智能變電站輔助監控系統軟件設計

蘇陸軍等

摘 要：本文結合智能變電站技術規范對輔助監控系統的要求，進行了智能變電站輔助監控系統一體化功能設計和監控軟件設計，定義了系統的框架結構，重點對網省級主站軟件、站級主站軟件、信息交互機制、數據模型的設計進行了詳細的闡述，本軟件已在多個實際的變電站監控系統工程中得到成功應用。

關鍵詞：智能變電站輔助監控系統；軟件設計；跨平臺；消息交互機制；數據模型

中圖分類號：TP319；TM769 文獻標識碼：A

Abstract：This paper gives the integrated function design and software design of auxiliary SCADA system used in smart substation combined with the technical specification of auxiliary SCADA for smart substation，defines the system structure，and also focus on the design of province level SCADA software，substation level SCADA software，mechanism of information exchange，data model etc，related technical details is discussed，the software has been successfully applied in several smart substation SCADA projects.

Keywords：auxiliary SCADA system in smart substation；software design；cross different OS platform；mechanism of message

exchange；data model

1 引言（Introduction）

智能變電站是智能電網的重要基礎節點，通過配置監控系統（SCADA），實現了全站“四遙”及繼電保護信息的監視與控制、信息遠傳，為保障變電站的安全運行發揮了重要作用[1]。除此之外，在變電站還部署視頻監控系統、動力環境監測系統、空調通風系統、給排水系統、火災自動報警及消防系統等輔助生產系統[2-4]，目前這些系統依然是各自獨立、分散的小型自動化裝置，未實現多維度變電站運行及監測信息的智能集成應用，這些零散的信息往往需要耗費變電站運行值班人員更多的精力來關注、理解和處理，導致這些孤立的小系統普遍存在實用化程度不高的問題。隨著智能變電站技術不斷發展，信息集成度及智能綜合應用要求逐步提高，為適應“遠程、無人值班”的變電站智能運維管理需求，有必要整合變電站現有的分散安裝配置的輔助生產小系統，構建統一的智能變電站輔助監控系統。國家電網公司頒布了相應的技術規范[5，6]，明確要求在智能變電站新建和改造站建設中擯棄原有的分散建設模式，采用統一的智能變電站輔助監控系統模式，該系統和變電站原有的SCADA系統協同工作，實現變電站信息的全息監控。

本文將在分析智能變電站輔助監控系統各子系統業務需求的基礎上，結合智能變電站相關技術規范要求，本著“數據集成、智能分析、綜合決策、可視操控”的設計理念，進行智能變電站輔助監控系統一體化功能設計和監控系統軟件設計。

2 功能設計（Function design）

智能變電站輔助監控系統主要完成：視頻監控、動力環境監控、安全防衛、智能門禁、火災報警及消防等功能，通過對這些變電站輔助功能的整合、優化及管理，運用在線監測、智能預警、聯動控制等技術手段，和變電站SCADA系統協同工作，共同實現智能變電站的安全穩定運行。

為實現上述綜合型智能變電站輔助監控系統功能，需要進行下列集成方式功能設計。

（1）全景信息收集與建模

高度集成變電站內所有輔助生產小系統，實現對變電站多方位、全天候的狀態監視。通過對不同來源的數據和數據類型進行統一建模、提供標準數據訪問服務，為輔助生產設備及變電站運行環境提供完備的全景信息庫。

（2）全景數據共享、集中管理、統一處理

對變電站的所有視頻、環境、安防、人員出入、火災報警、設備狀態、操作記錄等數據信息進行統一存儲、管理，并自動分析處理，生成日志、曲線、報表等，所有信息在監控系統進行一體化綜合展示，并可遠傳到監控中心或運維中心。

（3）遠程監視

遠程監視功能以攝像機的遠程輪巡監看方式來代替人員的日常現場巡視。在監視設備外觀的同時，該設備的在線監測數據、狀態信息、周圍環境信息可自動跟蹤顯示，并自動生成日常巡視表，注明巡視的變電站、巡視時間、巡視人員等相關信息。

