張明，穆世霞，張秀娥，李宏偉，王全

（1. 北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192；2. 大同電力高級技工學(xué)校，山西大同 037039；

3. 國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）

隨著國家電網(wǎng)建設(shè)日益加快，目前我國電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對電網(wǎng)運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性等方面都提供了強(qiáng)有力的保障。由此而來的對調(diào)度自動(dòng)化運(yùn)行維護(hù)人員的培訓(xùn)需求也日益迫切。

目前已有的調(diào)度自動(dòng)化仿真培訓(xùn)系統(tǒng)往往是通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性，并提供模擬的調(diào)度自動(dòng)化主站系統(tǒng)來培訓(xùn)運(yùn)行操作人員[5]。然而當(dāng)學(xué)員適應(yīng)了模擬主站界面之后，投入到實(shí)際的生產(chǎn)工作中，仍然需要重新投入大量時(shí)間與精力來熟悉現(xiàn)場應(yīng)用的真實(shí)調(diào)度自動(dòng)化主站系統(tǒng)操作。因此，一種采用計(jì)算仿真技術(shù)來模擬電網(wǎng)運(yùn)行，結(jié)合真實(shí)調(diào)度自動(dòng)化主站系統(tǒng)的混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)需求應(yīng)運(yùn)而生。

在這樣一套混合仿真系統(tǒng)中，電網(wǎng)仿真運(yùn)行計(jì)算部分與真實(shí)調(diào)度自動(dòng)化主站之間的通信功能就成為十分重要的部分。其可靠性、實(shí)用性和高效性都需要得到滿足。本文提出了一種基于IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的調(diào)度自動(dòng)化混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的廠站遠(yuǎn)動(dòng)終端解決方案，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行了測試。

1 關(guān)鍵技術(shù)

調(diào)度自動(dòng)化混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要由核心電網(wǎng)仿真模塊、通信模塊、真實(shí)主站系統(tǒng)3部分組成。廠站運(yùn)動(dòng)終端模擬主要指通信模塊，采用IEC104通信規(guī)約[1-2]進(jìn)行功能開發(fā)設(shè)計(jì)。具體通信模式為：IEC104通信模塊作為從站端（Server端），調(diào)度主站作為主站端（Client端），二者采用一個(gè)網(wǎng)口建立物理鏈接。

1.1 通信模塊與仿真模塊數(shù)據(jù)交換

電網(wǎng)仿真系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求較高，因此對通信模塊與仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互效率提出了較高的要求。電網(wǎng)仿真可涉及上百個(gè)變電站仿真模擬，針對仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)模大這一問題，可考慮采用數(shù)據(jù)庫以及共享內(nèi)存這2種方式進(jìn)行進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。

目前市面上實(shí)時(shí)性較高的數(shù)據(jù)庫主要有OSI公司的PI（Plant Information System）和Instep公司的eDNA（enterprise Distributed Network Architecture）等，其價(jià)格昂貴，并不適用于本培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過筆者試用測試網(wǎng)上開源的SQLite等數(shù)據(jù)庫也無法滿足設(shè)計(jì)需求。因此，在本設(shè)計(jì)中，選擇通過帶標(biāo)識(shí)的共享內(nèi)存隊(duì)列的方式來實(shí)現(xiàn)通信與仿真2個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交互。

通信模塊主要負(fù)責(zé)循環(huán)監(jiān)視上行隊(duì)列、下行隊(duì)列，并將取得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的仿真模塊以及104通信主站程序。其過程如圖1所示。

圖1 通信模塊與仿真模塊交互示意圖Fig. 1 The interaction between the communication module and the simulation module

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，仿真系統(tǒng)需要往調(diào)度主站上送實(shí)時(shí)的遙測、遙信、遙控返回信息、變位遙測、變位遙信、對時(shí)以及SOE信息，卻僅僅只需要接收調(diào)度主站下發(fā)的遙控預(yù)置、遙控執(zhí)行命令。因此，以仿真系統(tǒng)到IEC104通信模塊為下行方向，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 通信模塊與仿真模塊數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)Tab. 1 The interaction structure between the communication module and the simulation module

定義主要接口如表2所示。

表2 通信模塊與仿真模塊接口定義Tab. 2 The interface definition of the communication module and the simulation module

1.2 通信模塊與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的通信

在調(diào)度自動(dòng)化仿真系統(tǒng)中，往往需要仿真計(jì)算整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的潮流數(shù)據(jù)。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)模不同，需要模擬數(shù)十乃至上百個(gè)廠站的RTU設(shè)備，同時(shí)與一個(gè)或多個(gè)調(diào)度主站進(jìn)行通信。因此，若直接采用變電站中的104通信方式，每個(gè)廠站或RTU設(shè)備都設(shè)置一個(gè)進(jìn)程與主站通信，對硬件處理能力的需求將會(huì)大大提高，從而增加系統(tǒng)成本。

本設(shè)計(jì)中采用多線程方式編程，系統(tǒng)資源占用率大大下降。通信模塊在通信過程中處于Server端，每一個(gè)線程模擬一個(gè)廠站或者RTU設(shè)備與主站通信。為區(qū)分不同廠站及RTU設(shè)備，線程之間使用端口號作為識(shí)別。端口設(shè)置與廠站點(diǎn)表信息在程序初始化階段從配置文件讀取。

