何光宇，程 林，劉 鋒，沈 沉，葉鍵民

(清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084)

基于DRTU的動態(tài)SCADA系統(tǒng)的構(gòu)想與設(shè)計

何光宇，程 林，劉 鋒，沈 沉，葉鍵民

(清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084)

隨著智能電網(wǎng)發(fā)展，快速變化的動態(tài)元件愈來愈多地被引入到電力系統(tǒng)中，對在線動態(tài)分析控制功能的要求也將日益迫切。為適應(yīng)這一變化，本文提出將已有SCADA系統(tǒng)改造成動態(tài)SCADA(Dynamic SCADA，DySCADA)系統(tǒng)的構(gòu)想，并詳細討論了DySCADA子站、主站的設(shè)計方案，指出DySCADA子站具有毫秒級動態(tài)、差分信息和事件驅(qū)動三大特性，而DySCADA系統(tǒng)則具有實時性與同步性佳、完整性好、自適應(yīng)性強、可較好保護已有投資等優(yōu)勢，可為電網(wǎng)的動態(tài)分析與控制提供實時、同步、完整的動態(tài)數(shù)據(jù)。論文最后，還提出了DySCADA升級改造方案。基于以上設(shè)計開發(fā)的DRTU原型和DySCADA原型系統(tǒng)已于2012年6月起投入試運行，運行結(jié)果初步驗證了本文設(shè)計的正確性與可行性。

動態(tài)分析與控制;動態(tài)RTU;動態(tài)SCADA

0 引言

近年來，隨著負荷的持續(xù)增長，電網(wǎng)容量不斷增加、規(guī)模日益增大，導(dǎo)致電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性問題日益突出［1，2］。建立可靠運行監(jiān)視、分析和控制系統(tǒng)，對保障電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行具有重要意義。其中，建立快速、可靠的數(shù)據(jù)采集及通信平臺，是問題的關(guān)鍵。

電網(wǎng)動態(tài)特性監(jiān)視和控制的最終目標(biāo)，是實現(xiàn)電網(wǎng)動態(tài)閉環(huán)控制?，F(xiàn)階段電網(wǎng)的數(shù)據(jù)測量和監(jiān)控平臺主要有基于遠動終端設(shè)備(Remote Terminal U-nit，RTU)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)［3，4］及基于相量測量裝置(Phaser Measurement Unit，PMU)的廣域測量 系統(tǒng)［5，6］(WideAreaMeasurementSystem，WAMS)。這兩種平臺主要不足［2］如下:

(1)SCADA系統(tǒng):數(shù)據(jù)刷新速度較慢，僅適用于穩(wěn)態(tài)測量;數(shù)據(jù)上傳不含時標(biāo)信息，各測點數(shù)據(jù)不能保證同步;

(2)WAMS系統(tǒng):上傳數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)刷新速度快，對包括PMU裝置、通信系統(tǒng)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的軟硬件系統(tǒng)實時性要求很高，投資大，很難一次到位;布點不足，在有限測點數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的高級應(yīng)用效果有限;缺乏控制下達功能。

另外，當(dāng)前情況下，這兩個平臺數(shù)據(jù)往往互相孤立，尚缺乏有效手段對其進行融合。

針對這兩種系統(tǒng)的不足，文獻［2］首先提出了DySCADA的概念。本文結(jié)合PMU、RTU的優(yōu)點，提出對傳統(tǒng)的RTU進行改造，設(shè)計新的終端單元:動態(tài)RTU(Dynamic RTU，DRTU)。進一步，提出了基于 DRTU的動態(tài) SCADA系統(tǒng)(Dynamic SCADA，DySCADA)的設(shè)計方案。

1 DySCADA的總體目標(biāo)

在智能電網(wǎng)背景下，隨著系統(tǒng)中不可控的、快速變化的動態(tài)元件越來越多，對在線的動態(tài)分析控制功能，如低頻振蕩在線識別［7-9］、廣域安全防御［10，11］、模型參數(shù)在線識別［12］、快速故障分析［13］、電壓穩(wěn)定監(jiān)控［14］、故障定位、調(diào)頻特性監(jiān)視等，要求將越來越迫切。而要使這些分析控制功能成為可能，就要求實時監(jiān)控基礎(chǔ)平臺必須能提供實時、同步、完整的動態(tài)數(shù)據(jù)。因而，DySCADA的構(gòu)建需要實現(xiàn)以下目標(biāo):

