基于110 kV 變電站的系統(tǒng)調(diào)度自動化設(shè)計

黃培珊

（國網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362300）

0 引 言

調(diào)度自動化系統(tǒng)是電網(wǎng)運行中不可或缺的重要支柱，能夠?qū)崟r監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和診斷異常情況，并采取相應的控制和調(diào)度措施，保障電網(wǎng)的安全運行[1-3]。此外，其還能夠自動化地進行電力系統(tǒng)的監(jiān)控、控制與調(diào)度，減少人為錯誤的可能性，提高電網(wǎng)的可靠性。通過對電力市場的監(jiān)測和交易，幫助電力公司優(yōu)化電力資源配置，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和運行效率。

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，在電力系統(tǒng)的運行中，調(diào)度自動化系統(tǒng)通過自動化的電力系統(tǒng)監(jiān)控、控制與調(diào)度，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的高效管理和運行。調(diào)度自動化系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，預測負荷變化，優(yōu)化發(fā)電機組組合和輸電線路配置等，從而保證電力系統(tǒng)的可靠運行。在未來，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和調(diào)度自動化系統(tǒng)的不斷升級，調(diào)度自動化系統(tǒng)將會在保障電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟可靠運行方面發(fā)揮越來越重要的作用[4-7]。

1 調(diào)度自動化系統(tǒng)的總體設(shè)計

調(diào)度自動化系統(tǒng)不僅包括軟件，還集成了基于計算機的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)的實時采集、可視化以及輕量傳輸，同時還有可應用于即時運算、分析與管理的軟件。數(shù)據(jù)采集和可視化系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)捕獲、內(nèi)容呈現(xiàn)、運行監(jiān)測、狀態(tài)計算、分析以及監(jiān)督等功能。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

本研究創(chuàng)建了一個集成監(jiān)控控制與數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）、配電管理系統(tǒng)（Distribution Management System，DMS）的能源管理和仿真培訓系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合了電網(wǎng)監(jiān)測、分析、研究與仿真培訓。該設(shè)計遵循以下幾個原則：（1）符合最新的國際標準，包括IEC 61970 系列標準；（2）根據(jù)用戶需求和投資，軟硬件選擇靈活；（3）與多種硬件平臺兼容，包括復雜指令計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）或精簡指令計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）工作站、服務器、高端微型計算機以及對稱多處理器機器（Symmetrical Multi Processing，SMP）；（4）在系統(tǒng)生命周期內(nèi)具有可擴展的功能；（5）應用軟件模塊分布在網(wǎng)絡上，并帶有數(shù)據(jù)庫核心，可在任何節(jié)點上即插即用；（6）系統(tǒng)服務監(jiān)測模塊可在任何節(jié)點上操作，便于維護；（7）冗余硬件設(shè)計，具有雙機、雙網(wǎng)、雙電源以及雙通道訪問，實現(xiàn)自動故障轉(zhuǎn)移與可靠操作。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

該系統(tǒng)按照國際標準建造，采用先進的支持平臺和尖端技術(shù)，擁有全面的功能和強大的安全協(xié)議，確保信息集成的無縫性。為實現(xiàn)真正開放和易于擴展的系統(tǒng)，設(shè)計約束確保符合最新的國際標準，實現(xiàn)即插即用。該系統(tǒng)利用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，如Java、數(shù)據(jù)庫、Internet、Cluster 等，并可以與Sybase、Oracle以及SQL Server 數(shù)據(jù)庫集成。其廣泛的功能包括實時電網(wǎng)監(jiān)測、狀態(tài)估計、電力流測量、網(wǎng)絡拓撲、電壓和無功優(yōu)化控制、靜態(tài)分析、負荷預測、故障診斷、調(diào)度和故障仿真以及自發(fā)電等。

為了滿足國際電工委員會制定的《能量管理系統(tǒng)應用程序接口（EMS-API）》系列國際標準，本研究在調(diào)度系統(tǒng)中專門設(shè)計了通用信息模型（Common Information Model，CIM）服務器[8,9]。它將組件的接口標準化并提供到系統(tǒng)中，大大提升了系統(tǒng)的可擴展性，并促進了電力公司的企業(yè)應用集成（Enterprise Application Integration，EAI）。此外，還能采用通用數(shù)據(jù)訪問（Generic Data Access，GDA）接口，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)過濾查詢、資源標識、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)更新以及數(shù)據(jù)變化通知等提供訪問服務。