在通信過程中，IEC104規(guī)約規(guī)定了和連接有關(guān)的4個(gè)超時(shí)時(shí)間，分別是T0（TCP連接超時(shí)）；T1（從站（RTU）端啟動(dòng)U格式測試過程后等待應(yīng)答超時(shí)）；T2（從站（RTU）端上送變化信息或總召喚結(jié)束報(bào)文后，等待主站端返回S格式報(bào)文的超時(shí)）；T3（從站（RTU）端與主站之間沒有實(shí)際的數(shù)據(jù)交換時(shí)候，任何一端啟動(dòng)U格式測試過程的最大間隔時(shí)間）。

在仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于非生產(chǎn)系統(tǒng)對于安全性和可靠性與執(zhí)行效率之間的權(quán)衡可以適量放寬。因此，在超時(shí)處理方面，加入斷線重連機(jī)制，以應(yīng)對T0的處理；而在通信過程中，從站（RTU）不判定報(bào)文的應(yīng)答，以提高程序處理的效率，減輕多線程處理過程中的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。因此，只需要考慮對T3超時(shí)的處理，即在T3時(shí)間內(nèi)未接受到主站任何報(bào)文，從站（RTU）端主動(dòng)上送U格式測試幀報(bào)文，以保障鏈路不受中斷。

程序主要流程如圖2所示。

圖2 通信模塊主要程序流程Fig. 2 The main program flow of the communication module

程序啟動(dòng)時(shí)，首先由程序讀入廠站端口配置信息后根據(jù)端口創(chuàng)建線程，并讀取該端口對應(yīng)廠站的電表信息。然后進(jìn)行通信鏈路初始化，監(jiān)聽主站的TCP連接請求，隨時(shí)響應(yīng)通信主站的TCP連接請求。當(dāng)建立網(wǎng)絡(luò)連接之后開始接受并應(yīng)答主站的StartDT請求，開始網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。緊接著接收并響應(yīng)總召喚令，報(bào)告全數(shù)據(jù)。隨后進(jìn)入正常通信過程，報(bào)告變化的遙測和遙信數(shù)據(jù)，并接受主站遙調(diào)及遙控命令。

2 實(shí)際應(yīng)用與測試

本設(shè)計(jì)方案采用IEC104協(xié)議，完成電網(wǎng)仿真系統(tǒng)與真實(shí)調(diào)度自動(dòng)化主站之間的通信工作，需要通過測試和驗(yàn)證。筆者采用了國內(nèi)權(quán)威廠家生產(chǎn)的調(diào)度自動(dòng)化主站系統(tǒng)，對根據(jù)本文方案編制的通信程序進(jìn)行了系統(tǒng)測試。測試內(nèi)容主要包括通信建立/斷線重連、遙測/遙信對點(diǎn)、開關(guān)遙控時(shí)間以及變化遙測/變位遙信刷新等。

2.1 測試通信建立/斷線重連

修改配置文件中廠站個(gè)數(shù)，啟動(dòng)通信程序與主站建立連接，然后拔插網(wǎng)線使程序斷線重連，查看主站通道狀態(tài)并記錄連接結(jié)果及連接時(shí)間。

2.2 測試遙測/遙信對點(diǎn)

在不同廠站個(gè)數(shù)的情況下，增加各廠站遙測/遙信點(diǎn)數(shù)，啟動(dòng)通信程序與主站建立連接，然后核對各遙測/遙信數(shù)值是否正確。

2.3 開關(guān)遙控時(shí)間測試

在不同廠站個(gè)數(shù)的情況下，啟動(dòng)通信程序與主站建立連接，隨機(jī)選擇開關(guān)進(jìn)行遙控操作，以每次20個(gè)遙控操作為單位，分別測試3次。記錄各廠站開關(guān)遙控執(zhí)行情況以及平均返回時(shí)間。

2.4 變化遙測/變位遙信刷新測試

在不同廠站個(gè)數(shù)的情況下，啟動(dòng)通信程序與主站建立連接，隨機(jī)選擇開關(guān)進(jìn)行遙控操作。記錄各廠站平均遙信變位界面刷新時(shí)間以及相對應(yīng)平均變化遙測值刷新時(shí)間。

根據(jù)表3—表6的測試結(jié)果，可以得出結(jié)論：本文所提出的方案在實(shí)際應(yīng)用中能夠充分滿足調(diào)度自動(dòng)化混合仿真系統(tǒng)需求。

表3 通道連接測試Tab. 3 The test of the channel link

3 結(jié)語

本文提出了一種應(yīng)用于調(diào)度自動(dòng)化混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的廠站終端模擬設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用最廣泛的IEC104規(guī)約，提出了一種兼具可靠性、高效性及實(shí)用性的培訓(xùn)系統(tǒng)解決方案：以現(xiàn)有采用共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與通信之間的信息流交互；利用多線程機(jī)制實(shí)現(xiàn)多個(gè)廠站遠(yuǎn)動(dòng)終端模擬與調(diào)度主站通信；利用端口識(shí)別廠站方式；實(shí)現(xiàn)單一網(wǎng)口與主站建立物理鏈接。該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)仿真系統(tǒng)與真實(shí)調(diào)度自動(dòng)化主站的有機(jī)無縫連接，滿足調(diào)度自動(dòng)化專業(yè)人員的培訓(xùn)需求。

表4 對點(diǎn)測試Tab. 4 The test of the point-check

表5 遙控時(shí)間測試Tab. 5 The test of the remote control time

表6 變化量刷新時(shí)間測試Tab. 6 The test of the refresh time for the changed value

目前，應(yīng)用該設(shè)計(jì)的調(diào)度自動(dòng)化混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)在山西省電力公司大同電力學(xué)校投入使用，運(yùn)行狀態(tài)良好。該系統(tǒng)為全省調(diào)度自動(dòng)化運(yùn)維人員提供了培訓(xùn)平臺(tái)。

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