樊騰飛

（中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 廣東 廣州 510623）

一種SCADA系統(tǒng)和視頻與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中聯(lián)動(dòng)的應(yīng)用方法

樊騰飛

（中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 廣東 廣州 510623）

基于減少電力系統(tǒng)中SCADA系統(tǒng)和視頻與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)手動(dòng)操作復(fù)雜度的目的，本文提出一種聯(lián)動(dòng)融合方法減少操作的復(fù)雜度和誤差率。該方法通過(guò)構(gòu)建控制協(xié)議和聯(lián)動(dòng)信號(hào)的方式將兩個(gè)系統(tǒng)有效地進(jìn)行融合。通過(guò)在某電力局中實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示這種方法提高事件數(shù)量6%～15%,降低誤差率7%～10%。

SCADA；視頻與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；聯(lián)動(dòng)；電力系統(tǒng)

當(dāng)前電力系統(tǒng)中的視頻與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)使用高分辨率的攝像機(jī)作為“眼睛”采集環(huán)境信息，比如斷路器、開(kāi)關(guān)和變壓器等電力設(shè)備的運(yùn)行情況、儀表參數(shù)信息[1-4]。當(dāng)出現(xiàn)事件需要進(jìn)行觀察和處理的時(shí)候，SCADA系統(tǒng)和視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)之間只能人為的進(jìn)行系統(tǒng)間的切換來(lái)合作，系統(tǒng)和系統(tǒng)之間沒(méi)有任何的交流和通信。用戶只能先通過(guò)視頻與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，然后使用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)度，這樣很容易對(duì)事件處理產(chǎn)生負(fù)面影響[5-9]。

為了快速準(zhǔn)確通過(guò)數(shù)據(jù)交換完成兩種系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，文中綜合了SCADA系統(tǒng)和視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際使用環(huán)境信息和要求，提出搭建一種分層通信體系架構(gòu)和系統(tǒng)之間的通信協(xié)議的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)融合的目的。

1 聯(lián)動(dòng)方法

1.1 方法原理

從圖1可以看出，首先當(dāng)視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)或者用戶發(fā)現(xiàn)事件時(shí)，SCADA系統(tǒng)觀察運(yùn)行狀態(tài)信息，根據(jù)事件環(huán)境給聯(lián)動(dòng)主機(jī)發(fā)送相應(yīng)監(jiān)控聯(lián)動(dòng)信號(hào)。然后，聯(lián)動(dòng)主機(jī)要求視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)將事件環(huán)境的所有攝像機(jī)視頻全部彈出，視頻畫(huà)面在客戶端上分格顯示便于觀察。最后客戶端根據(jù)處理方案對(duì)事件進(jìn)行處理[10-11]。

圖1 方法原理圖

整個(gè)方法在執(zhí)行的過(guò)程中，主要通過(guò)SCADA系統(tǒng)的“四遙”手段完成[12]。另外，視頻&環(huán)境監(jiān)控中對(duì)觀察到的事件信息也有一定的自動(dòng)處理能力，比如刀閘、開(kāi)關(guān)這種類型的事件。通過(guò)攝像機(jī)對(duì)這類事件直接進(jìn)行分析和儀表的讀數(shù)判斷，當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過(guò)規(guī)定的閾值，則通知SCADA系統(tǒng)進(jìn)行事件處理操作，同時(shí)將相關(guān)信息登記在服務(wù)器，顯示在客戶端并報(bào)警。

1.2 約束條件

1）網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)需要的監(jiān)控點(diǎn)位越來(lái)越多，通信距離越來(lái)越長(zhǎng)。所以通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制將影響聯(lián)動(dòng)處理事件的有效性。

2）攝像機(jī)云臺(tái)的控制

監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)攝像機(jī)的控制多是以云臺(tái)控制。當(dāng)處理事件時(shí)，直接對(duì)云臺(tái)進(jìn)行控制有可能與用戶操作引起沖突，所以SCADA發(fā)送的聯(lián)動(dòng)信息不能直接聯(lián)動(dòng)云臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3）設(shè)備限制

聯(lián)動(dòng)服務(wù)器和視頻服務(wù)器以及攝像機(jī)等設(shè)備的性能對(duì)事件處理有重要影響。服務(wù)器的性能限制事件處理的時(shí)間和數(shù)量，而攝像機(jī)的像素則制約了對(duì)電力設(shè)備實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度[13-15]。

2 聯(lián)動(dòng)應(yīng)用

SCADA系統(tǒng)和視頻與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在變電站中的聯(lián)動(dòng)方法應(yīng)用的核心是在聯(lián)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行通信方法的設(shè)計(jì)。這種通信的方法設(shè)計(jì)主要涉及電力調(diào)度分層、遙視系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)流、時(shí)間同步、端口定義以及報(bào)文格式7個(gè)部分。