(1)實時性與同步性

傳統(tǒng)的RTU需要2～4s才能對全系統(tǒng)數(shù)據(jù)輪詢一遍，且缺乏相量信息和時標(biāo)信息。

DRTU擬通過大幅提升數(shù)據(jù)采集與上傳頻率，引進同步時鐘，開發(fā)新的實時相量測量算法等手段，實現(xiàn)實時相量測量，并為得到的相量打上精準(zhǔn)的時標(biāo)。

(2)完整性

已有系統(tǒng)中，大量安裝了RTU，但由于RTU不能滿足動態(tài)要求，因此又在關(guān)鍵節(jié)點處加裝了部分PMU。但RTU和PMU技術(shù)兼容性不佳，現(xiàn)有應(yīng)用中，其數(shù)據(jù)基本是獨立的兩套。

DySCADA系統(tǒng)的測量單元是DRTU，而DRTU可在已有的RTU或PMU基礎(chǔ)上改造而來，亦即，已有的RTU或 PMU都可改造成DRTU。因而，DySCADA系統(tǒng)有望獲得更全面、更系統(tǒng)的信息。

(3)自適應(yīng)性

現(xiàn)有的WAMS系統(tǒng)，每0.02s或0.01s進行一次數(shù)據(jù)更新，給通信、存儲和計算都帶來了較高的要求和較大的壓力。

而DySCADA基于“事件驅(qū)動”思想，只存儲和傳輸“變動/差分”的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)變速率傳輸功能，有望解決海量數(shù)據(jù)的存儲(空間)和傳輸(時間)問題以及數(shù)據(jù)信息的不對稱問題(數(shù)據(jù)多、信息加工難度大)。

(4)充分保護已有投資

DRTU可在已有的RTU或PMU基礎(chǔ)上進行改造。輸入信號可來自傳統(tǒng)二次PT/CT的電信號，也可來自最新的光電傳感器的數(shù)字信號;在自身實現(xiàn)的硬件構(gòu)架上，還可繼承現(xiàn)有的RTU/PMU硬件資源。也就是說，DRTU可以充分利用現(xiàn)有硬件資源。

綜上所述，基于DRTU的DySCADA系統(tǒng)的建設(shè)，有望給電網(wǎng)測量、分析、控制帶來較大變化。

2 DySCADA子站設(shè)計

在當(dāng)前電網(wǎng)實時監(jiān)控中，SCADA子站采用的是RTU，WAMS子站采用的 PMU。本文從 RTU和PMU的技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，提出DySCADA子站——DRTU的設(shè)計方案。

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

(1)RTU

RTU是安裝在遠程現(xiàn)場的一種智能化電子裝置，其功能是采集安裝在遠程現(xiàn)場的輸變電線路或發(fā)電機等設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，發(fā)往 SCADA主站;它還可接收 SCADA主站發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將之轉(zhuǎn)換成控制命令，實現(xiàn)對具體設(shè)備的控制［3，4］?，F(xiàn)有的RTU存在一些固有的缺陷:

1)采集及數(shù)據(jù)上傳速度慢，通常為秒級(如1～5s)，只能滿足穩(wěn)態(tài)監(jiān)測、控制的需要;

2)數(shù)據(jù)之間缺乏同步性，雖然不同的 RTU之間可以通過網(wǎng)絡(luò)對時技術(shù)實現(xiàn)精度達到10ms的對時，但由于RTU傳送的數(shù)據(jù)沒有基于統(tǒng)一的時標(biāo)體系，在SCADA主站收到的數(shù)據(jù)缺乏同步性;

3)采集的數(shù)據(jù)大多為功率、電壓/電流有效值等“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”數(shù)據(jù)，缺乏反應(yīng)電力系統(tǒng)動態(tài)特性的變量。

