(diào)度人員對(duì)SCADA系統(tǒng)的各種操作和各種運(yùn)行情況有一個(gè)全面的了解，這對(duì)充分發(fā)揮SCADA系統(tǒng)效用，提高調(diào)度人員素質(zhì)都極為不利。因此，我們給出了一種電力SCADA仿真系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電力SCADA各種功能的仿真操作，從而對(duì)調(diào)度人員或電力專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生進(jìn)行仿真培訓(xùn)，使他們?cè)谶M(jìn)入生產(chǎn)實(shí)踐之前就能很好地掌握必要的技能，具備直接上崗的技術(shù)素質(zhì)。這對(duì)縮短人員技術(shù)積累周期，提高生產(chǎn)效率，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全很有裨益。
本仿真系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，得到吐哈石油勘探開(kāi)發(fā)指揮部供水供電處的有關(guān)人員的大力支持，并已在我專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建成、試用數(shù)年，學(xué)生對(duì)該系統(tǒng)的使用效果反映良好。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個(gè)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中S1，S2為仿真廠站設(shè)備，從而為SCADA仿真系統(tǒng)提供廠站信息的模擬臺(tái)；RTU1，RTU2為2個(gè)廠站終端；TD1，TD2為信息傳送的通信通道；DC為SCADA仿真系統(tǒng)的調(diào)度中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由多臺(tái)微機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2中FCOM為前置通信工作站；RTC為實(shí)時(shí)監(jiān)控工作站；HWM為歷史數(shù)據(jù)管理工作站；EMS為能量管理工作站；RTNET為微機(jī)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)；RTSV為實(shí)時(shí)服務(wù)器。考慮到仿真系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，沒(méi)必要設(shè)置冗余的服務(wù)器和前置通信工作站，通信通道采用具有屏蔽層的四芯通信電纜，兩端接調(diào)制解調(diào)器(Modem)以便使得信息能夠遠(yuǎn)傳和提高抗干擾能力。RTNET是采用BNC接頭將所有調(diào)度中心的所有計(jì)算機(jī)用細(xì)纜聯(lián)結(jié)成實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。而且因?yàn)榉抡嫦到y(tǒng)不可能和廠站的實(shí)際設(shè)備相連，故廠站端的信息也是采用模擬的方法提供，在模擬信息臺(tái)上用開(kāi)關(guān)仿真廠站的斷路器的開(kāi)合以提供遙信信息，用燈的亮或滅來(lái)仿真遙控信息從而模擬廠站的斷路器的動(dòng)作，而用可調(diào)的感性負(fù)載來(lái)提供遙測(cè)量的仿真，用直流表來(lái)仿真遙調(diào)的結(jié)果。
3仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
3.1RTU的開(kāi)發(fā)
RTU采用IntelPentium100主機(jī)，通過(guò)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)4個(gè)功能模板與廠站信息模擬臺(tái)連接完成相應(yīng)的功能。采用部頒CDT規(guī)約與調(diào)度中心的前置工作站進(jìn)行通信。實(shí)時(shí)通信軟件設(shè)計(jì)的3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)如圖3所示。
串行通信口初始化的流程圖如圖4所示，可設(shè)通信速率為600b/s，字結(jié)構(gòu)除同步字外均采用(48,40)碼，同步字為3組EB90。校驗(yàn)位依據(jù)40位信息位的代碼值和生成多項(xiàng)式g(x)=x8+x2+x+1進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算計(jì)算最后的校驗(yàn)碼，由于規(guī)約規(guī)定是帶陪基形成的校驗(yàn)碼，最后必須按位取一次反。各信息字的組織格式遵守CDT規(guī)約。通訊采用中斷方式，對(duì)于中斷類(lèi)型N，其中斷服務(wù)處理程序的偏移量和段基址為IP≤(4*N,4*N+1)，CS≤(4*N+2,4*N+3)，而80x86系列PC機(jī)規(guī)定通信適配器COM1使用中斷IRQ4（N=12），COM2使用中斷IRQ3（N=11），故可按上述計(jì)算IP，CS的公式設(shè)置中斷矢量。
相應(yīng)中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)，可按圖5所示流程圖進(jìn)行，其中發(fā)送字符處理是將要發(fā)送休息按CDT規(guī)約組裝后上發(fā)，而接受字符處理是將接受到的信息按CDT規(guī)約進(jìn)行分析，從而啟動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或設(shè)置返校信息并調(diào)用發(fā)送字符處理程序組裝上發(fā)該返校信息。
3.2調(diào)度中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
所有工作站的程序開(kāi)發(fā)均采用Delphi在Windows98平臺(tái)下完成。
(1)前置通信工作站的開(kāi)發(fā)
前置部分是調(diào)度中心與RTU進(jìn)行信息交換的樞紐，對(duì)他的實(shí)時(shí)性較高。因此，充分利用了Windows98基于線程的多任務(wù)技術(shù)，將前置部分的各功能模塊安排到多個(gè)線程中完成，每一個(gè)線程完成一個(gè)任務(wù)，由于多個(gè)線程是共享同一個(gè)進(jìn)程的地址空間，所以可以共享同一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)，這大大提高了數(shù)據(jù)交換的效率。并且由于多個(gè)線程完全封裝在一個(gè)進(jìn)程中，降低了使用和維護(hù)的難度。而線程之間的協(xié)同工作使用Windows提供的線程同步的方法“事件”，從而可以兼顧系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和效率。開(kāi)發(fā)完成后前置部分具有以下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的功能：
①RTU通信經(jīng)過(guò)Modem出來(lái)的RS232接口，通過(guò)多串口擴(kuò)展卡與前置機(jī)的一個(gè)串口相連，前置機(jī)與RTU的通信可以通過(guò)讀寫(xiě)串口來(lái)進(jìn)行。這個(gè)功能是充分利用了Windows的消息機(jī)制，通過(guò)Delphi調(diào)用Windows的串行通信API函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。同樣，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在發(fā)送自定義消息時(shí)用PostMessage()直接發(fā)送到指定窗口而不經(jīng)過(guò)消息隊(duì)列。