2.1 電力調(diào)度分層

圖2 電力調(diào)度分層控制結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出電力調(diào)度的層級(jí)關(guān)系，層級(jí)從大到小的順序是：主調(diào)度中心、區(qū)域調(diào)度中心、地區(qū)調(diào)度中心、變電站和發(fā)電廠。根據(jù)層級(jí)順序，則聯(lián)動(dòng)順序也是通過(guò)從大到小的方式進(jìn)行，當(dāng)然還有根據(jù)事件的緊急程度設(shè)定處理操作的優(yōu)先級(jí)。2.2 遙視系統(tǒng)

圖3 遙視系統(tǒng)構(gòu)成圖

遙視系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)和視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的主要結(jié)合點(diǎn)，從圖3可以看出遙視系統(tǒng)的主要工作過(guò)程。其中RPU是站端處理單元，是站端系統(tǒng)的核心部分。

2.3 網(wǎng)絡(luò)連接

從圖4可以看出兩種系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)連接通過(guò)局域網(wǎng)完成，其中SCADA是連接的核心部分，站端系統(tǒng)將圖像內(nèi)容通過(guò)SCADA聯(lián)動(dòng)主機(jī)反饋給SCADA管理中心，SCADA管理中心通過(guò)WEB調(diào)度服務(wù)器進(jìn)行信號(hào)的控制和發(fā)送。

2.4 數(shù)據(jù)流

圖5通信數(shù)據(jù)流的方向

圖4 網(wǎng)絡(luò)連接圖

從圖5可以看出控制數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向，顯示了系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)交換的方向。

2.5 系統(tǒng)時(shí)間同步

為保證系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)服務(wù)器和視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在時(shí)間上的統(tǒng)一，本文的通信中采用同樣的衛(wèi)星時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)。另外，在SCADA系統(tǒng)通信時(shí)，將報(bào)文發(fā)送的時(shí)間與系統(tǒng)本身時(shí)鐘調(diào)校一致。視頻接收程序收到報(bào)文時(shí)鐘后定期校正自身時(shí)鐘并統(tǒng)一對(duì)遠(yuǎn)端視頻單元進(jìn)行周期性統(tǒng)一校時(shí)。

2.6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)過(guò)程

SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀和發(fā)的過(guò)程如下所示：

Step1：SCADA信號(hào)從主站W(wǎng)eb服務(wù)器上將聯(lián)動(dòng)信號(hào)發(fā)送給聯(lián)動(dòng)主機(jī)。

圖5 通信數(shù)據(jù)流的方向

Step2：聯(lián)動(dòng)主機(jī)將聯(lián)動(dòng)信號(hào)通過(guò)SCADA的管理信息區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（安全I(xiàn)II區(qū)網(wǎng)絡(luò)）以報(bào)文的形式傳送給視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

Step3：視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)接收聯(lián)動(dòng)報(bào)文，按照內(nèi)容驅(qū)動(dòng)攝像頭定位。

2.7 端口定義

本文方法采用TCP/IP的通信模型，默認(rèn)的聯(lián)動(dòng)服務(wù)器通信端口號(hào)為：9300，并且為應(yīng)對(duì)多視頻流的播放問(wèn)題，采用RTSP協(xié)議作為流媒體協(xié)議。

2.8 報(bào)文格式

SCADA系統(tǒng)和視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換采用TCP/IP通訊模型。由SCADA系統(tǒng)服務(wù)器作為T(mén)CP客戶端，視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器作為監(jiān)控端。TCP客戶端完成單向發(fā)送聯(lián)動(dòng)報(bào)文工作；監(jiān)控端則僅完成單向接收聯(lián)動(dòng)報(bào)文工作且不能反向發(fā)送任何報(bào)文數(shù)據(jù)。報(bào)文格式說(shuō)明如表1所示。

表1 基本格式

表1中包頭占4個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。其中Version代表版本號(hào)，以整數(shù)1～255表示，當(dāng)前版本號(hào)為1；CommandType代表通信類型，考慮到協(xié)議的可擴(kuò)展性，暫用0x0F表示本通信類型；

DataLength代表Data數(shù)據(jù)區(qū)有效數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度。

另外Data數(shù)據(jù)區(qū)根據(jù)事件設(shè)置格式，每個(gè)事件的格式為包頭＋點(diǎn)序號(hào)信息＋類型信息＋點(diǎn)值信息＋校驗(yàn)碼。具體內(nèi)容如表2所示。