RTU的上述特性，導(dǎo)致基于其上實現(xiàn)的SCADA主站也只能實現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的監(jiān)測和控制。

(2)PMU

PMU及WAMS技術(shù)是20世紀(jì)90年代中后期發(fā)展起來的電力系統(tǒng)檢測技術(shù)，其核心技術(shù)內(nèi)容包括［5，6］:

1)相量測量技術(shù)。量測值不僅包括功率、電壓/電流有效值等，還包括電壓、電流相量等能反應(yīng)電網(wǎng)動態(tài)的量值;

2)基于GPS等全球精確定時系統(tǒng)的同步測量技術(shù)。通過對相量數(shù)據(jù)打上全網(wǎng)統(tǒng)一的時標(biāo)，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的精確同步;

3)基于高速通信的數(shù)據(jù)快速傳輸和集中技術(shù)。PMU數(shù)據(jù)的上傳速率最快可達到2倍工頻，亦即在控制中心最快可每半個工頻周期就可以獲得系統(tǒng)運行的全局性動態(tài)場景。

目前，RTU/SCADA/EMS和PMU/WAMS通過技術(shù)互補，為現(xiàn)代電網(wǎng)的穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)。但從長遠來看，尚需對現(xiàn)有的RTU/PMU技術(shù)做出變革。其原因在于:

(1)RTU所測數(shù)據(jù)不帶時標(biāo)，在控制中心較難實現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的融合;

(2)PMU測得相量是一個工頻周期的“平均”相量。對于一般動態(tài)過程，如低頻振蕩，是可以的;但對于更快的動態(tài)過程分析，如短路故障、暫態(tài)電壓跌落等，“平均”相量數(shù)據(jù)尚不夠精準(zhǔn);

(3)RTU和PMU均采用定間隔、非壓縮型的存儲和傳輸方法，占用信道資源多，傳輸速率進一步提升極為困難。

2.2 技術(shù)方案

在繼承和發(fā)展RTU、PMU技術(shù)基礎(chǔ)上，本文提出了DRTU這一新型動態(tài)測量單元的設(shè)計方案，介紹如下:

在外部接口方面，DRTU完全適應(yīng)現(xiàn)有的RTU/ PMU。其輸入信號可來自傳統(tǒng)二次PT/CT的電信號，也可來自最新的光電傳感器的數(shù)字信號;其輸出與本地和廣域通信網(wǎng)連接。因此，在硬件構(gòu)架上，DRTU可繼承已有的 RTU/PMU硬件資源，其實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)集中在“軟”的測量、存儲和傳輸協(xié)議上:

(1)在測量方面，需開發(fā)新的實時相量測量算法、信息差分算法、全息數(shù)據(jù)壓縮和解壓算法，以滿足動態(tài)監(jiān)控快速實時的需要;

(2)在數(shù)據(jù)存儲和傳輸協(xié)議方面，需開發(fā)適應(yīng)差分數(shù)據(jù)與事件驅(qū)動機制的實時數(shù)據(jù)庫、傳輸協(xié)議及通信軟件。

在上述算法實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，下文給出DRTU的功能設(shè)計。其具體功能模塊和相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 DRTU的功能框圖Fig．1 Functional block diagram of DRTU

各功能模塊的具體描述如下:

(1)同步時鐘。為量測數(shù)據(jù)提供全網(wǎng)統(tǒng)一的時標(biāo)信息。可繼承現(xiàn)有的PMU技術(shù)中的同步時鐘技術(shù)，即采用全球定位系統(tǒng)(GPS)提供的高精度秒脈沖，通過高精度的分頻后實現(xiàn)［6］。同步時鐘的加入彌補了傳統(tǒng)RTU無時標(biāo)的缺陷;

(2)實時相量測量。這是 DRTU的核心元件，其目標(biāo)功能是將電網(wǎng)的電氣數(shù)據(jù)(電壓、電流等)轉(zhuǎn)換成實時相量，按物理量分為電壓、電流相量及其衍生的功率相量，按序分為正序、負序和零序相量，按頻率分為基波和諧波相量等。關(guān)鍵技術(shù)包括:瞬時頻率的高精度辨識、基于實時去調(diào)制(real-time demodulation)技術(shù)的相量計算方法［15］，并對得到的相量打上精準(zhǔn)的時標(biāo);