（4）遠程控制

監控人員在遠方的監控中心通過客戶端或瀏覽器可對變電站的設備進行遠程操作，可遠程啟動或關閉空調、風機、排水系統、燈具、攝像機等設備。

（5）智能分析及聯動調控

變電站智能輔助控制系統以“智能調控”為核心，對影響變電站運行的因素進行全方位、多手段的實時聯網監測。通過數據共享和智能分析，自動判斷出各類異常情況，并可靈活實現各輔助生產系統間的協調聯動，消除異常情況造成的影響。智能輔助控制系統可以和變電站SCADA系統進行標準方式的信息交互，為變電站智能運行調度提供保障。

3 系統結構（System architecture）

智能變電站輔助控制系統設計采用分層、分區的分布式結構，按省級主站系統、地區級主站系統和站端系統三級構建，各級系統間的信息傳輸采用標準以太網方式。地區級主站集中管理所轄地區的所有變電站的輔助監控信息，同時與省級主站進行信息交互；在省級主站可以集中查看、管理全省所有變電站的運行狀況。網省級主站系統安裝部署于省電力公司監控運維中心，整體結構如圖1所示。endprint

安裝部署于變電站內的站端系統主要由系統后臺主機、傳輸設備、綜合數據接入設備、各類輔助生產系統電子設備組成，如圖2所示。

變電站智能輔助控制系統后臺主機采用X86架構的嵌入式工業計算機，Linux操作系統。通過安裝在主機上的監控服務軟件，實現輔助控制系統的所有功能；綜合數據接入設備具有數據采集和協議轉換的功能。該裝置提供多路RS485接口、4-20mA電流環接口、開關量輸入輸出接口、以太網通信接口，在完成數據采集的同時，將各類信息轉換為IEC 61850協議。整個系統以后臺主機為核心，完成對各類系統的高度整合。在維持現有各子系統相對獨立運行和自動閉環控制的前提下，后臺主機以標準的IEC 61850協議和各子系統保持通信，通過與各子系統交互實現對變電站現場視頻及其它其他各種生產信息的采集、處理、監控。

4 軟件設計（Software design）

4.1 網省端主站軟件

網省級主站軟件系統采用層次化、模塊化的結構和面向對象的設計思想。在數據庫設計方面，采用分布式數據庫技術，提供大容量、高效率數據吞吐訪問；在高速實時數據訪問方面，采用可適應不同網絡環境的流媒體轉發技術，并靈活支持單播、廣播、組播等方式；在客戶端交互方面，采用電子地圖技術，方便使用者監視及操控；在數據接口方面，提供C/S、B/S訪問方式，實現不同廠家的前端系統與其它其他系統的信息交互。

4.2 站端軟件

站端監控軟件系統包括前端系統和后端系統兩部分組成，兩者通過網絡方式可集中或者分散兩種方式靈活部署，前端客戶端系統與后端服務系統采用松耦合架構設計，信息交互采用面向服務方式，如圖3所示。

前端客戶端軟件完成系統配置、設備控制、實時查看、歷史瀏覽等用戶界面交互功能。前端系統既可以安裝在輔控主機內，也可以安裝在其他的PC上。

后端服務軟件完成與外圍設備連接、數據采集、日志記錄與客戶端通信等核心功能；服務端軟件安裝于輔控主機內，主機啟動后自動運行。

客戶端與服務端可以完全分開單獨安裝在獨立的機器上運行，一個服務端可以被多個客戶端連接，一個客戶端也可以分別與不同的服務端連接。

后端軟件以服務的形式向前端軟件提供調用接口，通信過程采用IEC 61850信息模型進行數據映射。

4.3 信息交互機制

本軟件系統的不同模塊間的信息交互采用了分布式的訂閱/發布機制，各軟件模塊通過公用信息總線進行信息交換，數據交換格式為XML格式，對敏感數據的交換，采用SSL技術進行數據加密。

系統信息總線提供三大類數據訪問服務：數據獲取（GET）服務、數據推入（PUT）服務、消息（EVENT）總線服務。

（1）數據查詢服務：可以對設備實時數據和歷史數據進行查詢，也支持設備配置信息的查詢。

（2）數據推入服務：可以完成設備配置更新、修改服務，也可完成設備反向控制功能。

（3）消息總線服務：可以完成報警信息的分級訂閱，信息實時發布功能。

4.4 數據模型

變電站輔助監控系統涉及到若干不同廠家的IED設備，為了便于適配接入各類設備和各廠家的設備，本系統抽象了通用設備模型：任何一個設備都可以抽象成一個數值集、狀態集、動作集、表現集。

