面向FIX32工作平臺的變電站SCADA仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

湯雪
（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特010000）

本文針對變電站SCADA仿真系統(tǒng)，基于工業(yè)組態(tài)軟件FIX32作為其開發(fā)平臺，在SCADA系統(tǒng)和變電站仿真系統(tǒng)之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信，一方面為了能夠滿足帶寬和速度的要求，在系統(tǒng)服務(wù)器和終端機之間進行數(shù)據(jù)的交換，采用了100M的以太網(wǎng)，同時運用了同步鎖、內(nèi)存共享等機制技術(shù)保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。另一方面，基于工業(yè)組態(tài)軟件提供的Client接口和DDE Server接口，形成的Server/Client組合模式的DDE通信程序來完成本地通信進程和監(jiān)控畫面之間的數(shù)據(jù)的通信。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)通信耗時較短，對于服務(wù)器的占有率也比較低，完全能夠滿足變電站系統(tǒng)要求。

變電站；內(nèi)存共享；SCADA；FIX32 TN915.85

近年來，隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的飛速的發(fā)展，變電站的設(shè)計也需要考慮先進的自動化技術(shù)，從而能夠提高其自動化水平和數(shù)字化程度[1]。本文設(shè)計的系統(tǒng)采用了軟硬件結(jié)合的方式，通過軟件仿真，然后再進行硬件的模擬，硬件模擬包含下面幾個部分：模擬和控制屏、保護柜、可操控微縮模型、用電控制系統(tǒng)；軟件仿真則包含SCADA系統(tǒng)、故障錄波、調(diào)度仿真等[2]。

現(xiàn)代電力SCADA系統(tǒng)能夠?qū)崟r的采集各個變電站的RTU遙測、電量以及數(shù)字量等相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。SCADA系統(tǒng)通過采集實時數(shù)據(jù)能夠給電力系統(tǒng)提供強大的數(shù)據(jù)支持來計算電網(wǎng)的損耗以及其他的電力參數(shù)。作為以電子通信技術(shù)為基礎(chǔ)的變電站綜合自動化系統(tǒng)的交互界面也隨之得到了大力的進步，從傳統(tǒng)的機械儀表到如今的計算機圖形交互界面。通過其監(jiān)控界面能夠了解變電站的運行的狀況，比如查看登入登出的過程等，也能夠通過設(shè)定的自動記錄形成歷史曲線，Intellution公司設(shè)計的FIX（工業(yè)自動化軟件）完全符合該要求，因此本文就基于該開發(fā)平臺來設(shè)計的變電站SCADA仿真系統(tǒng)[3]。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

FIX32以SCADA作為核心，是目前比較流行的工控組態(tài)軟件，其集成了監(jiān)控、保存、報警等多種功能，是一款較為全面的集成控制系統(tǒng)，F(xiàn)IX32包含了數(shù)據(jù)的采集、管理和集成這3個基本的功能，能夠簡單方便的全面集成數(shù)據(jù)，由于其各方面的優(yōu)點，目前被廣泛的應(yīng)用在了各種生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)當(dāng)中。

如圖1所示，本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)基于FIX32工控系統(tǒng)由工作站和服務(wù)器構(gòu)建了分布式數(shù)據(jù)的采集和控制裝置，并且為了保證數(shù)據(jù)采集配送的時效性專門設(shè)置了一臺專用服務(wù)器，底層選取100 M的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來保證系統(tǒng)運行速率的需求，并且基于主流的windows 7操作系統(tǒng)集合多種進程和網(wǎng)絡(luò)通信機制，采用了TCP/IP協(xié)議和動態(tài)數(shù)據(jù)交換、遠程過程的調(diào)用等通信方式，最終完成了各個系統(tǒng)服務(wù)器之間以及終端機之間的數(shù)據(jù)的交換[4]。

SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通過工作站來完成，每一臺工作站以FIX作為平臺，采用I/O接口將數(shù)據(jù)傳送到驅(qū)動程序映射表當(dāng)中。然后按照TCP/ IP協(xié)議和Socket將服務(wù)器和多線程連接起來，形成數(shù)據(jù)交換鏈接，采用了共享內(nèi)存和消息相互結(jié)合的方式作為FIX平臺的傳遞模式，而SCADA數(shù)據(jù)的動態(tài)交換和畫面的傳送則通過DDE程序來完成[5]。