(3)信息差分。該功能是事件檢測和數(shù)據(jù)壓縮的基礎(chǔ)，是對相量數(shù)據(jù)的深加工。其目標(biāo)是將連續(xù)獲得的相量數(shù)據(jù)進行前后對比，突出動態(tài)變化部分的信息;

(4)事件檢測。根據(jù)信息差分獲得的信息，判斷DRTU所在電網(wǎng)是否發(fā)生需要上報或記錄的“變化”，即所謂是否存在“事件”。事件的定義可根據(jù)電網(wǎng)監(jiān)控需要進行設(shè)定;

(5)數(shù)據(jù)壓縮。包括兩方面的工作:①基于預(yù)測殘差控制，對差分信息進行存儲和傳輸，即當(dāng)差分信息代表的數(shù)據(jù)偏差在殘差控制范圍之內(nèi)時，可認為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)而維持原數(shù)據(jù);②在存儲和傳輸時，對差分數(shù)據(jù)進行全息壓縮，降低數(shù)據(jù)的空間尺度，提高存儲和傳輸?shù)男?

(6)數(shù)據(jù)存儲。其關(guān)鍵是設(shè)計高效的本地實時和非實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，作為整個監(jiān)控系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫的一部分，就地維護測量單元的相量數(shù)據(jù)，并與控制中心進行高效數(shù)據(jù)交換;

(7)數(shù)據(jù)傳輸。在通信協(xié)議方面，仍將采用IEC 104規(guī)約，以保證與現(xiàn)有 RTU/SCADA系統(tǒng)的兼容性;同時，數(shù)據(jù)傳輸是“事件驅(qū)動”的，即僅在事件檢測模塊檢測到事件時才開始數(shù)據(jù)傳輸工作。

值得指出的是，目前大多數(shù)變電站已采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)和遠動通信工作站，因此，當(dāng)RTU改造成為DRTU后，計算機監(jiān)控系統(tǒng)與遠動工作站也需要相應(yīng)改造，主要修改包括:

(1)采集的數(shù)據(jù)中包含了時標(biāo)，因此，數(shù)據(jù)庫、可視化監(jiān)視系統(tǒng)中均應(yīng)做相應(yīng)修改。數(shù)據(jù)庫中應(yīng)在相應(yīng)表格中增加時標(biāo)字段，而查詢、添加、修改、刪除操作時，也應(yīng)包含這一字段;可視化也要針對性修改;

(2)數(shù)據(jù)傳輸頻度增加，且數(shù)據(jù)傳輸是“事件驅(qū)動”的，遠動工作站應(yīng)做相應(yīng)修改，以適應(yīng)這一變化。

3 DySCADA主站設(shè)計

3.1 技術(shù)現(xiàn)狀

SCADA主站由通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和基礎(chǔ)應(yīng)用組成［3，4］。

(1)通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)架構(gòu)于 SCADA主站的前置機上，主要負責(zé)與各 RTU子站進行通信。目前普遍采用IEC 104規(guī)約與子站進行通信，主要實現(xiàn)功能有:總召、時鐘同步、四遙(遙信、遙測、遙控和遙調(diào))數(shù)據(jù)。

在具體實現(xiàn)方式上，主站通信系統(tǒng)普遍采用多線程方式實現(xiàn)與子站通信。每個線程管理與一個子站連接，且不管是否有數(shù)據(jù)上傳，主站對每一線程均需進行定期的查詢。因此，當(dāng)子站數(shù)量較多、數(shù)據(jù)量較大時，由于大量線程的存在，內(nèi)存空間占用較多，且線程的創(chuàng)建、銷毀以及切換也會占用大量寶貴的CPU資源，程序運行效率較低。同時，當(dāng)通信速度較快時，大量的切換線程操作，還會造成通信的擁塞與數(shù)據(jù)的延遲甚至丟失。我們稱這一類通信方式為阻塞式通信。顯然，阻塞式通信方式并不能適應(yīng)DySCADA的要求。