表2 Data數(shù)據(jù)區(qū)詳細(xì)說(shuō)明

從表2可以看出：

1）站序號(hào)：2個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，站序號(hào)是SCADA發(fā)送程序（插件）的站點(diǎn)編號(hào)，取值范圍：0～655 35。視頻接收程序定義站序號(hào)與變電站之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，SCADA系統(tǒng)應(yīng)該提供站點(diǎn)序號(hào)與實(shí)際站點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系信息。

2）點(diǎn)序號(hào):2個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，點(diǎn)序號(hào)是SCADA發(fā)送程序發(fā)送的組態(tài)點(diǎn)序號(hào)，視頻接收程序應(yīng)預(yù)先定義點(diǎn)序號(hào)和攝像頭之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，SCADA系統(tǒng)應(yīng)該提供組態(tài)點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)名的對(duì)應(yīng)關(guān)系信息；

3）類型信息為：1表示“遙控預(yù)置”；2表示“遙控操作成功結(jié)束”；3表示“遙控操作異常結(jié)束”；4表示“遙信變位”。

4）點(diǎn)值：有效報(bào)文，需驅(qū)動(dòng)攝像頭則置為1；否則置0；

5）時(shí)間格式：4個(gè)bytes（Long Integer），數(shù)值為距1970年1月1日0時(shí)0分0秒的秒數(shù)。

6）校驗(yàn)碼：為從點(diǎn)名到點(diǎn)值逐一字節(jié)的異或取反。

3 實(shí) 驗(yàn)

文中提出的應(yīng)用方法在電網(wǎng)系統(tǒng)某局進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，以某局的現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)外接聯(lián)動(dòng)控制器和備用主站搭建實(shí)驗(yàn)聯(lián)動(dòng)平臺(tái)，某局的大華主站平臺(tái)僅作數(shù)據(jù)服務(wù)器，不做聯(lián)動(dòng)控制功能。當(dāng)有事件處理聯(lián)動(dòng)命令時(shí)，聯(lián)動(dòng)服務(wù)解析SCADA信號(hào)后發(fā)送給備用主站平臺(tái)，由主站平臺(tái)調(diào)用已設(shè)置好的聯(lián)動(dòng)規(guī)則，調(diào)用對(duì)應(yīng)攝像機(jī)彈出相對(duì)應(yīng)的視頻畫(huà)面。

實(shí)驗(yàn)中的事件數(shù)量由信號(hào)數(shù)量模擬產(chǎn)生，文中采用自動(dòng)信號(hào)發(fā)生器模擬事件發(fā)生源，每隔一定時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)作為事件信號(hào)與視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 聯(lián)動(dòng)控制反饋情況

表3中原始方法指手動(dòng)切換處理事件，聯(lián)動(dòng)應(yīng)用則指文中方法處理事件。其中，操作指完成處理事件的操作數(shù)量，誤差率則指由于人力限制、主機(jī)性能、通信帶寬限制造成的事件沒(méi)有得到處理的差錯(cuò)率。從表3的操作數(shù)和誤差率的結(jié)果中顯示文中提出的聯(lián)動(dòng)應(yīng)用方法有較好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的SCADA系統(tǒng)與視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)應(yīng)用方法通過(guò)構(gòu)建控制協(xié)議和聯(lián)動(dòng)信號(hào)的方式將兩個(gè)系統(tǒng)有效的融合起來(lái)。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，可以通過(guò)四遙的方式，根據(jù)視頻提供的實(shí)時(shí)影響觀察并處理實(shí)際事件，有效的降低操作復(fù)雜度，減少由于人力限制而忽略事件環(huán)境影響因素造成的事件未處理數(shù)量。

SCADA系統(tǒng)與視頻&環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)是電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的重要部分，也是一種解決調(diào)度事件的有效方案。這種聯(lián)動(dòng)方式的應(yīng)用由于技術(shù)特點(diǎn)符合三網(wǎng)合一的要求，在發(fā)展中會(huì)逐漸成為有助于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一種標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范。

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A linkage application method of SCADA system and video&environmental monitoring system in power system

FAN Teng-fei
（Power Dispatching Control Center of China Southern Power Grid，Guangzhou 510623，China）

For the purpose to reduce the manual operation complexity of the linkage of the video&environment monitoring system and the SCADA system in the power system,this paper presents a linkage application method of the systems to reduce the complexity of the operation and the error rate.The experments have processes in a certain power bureau.The result of experments shows that this method can improve the number of the events 6%～15%and reduce the error rate 7%～10%.

SCADA；video&environmental monitoring system；linkage；power system

TM761

A

1674－6236（2016）24-0113-03

2016-09-08 稿件編號(hào)：201609085

樊騰飛（1986—），男，湖南郴州人，碩士，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。