圖1SCADA工作模式

2 本地通信進程和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的通信

本地通信進程和服務(wù)器之間的通信如圖2所示，軟件終端的應(yīng)用程序都同時運行在系統(tǒng)的每一個仿真終端之上，因此這就要求在整個局域網(wǎng)內(nèi)能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，從而來確保系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)指令的收發(fā)和計算[6]。共享內(nèi)存的方式也被采用到了在本地通信進程和終端應(yīng)用程序之間完成數(shù)據(jù)的交換，內(nèi)存共享在計算機內(nèi)存當(dāng)中的全局共享段，能夠自由訪問不同的進程，在動態(tài)刷新了數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)還能夠自動的將數(shù)據(jù)保存，終端的應(yīng)用程序也能夠在初始化的同時共享相關(guān)的數(shù)據(jù)。

終端的運行程序在運行的過程中需要實時的完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取，通過進程之間的消息機制能夠滿足該種需求。

當(dāng)Socket將消息發(fā)送給通信進程之后，就存入“動態(tài)數(shù)據(jù)共享內(nèi)存段”，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：{“發(fā)送節(jié)點標(biāo)識”，{“數(shù)據(jù)序號1”、“數(shù)據(jù)值1”}，……}，同時發(fā)送消息給數(shù)據(jù)處理進程，命令該進程從“內(nèi)存段”獲得數(shù)據(jù)，同樣的，數(shù)據(jù)處理進程會通過內(nèi)存段到通信進程數(shù)據(jù)交換，發(fā)送計算機的成果到網(wǎng)絡(luò)上，從而完成動態(tài)數(shù)據(jù)的一致性的實現(xiàn)[7]。

圖2 進程服務(wù)器之間通信

多線程的運行模式被采用在系統(tǒng)當(dāng)中過的通信進程當(dāng)中，由于雙向數(shù)據(jù)流存在于本機進程之間和多機間，多線程的運行模式能夠及時的處理并發(fā)的消息。由于系統(tǒng)的延遲，消息在不同的進程之間處理的時候會發(fā)生讀寫內(nèi)存的沖突，丟失數(shù)據(jù)，為了避免發(fā)生這一現(xiàn)象，避免不同程序之間存在著不一致，在讀寫操作當(dāng)中采用了同步鎖的設(shè)置[8]。同步鎖程序如下。

3 DDE程序和本地通信進程之間的通信

FIX圖形是SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，其核心是通過數(shù)據(jù)庫來訪問信息，圖形應(yīng)用程序提供了多樣性的鏈接從而能夠滿足信息訪問的需求，完整顯示系統(tǒng)和過程的數(shù)據(jù)。操作人員也能夠采用鏈接將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，而且也可以使來自于其他第三方的DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換機制）的應(yīng)用程序。如果要實現(xiàn)其他的應(yīng)用程序、外部數(shù)據(jù)庫、FIX三者之間的數(shù)據(jù)交換，那么就需要提供專門的DDE接口程序給FIX平臺，保證了監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)庫之間的雙向的數(shù)據(jù)通信保證[9]。

DDE包含了進程和事件事件的數(shù)據(jù)傳遞，是進程之間的通信方式，在DDE當(dāng)中引入內(nèi)存共享機制，并且在同步數(shù)據(jù)當(dāng)中引入DDE協(xié)議?！皶挕焙x是應(yīng)用程序相互之間的交換數(shù)據(jù)，“客戶”是發(fā)起對話的一端，“服務(wù)器”是響應(yīng)端，DDE會話的初始化就是將WM_DDE_INITIATE消息發(fā)送到客戶應(yīng)用程序，然后傳送窗口句柄，服務(wù)器應(yīng)用程序會響應(yīng)該WM消息。圖3是數(shù)據(jù)通信的流程圖[11]。