(2)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)于SCADA主站中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，一般采用雙機雙網(wǎng)的方式來保證其可靠性，主要負責(zé)系統(tǒng)模型、參數(shù)、配置等靜態(tài)數(shù)據(jù)以及RTU子站上傳和主站下達動態(tài)數(shù)據(jù)的存儲。

在具體實現(xiàn)方式上，SCADA系統(tǒng)普遍采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫加商用數(shù)據(jù)庫的方法:需要持久存儲的數(shù)據(jù)存儲于Oracle等商用數(shù)據(jù)庫中，而實時監(jiān)控所需的數(shù)據(jù)則暫存于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，以保證應(yīng)用的快速性。

(3)基礎(chǔ)應(yīng)用

SCADA采集的數(shù)據(jù)只能供電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析和監(jiān)測用。常用基礎(chǔ)功能包括:①數(shù)據(jù)采集與傳輸;②安全監(jiān)視、控制與告警;③歷史數(shù)據(jù)和報表打印;④事故追憶;⑤人機界面與組態(tài);⑥系統(tǒng)時鐘同步;⑦其他必需的功能，包括安全管理，Internet/Intranet信息發(fā)布等。

3.2 技術(shù)方案

為滿足動態(tài)監(jiān)控的需要，DySCADA主站在實現(xiàn)層面和SCADA主站有較大的區(qū)別。

(1)通信系統(tǒng)

為與原有 SCADA系統(tǒng)保持兼容性，通信協(xié)議保留IEC 104規(guī)約。但為了實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效傳輸，原有的阻塞式通信方式需要改為非阻塞通信方式［16］。在非阻塞通信過程中，數(shù)據(jù)通信采用事件驅(qū)動的方式，即只有在有效數(shù)據(jù)抵達時，才調(diào)用相關(guān)處理線程進行必要的處理，以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效傳輸。

在具體實現(xiàn)上，非阻塞式通信通過引入線程池與反應(yīng)器(Reactor)來解決通信的阻塞問題。一個最基本的Reactor框架如圖2所示。圖2中，當(dāng)框架中有多個客戶連接時，無須創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)量的線程，而是引入線程池的概念，由Reactor來選擇線程池中的任務(wù)，決定哪個任務(wù)需要被調(diào)用。從而避免了阻塞式通信中線程創(chuàng)建所需的內(nèi)存開銷及線程創(chuàng)建、銷毀所需的時間開銷。同時，僅當(dāng)某個連接接收到數(shù)據(jù)時，Reactor才調(diào)用這個連接所對應(yīng)的方法進行讀取、解析、計算、存儲等工作，實現(xiàn)了“事件驅(qū)動”型的數(shù)據(jù)通信。

圖2 非阻塞式通信原理圖Fig．2 Scheme of non-blocking communication

可以看出，原有的阻塞式通信，是基于輪詢(時間)的;而本文所提出的非阻塞式通信，是基于事件的。應(yīng)該指出的是，正是由于基于“事件驅(qū)動”機制進行通信，使得 DySCADA可以實現(xiàn)變速率數(shù)據(jù)傳輸。即電網(wǎng)正常運行時，系統(tǒng)以較慢的時間周期(如0.2s)進行采樣;而當(dāng)電網(wǎng)非正常運行時，系統(tǒng)以較快的時間周期進行采樣。

(2)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

時間序列數(shù)據(jù)庫技術(shù)［17］是數(shù)據(jù)庫技術(shù)和實時系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。它具有如下特點:高壓縮比的壓縮技術(shù)、高速數(shù)據(jù)存取技術(shù)、完全分布式結(jié)構(gòu)、高效數(shù)據(jù)備份和容錯功能、強大二次開發(fā)功能和開放性，具備豐富的接口。

隨著調(diào)度自動化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)省級以上系統(tǒng)大部分均已配置智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)，實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫均已支持時間序列數(shù)據(jù)的存儲。