（1）數值集是數值的集合，描述一個數值最基本的包含數值類型、單位、范圍等。類似模擬量定義。一個數值集可包括數值子集來代表各個通道的數值。

（2）狀態集是狀態的集合，描述一個狀態最基本的包含狀態值、含義、文本描述。一個狀態集可包括狀態子集來代表各個通道的狀態。

（3）動作集是動作的集合，描述一個動作最基本的包含動作值、含義、文本描述。一個動作集可包括動作子集來代表各個通道的動作。

（4）表現集是呈現方式的集合，描述一個呈現方式最基本的包含圖標、圖標與狀態動作的對應關系。

一個設備的配置、控制、展現基本過程為：通過客戶端界面配置設備屬性，形成通用設備描述文件；服務端根據配置動態創建設備模型，保存到配置數據庫中；服務端再根據配置連接設備總線、實時采集或控制設備、存儲數值集合內容到實時數據庫；服務端更新設備狀態；客戶端根據設備狀態和表現集更新設備顯示狀態。

4.5 開發語言

考慮到變電站監控系統運行環境的操作系統可能是Windows、Linux、Unix等，系統軟件需要具備跨平臺技術特性，為實現跨異構平臺的無縫可移植運行，軟件開發采用了QT和C/C++語言

客戶端軟件采用QT語言[7，8]開發，既可以保證軟件跨平臺運行又能保證軟件運行實時高效。由于采用了面向服務的架構，客戶端還支持采用Web語言開發，如JavaScript和HTML5來實現。

服務端軟件采用符合POSIX規范的標準C/C++語言開發。按照業務模型，采用了分層分模塊設計思路，每個模塊由獨立的服務進程完成。

4.6 界面設計

智能變電站輔助監控系統軟件的界面風格采用了變電站SCADA系統的相似風格，如界面功能區布局、色調搭配、告警信息產生及確認方式等，這樣可以便于兩套系統的無縫集成應用，也降低了本軟件系統的應用難度，軟件主界面如圖4所示。

5 結論（Conclusion）

本文結合現階段智能變電站監控系統技術規范要求，實現了變電站輔助監控系統的集成化設計，高度整合變電站所有輔助生產子系統，除了強調各個子系統之間的信息共享和信息互動之外，還在多個維度與其他系統進行信息整合，縱向與網省級主站的信息交互，橫向與變電站自動化系統（SCADA系統）的信息交互、信息互動，滿足智能變電站技術發展對輔助生產系統的設計及運行要求，本軟件系統已在河南電網多個智能變電站自動化系統中得到成功應用，有效提升了智能變電站的技術及運維管理水平。

參考文獻（References）

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[3] 郝福忠，等.變電站輔助設施與環境監控系統設計及實現[J].電氣自動化，2011，33（4）：46-49.

[4] 高建勛，等.變電站視頻及環境監控系統在SCADA系統中的應用[J].電力系統通信，2011，32（10）：39-44.

[5] 國家電網公司.智能變電站輔助系統綜合監控平臺技術規范[M].企業標準.

[6] 國家電網公司.智能變電站一體化監控系統功能規范[M].企業標準.

[7] 高建勛，等.Qt/Embedded及嵌入式Linux在智能監控系統控制中的應用[J].計算機應用，2010，30（S1）：289-291.

[8] 陳杰，等.基于ARM的智能魚缸控制系統的設計與實現[J].軟件工程師，2013，（8）：44-46.

作者簡介：

蘇陸軍（1980-），男，本科，工程師.研究領域：電力系統自動化.

魏 勇（1973-），男，碩士，高級工程師.研究領域：電力系統自動化.

楊東海（1973-），男，本科，高級工程師.研究領域：電力系統自動化.

褚瓊楠（1984-），男，本科，工程師.研究領域：電力系統自動化.

王藝智（1973-），男，本科，工程師.研究領域：電力系統自動化.endprint