②規(guī)約轉(zhuǎn)換將RTU上傳的CDT格式的數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)換為SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。將工作站發(fā)給RTU的命令轉(zhuǎn)換為CDT規(guī)約格式的命令報(bào)文。
③網(wǎng)絡(luò)命令監(jiān)聽(tīng)監(jiān)聽(tīng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)的命令發(fā)送請(qǐng)求，執(zhí)行各種控制命令。
④網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換將規(guī)約轉(zhuǎn)換后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)器RTSV的虛擬盤(pán)上。
(2)RTSV的開(kāi)發(fā)
仿真系統(tǒng)采用10Mb傳輸速率的總線結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，RTSV是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，他的C盤(pán)和D盤(pán)可以和其他工作站共用。在RTSV的C盤(pán)上的子目錄C:＼AA，在各工作站上以I:＼AA工作，在D盤(pán)上的子目錄D:＼SS，在各工作站上以H:＼SS工作。同時(shí)，RTSV還負(fù)責(zé)同步各工作站的時(shí)鐘。而實(shí)時(shí)管理是RTSV上較重要的軟件系統(tǒng)，他通過(guò)虛擬盤(pán)與前置機(jī)交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在該虛擬盤(pán)上建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)并提供。
這樣，其他工作站可以通過(guò)內(nèi)存文件調(diào)用共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。這種虛擬盤(pán)交換數(shù)據(jù)的方式因?yàn)槭抢糜?jì)算機(jī)內(nèi)存來(lái)交換數(shù)據(jù)的，故速度很快，有利于提高整個(gè)仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。而且，實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)還提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線系數(shù)維護(hù)功能，并且負(fù)責(zé)在每個(gè)整點(diǎn)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到C:＼DATA目錄下的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而形成仿真系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)。這樣，其他工作站就可以通過(guò)提取I:＼DATA下的歷史數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的管理功能。
(3)實(shí)時(shí)監(jiān)控工作站的開(kāi)發(fā)
為使調(diào)度人員能準(zhǔn)確、直觀地了解電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控主界面采用主接線圖的方式，在各主要設(shè)備圖示符號(hào)附近顯示其遙測(cè)值（遙測(cè)值的越限采用不同與正常值的醒目顏色加以區(qū)分），以給斷路器符號(hào)填充顏色或空心來(lái)表示其斷開(kāi)或合上的狀態(tài)，從而直觀地表現(xiàn)遙信信息。遙測(cè)、遙信值是通過(guò)讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)的字段值獲得，遙測(cè)量以3～6s為更新周期，遙信信息優(yōu)先處理。調(diào)度人員可通過(guò)監(jiān)控界面進(jìn)行遙控、遙調(diào)操作，選擇了遙控、遙調(diào)對(duì)象后，命令向網(wǎng)絡(luò)廣播，被前置機(jī)監(jiān)聽(tīng)到后按CDT規(guī)約向RTU發(fā)送，并將返校信息送回，實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件檢測(cè)到返校信息后顯示給調(diào)度人員確認(rèn)，經(jīng)確認(rèn)后的命令才被RTU執(zhí)行，這樣就提高了系統(tǒng)的可靠性。
(4)歷史數(shù)據(jù)管理工作站的開(kāi)發(fā)
在SCADA系統(tǒng)中，歷史數(shù)據(jù)管理是系統(tǒng)的重要管理手段。本工作站的程序分前臺(tái)和后臺(tái)兩部分，在后臺(tái)，將I:＼DATA下的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)篩選、處理及統(tǒng)計(jì)計(jì)算后按預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在二維關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。在前臺(tái)，通過(guò)顯示畫(huà)面及人—機(jī)交互方式，完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)變位情況的統(tǒng)計(jì)查詢、報(bào)表的增刪、打印、修改檢測(cè)量的數(shù)量、名稱等特性及在月初、年初時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新工作等維護(hù)工作。
(5)能量管理工作站的開(kāi)發(fā)
能量管理是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行校核的重要技術(shù)措施。能量管理軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的有關(guān)數(shù)據(jù)首先取至本機(jī)。然后通過(guò)圖形技術(shù)直觀地對(duì)電量統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷曲線、負(fù)荷率和電壓曲線進(jìn)行繪制，給調(diào)度人員提供統(tǒng)計(jì)分析的直觀依據(jù)。
4結(jié)論
本仿真系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)三者有機(jī)結(jié)合，根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了電力SCADA系統(tǒng)必須具備的基本功能，具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。開(kāi)發(fā)完成后，已在我專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室試用了數(shù)年。據(jù)使用過(guò)該系統(tǒng)的畢業(yè)生反映，該仿真系統(tǒng)和生產(chǎn)實(shí)際中所用SCADA系統(tǒng)具有很好的一致性，使得他們?cè)谧呱仙a(chǎn)崗位后，很快就能勝任調(diào)度工作。該系統(tǒng)在人員培訓(xùn)方面的作用也得到了吐哈油田供水供電處有關(guān)人員的好評(píng)和認(rèn)可。
可見(jiàn)，該仿真系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)踐的仿真培訓(xùn)方面具有很好的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)。