在DySCADA系統(tǒng)中，應(yīng)充分發(fā)揮內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和時間序列數(shù)據(jù)庫三者的特性，將實時采集或?qū)崟r監(jiān)控所需的數(shù)據(jù)暫存于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中;將系統(tǒng)電網(wǎng)模型以及電網(wǎng)的靜態(tài)參數(shù)等采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行存儲;而對于系統(tǒng)中帶時標(biāo)的數(shù)據(jù)可以采用時間序列數(shù)據(jù)庫進行存儲和處理，來滿足海量同步數(shù)據(jù)實時接收、數(shù)據(jù)同步、壓縮存儲、快速查詢等功能要求。

(3)基礎(chǔ)應(yīng)用

除實現(xiàn)SCADA主站原有的基礎(chǔ)應(yīng)用功能外，DySCADA主站還將實現(xiàn):

1)基于高可信度的狀態(tài)估計上的監(jiān)測。將高可信度的狀態(tài)估計［18］功能納入到DySCADA主站的基礎(chǔ)應(yīng)用功能之中，使得后續(xù)應(yīng)用均可建立在實時的、準(zhǔn)確的、標(biāo)準(zhǔn)的熟數(shù)據(jù)之上;

2)低頻振蕩在線識別［7-9］。通過對 DySCADA動態(tài)數(shù)據(jù)進行多信號Prony辨識得到系統(tǒng)主導(dǎo)振蕩頻率和阻尼，根據(jù)振蕩幅值進行低頻振蕩的檢測，判定主導(dǎo)振蕩機組，根據(jù)振蕩相位得到模態(tài)圖和相對振蕩的主要區(qū)域。

3)視頻級的可視化監(jiān)控。DySCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)正常刷新速度為0.2s，這樣的速度與電網(wǎng)的廣域動態(tài)監(jiān)測所需求的速度相吻合。另外，這一時間正是人的視覺殘留時間，這也使得以視頻的方式實現(xiàn)電網(wǎng)動態(tài)信息的監(jiān)控成為可能。

還應(yīng)指出的是:

DySCADA降低了硬件和通信成本，能夠克服PMU/WAMS布點不足的限制，使過去由于布點不足、缺乏全網(wǎng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)等原因難以實現(xiàn)的全局PSS參數(shù)優(yōu)化、全網(wǎng)擾動源準(zhǔn)確辨識、負荷參數(shù)全網(wǎng)同步辨識等具備應(yīng)用條件。

DySCADA還在WAMS基礎(chǔ)上，擴展了通信下傳功能，從而為實現(xiàn)基于實時動態(tài)監(jiān)測進行廣域閉環(huán)動態(tài)控制奠定基礎(chǔ)，使包括直流調(diào)制、低頻振蕩抑制在內(nèi)的高級應(yīng)用真正具備廣域控制的能力。

4 DySCADA升級改造方案

DySCADA可在已有的SCADA系統(tǒng)基礎(chǔ)升級改造而來，相關(guān)方案設(shè)計如下。

(1)將部分RTU改造為DRTU

根據(jù)DRTU的特點，將現(xiàn)有的部分RTU更換為DRTU，原有SCADA主站系統(tǒng)并不改變，且采樣頻率也不改變，驗證在SCADA系統(tǒng)下DRTU能夠提供與原RTU相同的數(shù)據(jù)。

(2)建設(shè) DySCADA主站系統(tǒng)，使之與原有的SCADA系統(tǒng)并列運行

在此階段，RTU和DRTU、SCADA和DySCADA系統(tǒng)并列運行，DRTU采集的數(shù)據(jù)上傳到DySCADA系統(tǒng)中，而數(shù)據(jù)中不帶時標(biāo)部分，上傳到SCADA系統(tǒng)中。

(3)用DRTU全面替換RTU

在經(jīng)過步(2)，檢驗系統(tǒng)能穩(wěn)定運行后，可以將RTU全面替換為DRTU，并用DySCADA系統(tǒng)逐步取代原有的SCADA系統(tǒng)。

(4)逐步提升DySCADA系統(tǒng)的采樣頻率

在DRTU全面被引入后，系統(tǒng)已經(jīng)具備同步采集的功能。在此基礎(chǔ)上，可將SCADA系統(tǒng)的3～6s的數(shù)據(jù)采用與傳輸周期，分多個階段，逐步縮減到0.2s，以滿足電網(wǎng)動態(tài)廣域測量和監(jiān)控的需求。