圖3DDE通信流程圖

DDE通信程序能夠提供如下3種鏈接方式：冷鏈接、熱鏈接、溫鏈接，并且該通信程序也提供：客戶、服務(wù)器、監(jiān)視器以及服務(wù)器4種工作模式，F(xiàn)IX當(dāng)中集成了DDEClient模塊，用于在FIX數(shù)據(jù)庫和DDE通信程序之間交換歷史數(shù)據(jù)，而DDEServer模塊能夠進行圖形界面和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫之間交換數(shù)據(jù)[12]。針對系統(tǒng)的需要，將人溫度、潮流等模擬量顯示在機界面，壓板、軟光字牌等開關(guān)輸入量在必要時也許體現(xiàn)，因此在進行系統(tǒng)DDE通信程序開發(fā)，就引入DDE客戶/服務(wù)器模式，它能夠發(fā)出請求的同時提供信息，并采用熱鏈接方式給FIX數(shù)據(jù)庫提供動態(tài)數(shù)據(jù)，完成監(jiān)控畫面的顯示[13]。

內(nèi)存的共享和本地通信直接通過DDE接口進行數(shù)據(jù)的通信。

4 實驗測試和結(jié)果分析

系統(tǒng)的測試是隨著設(shè)計一起進行不斷的修正的，首選需要對各個模塊進行測試，然后再進行系統(tǒng)的整體的測試，主要側(cè)重于系統(tǒng)功能以及性能方面的測試[14]。在變電站SCADA系統(tǒng)當(dāng)中的很多的性能指標(biāo)都是有時間的限制要求的，可以利用精度微秒級的10 ms的GetTickCount函數(shù)來準(zhǔn)確將測試代碼的執(zhí)行時間記錄下來。

本地通信進程基于服務(wù)器當(dāng)中的數(shù)據(jù)庫來完成數(shù)據(jù)的交換，從而能夠?qū)崿F(xiàn)仿真系統(tǒng)和子系統(tǒng)協(xié)調(diào)的實時的仿真功能。仿真如下圖，從圖4中可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)項在低于20 000的時候，客戶端和服務(wù)器之間通信時間低于1.6 s，能夠滿足實際的工程需求。

圖4 仿真驗證結(jié)果

測試還將數(shù)據(jù)查詢、修改以及插入作為性能指標(biāo)，對20 000個數(shù)據(jù)點進行采樣，記錄了這些數(shù)據(jù)點的平均的耗時和CPU的占有率，經(jīng)過詳細(xì)的測試，測試結(jié)果如下：

表1 實時數(shù)據(jù)性能指標(biāo)測試

5 結(jié) 論

基于組態(tài)軟件FIX的SCADA系統(tǒng)作為仿真系統(tǒng)的重要的組成部分，能夠最大限度的保證實時數(shù)據(jù)通信的實時可靠，本文提出在數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)通信之間的兩級通信的方案，即采用同步鎖、共享內(nèi)存以及消息通信機制的方案來完成服務(wù)器和本地終端的數(shù)據(jù)的通信[15]。FIX提供的DDEServer和DDEClient接口，采用這兩種模式完成本地通信進程和SCADA監(jiān)控畫面實現(xiàn)交互通信，從而能夠保證整個通信系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

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Data communication of substation SCADA simulation system based on FIX32

TANG Xue
（The Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Huhhot 010000，China）

The substation SCADA simulation system for the industrial configuration software FIX32 is used as a development platform，in order to realize the student SCADA system，between the substation simulation system data communication.On the one hand，in order to meet the requirements of bandwidth and speed and the exchange of data between the server and terminal，the 100M Ethernet，a synchronization lock and memory sharing mechanism are used to ensure stable and reliable system operation.On the other hand，based on the industrial configuration software Server DDE and Client interface，the Server/Client mode DDE communication program are formed to achieve the communication between the monitor screen and the data of the local communication process.The test results show that the system communication time is short and the server share is low，which meets the requirements of the substation system

substation；memory sharing；SCADA

TN0

A

1674－6236（2017）07-0092-03

2016-03-31稿件編號：201603417

湯 雪（1981—），男，江蘇江陰人，碩士，中級工程師。研究主向：管理科學(xué)與工程。