除了上述的GDA 接口，系統(tǒng)還提供了與GDA數(shù)據(jù)訪問接口一起的交換文檔工具，該工具基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）模型，方便數(shù)據(jù)在CIM Server 和XML 文件之間進行相互導入與導出[10]。這種方法特別適用于松耦合的企業(yè)應用集成。系統(tǒng)中的全模型可以通過導入導出來完成，同時部分由用戶特別關(guān)注的模型也可以通過該方法來處理。對于導入的數(shù)據(jù)，可以利用模式校對來檢查，這樣就可以確保數(shù)據(jù)交換的靈活性，同時也避免了系統(tǒng)被有害數(shù)據(jù)破壞。

1.3 硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

利用雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，對于一些重要的節(jié)點，可進行雙機或多機保存，系統(tǒng)的實時運轉(zhuǎn)要求得到保證，可靠性得到增強。下一級系統(tǒng)可以利用通用接入設(shè)備進行系統(tǒng)通信，包括訪問服務器、終端服務器等，與遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）或其他系統(tǒng)的通信互聯(lián)。在通信過程中，異步信號作為一種常規(guī)信號，可直接在系統(tǒng)中接入。當系統(tǒng)接入同步信號時，需要利用一種同異步轉(zhuǎn)接裝置來接入。系統(tǒng)接收網(wǎng)絡信號時，可以直接接入局域網(wǎng)中。

1.4 雙倍冗余結(jié)構(gòu)

由于電力系統(tǒng)需要滿足高可靠性的要求，主服務器、通信控制機以及終端服務器等系統(tǒng)主要設(shè)備都可以設(shè)計為雙倍的冗余框架，使得系統(tǒng)在遇到在故障時可自動切換。在調(diào)度自動化系統(tǒng)中，其軟件的功能模塊具備即裝即用的特點，在系統(tǒng)中的眾多節(jié)點機上都可以存儲軟件的每一個功能模塊，互為熱備用。在系統(tǒng)中，當任何一個節(jié)點機發(fā)生故障，系統(tǒng)的節(jié)點會自動轉(zhuǎn)換到其他的節(jié)點機上，確保系統(tǒng)在運行過程中連續(xù)可靠。

1.5 雙重網(wǎng)絡

本系統(tǒng)選擇雙重網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其目的是保證數(shù)據(jù)在通信過程中的可靠性。在系統(tǒng)中，可以選擇網(wǎng)絡流通速率自適應的切換網(wǎng)絡技術(shù)。在雙重網(wǎng)絡同時運行的情況下，負荷可以被平均分配，并且網(wǎng)絡可以自動切換。這種配置的好處在于，當其中一個網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，整個系統(tǒng)的運行不會受到影響。同時，雙重網(wǎng)絡還可以保證負荷平衡，確保系統(tǒng)始終保持高效穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

1.6 軟件的體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)通信總線的設(shè)計目標如下。首先，在各個系統(tǒng)之間，它們的模塊接口方式得到規(guī)范，這樣可以使符合規(guī)定的各個模塊之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠靈活修改和增刪，還可以在系統(tǒng)的其他機器上實現(xiàn)隨時安裝與隨時使用，以便系統(tǒng)的靈活配置。同時，系統(tǒng)還致力于降低系統(tǒng)模塊之間的耦合度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。其次，系統(tǒng)提供了涉及數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測以及維護的公共服務，使得系統(tǒng)的模塊編程變得更簡單，開發(fā)人員能夠更加專注于核心業(yè)務邏輯的實現(xiàn)。最后，該系統(tǒng)采用了客戶-服務器工作方式。這種方式優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的復雜性，并提高了系統(tǒng)的效率。在Oracle 數(shù)據(jù)庫訪問中廣泛采用這種工作方式，并應用于實時庫的訪問以及各軟件模塊之間的數(shù)據(jù)交互。通過客戶-服務器模式，系統(tǒng)能夠更高效地處理數(shù)據(jù)，并提供更好的性能和用戶體驗。在運行源代碼瀏覽程序后，可通過它直接編譯各種應用模塊，各個模塊的運行狀態(tài)也能被直接監(jiān)測到。為了確保系統(tǒng)設(shè)備能正常運行，開發(fā)了雙服務器模式，信號接收流程如圖1 所示。

圖1 信號接收流程

然而該流程僅在主站內(nèi)部進行信號接收，并沒有將信息上傳至局域網(wǎng)或調(diào)度中心。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，引入了雙層網(wǎng)絡應用于調(diào)度主站的連接上，使調(diào)度員和領(lǐng)導層能夠?qū)崟r觀測數(shù)據(jù)。調(diào)度主站的連接方式如圖2 所示。