(5)變速率傳輸

即當(dāng)電網(wǎng)正常運行時，DySCADA以較慢的時間周期(0.2s)采樣，以減輕通信、存儲、分析和計算諸環(huán)節(jié)的壓力;當(dāng)出現(xiàn)事件時，觸發(fā) DySCADA系統(tǒng)，使其以較快的時間周期(0.01～0.02s)采樣，以適應(yīng)各種動態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的需要。

5 結(jié)論

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的快速變化的動態(tài)元件被引入到電力系統(tǒng)中，實現(xiàn)電網(wǎng)動態(tài)分析與控制已變得日益迫切、重要。

基于DRTU的DySCADA是針對這一需求提出的新構(gòu)想，包括子站和主站兩部分。DySCADA子站——DRTU——突出特點體現(xiàn)于毫秒級動態(tài)、差分信息和事件驅(qū)動三方面;而基于DRTU實現(xiàn)的DySCADA系統(tǒng)則具有實時性與同步性佳、完整性好、自適應(yīng)性強、可較好保護已有投資等優(yōu)勢，可為電網(wǎng)的動態(tài)分析、控制提供實時、同步、完整的動態(tài)數(shù)據(jù)。

應(yīng)指出的是，基于以上設(shè)計開發(fā)的DRTU原型和DySCADA原型系統(tǒng)已于2012年6月起在電力系統(tǒng)國家重點實驗室投入試用。試用結(jié)果初步驗證了本文設(shè)計的正確性與可行性。

致謝:

論文工作在盧強院士指導(dǎo)下進行。工作期間，與謝小榮、孫振權(quán)、周逢權(quán)、陳穎、張放等進行了有益的討論。

［1］余貽鑫，李鵬 (Yu Yixin，Li Peng)．大區(qū)電網(wǎng)弱互聯(lián)對互聯(lián)系統(tǒng)阻尼和動態(tài)穩(wěn)定性的影響 (The impact of weak internection of bulk power grids to damping and dynamic stability of power systems)［J］．中國電機工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE)，2005，25(11):6-11．

［2］薛禹勝 (Xue Yusheng)．時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架(一)從孤立防線到綜合防御 (Space-time cooperative framework for defending blackouts PartⅠ:From isolated defense lines to coordinated defending)［J］．電力系統(tǒng)自動化 (Automation of Electric Power Systems)，2006，30(1):8-16．

［3］Kevin Tomsovic，David E Bakken，Vaithianathan Venkatasubramanian，et al．Designing the next generation of real-time control，communication，and computations for large power systems［J］．Proceedings of the IEEE，2005，93(5):965-979．

［4］Rosslin John Robles，Tai-Hoon Kim．Communication security forSCADA in smartgrid environment［A］．WSEAS/CIEO International Conference on Datanetworks，Communications，Computers(DNCOCO＇10)［C］．Faro，Algarve，Portugal，2010．

［5］許樹楷，謝小榮，辛耀中 (Xu Shukai，Xie Xiaorong，Xin Yaozhong)．基于同步相量測量技術(shù)的廣域測量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 (Present application situation and development tendency of syschronous phasor measurement techology based wide area measurement system)［J］．電網(wǎng)技術(shù) (Power System Technology)，2005，29 (2):44-49．

［6］Xie Xiaorong，Xin Yaozhong，Xiao Jinyu，et al．WAMS applications in Chinese power systems［J］．Power and Energy Magazine，2006，4(1):54-63．

［7］Cheng Lin，Yuan Ye，Sun Yuanzhang．Low frequency oscillation monitoring and visualization in Guizhou power grid［A］．2009 China-Korea Relay Protection Forum＆Tsinghua-Myongji Joint Seminar on Protection and Substation automation［C］．Beijing，China，2009．

［8］Yuan Ye，Sun Yuanzhang，Cheng Lin，et al．Power system low frequency oscillation monitoring and analysis based on multi-signal online identification［J］．Science China Technological Sciences，2010，53(9):2589-2596．