圖2 調(diào)度主站的連接方式

信號同時被A 網(wǎng)和B 網(wǎng)接收，前置處理機專門從B 網(wǎng)收集信號。前置處理機2 作為主機的備份，在待機模式下處理來自2 個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。如果處理機1 出現(xiàn)問題，則處理機2 將接管其工作，直到處理機1 恢復。一旦處理機1 恢復，所接收到的數(shù)據(jù)將自動傳輸回處理機1。SCADA 服務器也采用類似的工作方式。病毒防御和網(wǎng)絡管理由保護工作站處理。Web服務器直接連接到A 網(wǎng)，其目的是方便查看其向局域網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。Web 瀏覽只允許瀏覽，不允許修改數(shù)據(jù)，調(diào)度員沒有修改數(shù)據(jù)的權(quán)限。

2 基于110 kV 變電站具體調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 硬件組成設(shè)計

2.1.1 前置數(shù)據(jù)通信

前置數(shù)據(jù)通信是一種支持數(shù)字和模擬通道的通信方式，主要是將終端服務器連接到高速信道進行工作，可以采用同步或異步方式來完成數(shù)據(jù)傳輸。在這個過程中，通過遠動通道發(fā)送RTU 信號，利用調(diào)制解調(diào)器解調(diào)模擬信號，再利用光電隔離器對數(shù)字信號進行隔離。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制箱將數(shù)據(jù)分成2 組，這2 組數(shù)據(jù)分別接入終端服務器的異步口，以實現(xiàn)其冗余熱備用。此外，將終端服務器和通信服務器進行連接，在通信服務器中配備的網(wǎng)卡一般都有3 塊，其中2 塊連接到系統(tǒng)的主網(wǎng)中，1 塊與終端服務器相連，這樣就避免了因終端服務器加重系統(tǒng)的網(wǎng)絡負擔。

2.1.2 終端服務器

這里的終端服務器以Moxa 公司的Moxa CN2516為例，主要功能是在局域網(wǎng)下從多通道中采集數(shù)據(jù)信息，擴展主機的串口。

2.1.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制箱

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制箱是一種用于對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換控制的裝置，專門用于電力系統(tǒng)。其連接在調(diào)制解調(diào)器和終端服務器中間，主要作用是對主輔機傳輸過來的數(shù)據(jù)進行同步和異步通信轉(zhuǎn)換，同時對這些數(shù)據(jù)進行傳輸控制。其支持的通信手段有很多種，這也就使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制箱能夠靈活地適應各種通信需求。此外，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制箱，用戶可以控制主輔機之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時實現(xiàn)同步通信和異步通信之間的轉(zhuǎn)換，從而提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.2 模塊設(shè)計

該部分的模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，且具有較強的實用性。其系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)源、前置通信模塊、人機對話模塊、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫編輯模塊以及數(shù)據(jù)存儲和處理模塊，這些子模塊都有各自的功能。數(shù)據(jù)在模塊中的流程走向以及后續(xù)的處理如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)在模塊中的流程走向

在上述模塊中，數(shù)據(jù)源首先傳遞給前置通信模塊和實時數(shù)據(jù)庫，然后在前置通信的模塊中，數(shù)據(jù)會分別傳輸給實時數(shù)據(jù)庫、人機會話模塊以及數(shù)據(jù)儲存和處理模塊。此時，實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)源將傳遞到數(shù)據(jù)庫編輯模塊，再由數(shù)據(jù)庫編輯模塊傳輸?shù)綒v史數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)儲存和處理模塊中的數(shù)據(jù)源也會傳輸?shù)綒v史數(shù)據(jù)庫。前置機和終端服務器之間的連接可以使用MoxaCN2516 終端服務器實現(xiàn)，在完成上述的數(shù)據(jù)庫配置后，存儲界面的顯示如圖4 所示，這個過程有助于減少數(shù)據(jù)的冗余。

圖4 存儲界面

3 結(jié) 論

文章介紹了基于110 kV 變電站的系統(tǒng)調(diào)度自動化設(shè)計，其可以確保電力系統(tǒng)的安全有效運行，同時也是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵組成部分之一。通過討論SCADA 在電力調(diào)度中的應用以及如何將其轉(zhuǎn)變?yōu)镋MS/DMS，可以減少調(diào)度過程中的重復性工作，提高效率，提高電力分配的準確性。