［9］鞠平，謝歡，孟遠景，等 (Ju Ping，Xie Huan，Meng Yuanjing，et al．)．基于廣域測量信息在線辨識低頻振蕩 (Online identification of low-frequency oscillations based on wide-area measurements)［J］．中國電機工程學(xué)報 (Proceedings of the CSEE)，2005，25(22):56-60．

［10］梅生偉，薛安成，張雪敏 (Mei Shengwei，Xue Ancheng，Zhang Xuemin)．電力系統(tǒng)自組織臨界特性及大電網(wǎng)安全 (Power system's self-organized criticality and bulk grid's security)［M］．北京:清華大學(xué)出版社(Beijing:Tsinghua University Press)，2009．

［11］Chen Gang，Sun Yuanzhang，Venkatasubramanian V，et al．Wide area control framework design considering different feedback time delays［A］．IEEE Power Engineering Society General Meeting［C］．San Diego，California，USA，2012．

［12］Lin J，Cheng L．Model parameters identification method for wind farms based on wide-area trajectory sensitivities［J］．International Journal of Emerging Electric Power Systems，2010，11(5):1-19．

［13］Jr R O Burnett，Butts M M，Cease T W，et al．Synchronized phasor measurements of a power system event［J］．IEEE Transactions on Power Systems，1994，9(3): 1643-1650．

［14］Sandro Corsi，Glauco N Taranto．A real-time voltage instability identification algorithm based on local phasor measurements［J］．IEEE Transactions on Power Systems，2008，23(3):1271-1279．

［15］David L Weigand．Method and apparatus for real-time demodulation of a GMSK signal by a non-coherent receiver［P］．U．S．Patent 5，117，441，May 26，1992．

［16］David B hme，Marc-André Hermanns，Markus Geimer，et al．Performance simulation of non-blocking communication in message-passing applications［A］． Euro-Par 2009-Parallel Processing Workshops［C］．Delft，Netherlands，2009．

［17］Eamonn Keogh，Stefano Lonardi，Bill‘Yuan-chi’Chiu．Finding surprising patterns in a time series database in linear time and space［A］．Proceedings of the Eighth ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining［C］．ACM，2002.550-556．

［18］He Guangyu，Dong Shufeng，Qi Junjian，et al．Robust state estimator based on maximum normal measurement rate［J］．IEEE Transactions on Power Systems，2011，26 (4):2058-2065．

Conception and design of dynamic SCADA based on dynamic RTU

HE Guang-yu，CHENG Lin，LIU Feng，SHEN Chen，YE Jian-min
(State Key Laboratory of Power Systems，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Requirements for dynamic online analysis and control are becoming increasingly pressing and useful as(，cont．on p．65)(，cont．from p．15)more and more rapidly changing elements are introduced to power systems in the smart grid context．To adapt this change，we propose a conception of transforming the existing SCADA system into a Dynamic SCADA(Dynamic SCADA，DySCADA)system．Moreover，we discuss the design schemes of its sub-station and master station in detail，and point out that its sub-station stands with three characters of millisecond level dynamic，difference information and event-driven，and the DySCADA has the advantages of real-time，synchronism，integrated，strong adaptability and utilization of existing investment，which gurantees that it can provide real-time，synchronous and complete dynamic data for dynamic analysis and control of power grid．Finally，we put forward the DySCADA's upgrading plan，and point out that the validity of the DySCADA has been verified preliminary by constructing protype system of the DySCADA in our lab．

dynamic analysis and control;dynamic RTU;dynamic SCADA

TM76

:A

:1003-3076(2014)01-0010-06

2013-09-12

國家高新技術(shù)研究與發(fā)展863項目(2012AA050201)

何光宇(1972-)，男，湖南籍，教授/博導(dǎo)，研究方向智能調(diào)度、用戶側(cè)能量管理系統(tǒng)等;程 林(1973-)，男，湖南籍，副教授/博導(dǎo)，主要從事電力系統(tǒng)可靠性、電力系統(tǒng)分析與控制等方面的教學(xué)和研究。