動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)構(gòu)建及其通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

葉鍵民，何光宇，梅生偉，于 浩，劉 煒，孫振權(quán)

(1．清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100084; 2．陜西省地方電力(集團)有限公司，陜西 西安710061)

動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)構(gòu)建及其通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

葉鍵民1，何光宇1，梅生偉1，于 浩1，劉 煒2，孫振權(quán)2

(1．清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100084; 2．陜西省地方電力(集團)有限公司，陜西 西安710061)

智能配電網(wǎng)的建設(shè)，緊緊依賴于可靠的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的建立。在智能配電網(wǎng)的環(huán)境下，主站與子站間數(shù)據(jù)通信大幅增加，同時要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供全面、實時的動態(tài)數(shù)據(jù)，而目前SCADA系統(tǒng)及PMU均無法滿足此需求，為此提出一種將SCADA系統(tǒng)升級為動態(tài)SCADA的方法:通過引入新型采集終端動態(tài)RTU，從硬件和軟件兩個層面對SCADA系統(tǒng)進行改造，使其滿足智能配電網(wǎng)動態(tài)信息采集的需求。在此基礎(chǔ)上，搭建動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)，詳細研究其通信實現(xiàn)中存在的通信阻塞問題，提出非阻塞式IEC 104規(guī)約實現(xiàn)方法。最后在所搭建的動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)中，對此方法進行壓力測試，結(jié)果表明，該方法能夠顯著提高動態(tài)SCADA系統(tǒng)通信的可靠性。

智能配電網(wǎng);動態(tài)SCADA;IEC 104規(guī)約;非阻塞式通信

0 引言

智能電網(wǎng)的發(fā)展，要求電網(wǎng)必須實時掌控自身運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患和故障［1］，這對電力系統(tǒng)動態(tài)信息測量的實時性提出了更高要求［2，3］。同時，在智能配電網(wǎng)的建設(shè)中，需要大量接入分布式能源并形成微網(wǎng)［4，5］。此種情況下，不僅要求配電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)能夠快速地采集全網(wǎng)量測點的數(shù)據(jù)，也要求其通信系統(tǒng)具備處理大量高速數(shù)據(jù)的能力。目前SCADA及PMU均難以滿足智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集需求［6］。文獻［1］指出，為實現(xiàn)更快速有效的分析、決策、保護及控制，需將 SCADA系統(tǒng)升級為動態(tài)SCADA系統(tǒng)。

基于此，本文提出一種基于新型采集終端動態(tài)RTU的動態(tài)SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)方法，可從硬件和軟件兩個層面對 SCADA系統(tǒng)進行改造，使其滿足智能配電網(wǎng)動態(tài)信息采集的需求。并循此思路，在實驗室搭建了動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用動態(tài)RTU這一新型測量單元，所采集的數(shù)據(jù)帶有時標，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新周期可以提高至0.2s。

在此工作的基礎(chǔ)上，論文側(cè)重研究了動態(tài)SCADA構(gòu)建中關(guān)鍵技術(shù)難題——海量數(shù)據(jù)的實時通信問題。傳統(tǒng)通信規(guī)約實現(xiàn)均采用阻塞式通信方法，在多連接、大數(shù)據(jù)量的高速通信環(huán)境中，此方法易導(dǎo)致數(shù)據(jù)阻塞或丟失，甚至影響系統(tǒng)的正常運行。為解決此問題，本文基于 JAVA技術(shù)中的 Netty框架，提出一種非阻塞式的 IEC 104規(guī)約實現(xiàn)方法，并將其嵌入動態(tài) SCADA原型系統(tǒng)。經(jīng)測試，此方法能有效地提高通信性能，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行。

1 動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)設(shè)計

1.1 問題的提出

智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)概念在配網(wǎng)領(lǐng)域的延伸，歐洲和北美的智能電網(wǎng)建設(shè)主要也側(cè)重于智能配電網(wǎng)的建設(shè)。大量的分布式新能源和動態(tài)元件的接入，是智能配電網(wǎng)的顯著特征［7，8］，這也給配電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)提出了更大的挑戰(zhàn)。本節(jié)通過結(jié)合智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的特點和實際需求，簡要論證建立動態(tài)SCADA系統(tǒng)的必要性。

智能配電網(wǎng)要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須實現(xiàn)電網(wǎng)動態(tài)的實時和全面的采集。另外，隨著新能源在配網(wǎng)層面的接入，智能配網(wǎng)的動態(tài)元件和通信終端節(jié)點數(shù)量也將大大增加［9，10］。

而目前SCADA系統(tǒng)由于采集速度慢，不帶同步時標，無法滿足動態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集要求;而在節(jié)點數(shù)量較大的配網(wǎng)中，PMU由于價格高昂而難以全面布點。因此，SCADA與PMU二者均難以滿足智能電網(wǎng)的實際測量需求。為此，設(shè)計了DRTU(動態(tài)RTU)這一新型的動態(tài)測量單元，以及DSCADA(動態(tài)SCADA)系統(tǒng)，并在實驗室中構(gòu)建了動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)。下面分別在1.2～1.4節(jié)予以介紹。

1.2 DRTU與DSCADA簡介

DRTU數(shù)據(jù)采集速度介于RTU和PMU之間。為降低改造成本，最大程度降低額外投資，DRTU可從既有RTU設(shè)備改造而來，即采用既有RTU的硬件結(jié)構(gòu)，但提高其采樣頻率，并添加數(shù)據(jù)時標。

為滿足智能配電網(wǎng)對動態(tài)信息采集需求，本文所設(shè)計的 DRTU采集速度為0.2s，具備數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，能夠就地維護測量單元的數(shù)據(jù)，并與主站進行高效數(shù)據(jù)交換;另外，DRTU增加了GPS模塊，采用同步時鐘技術(shù)，為量測數(shù)據(jù)提供全網(wǎng)統(tǒng)一的時標信息?；诖?，DRTU將采用帶時標的 IEC 104規(guī)約與系統(tǒng)前置服務(wù)器進行通信。

DRTU為系統(tǒng)提供了高速、帶時標數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對SCADA系統(tǒng)通信規(guī)約、數(shù)據(jù)庫及高級應(yīng)用進行改造，則可將其升級為DSCADA系統(tǒng)。具體包括:在通信規(guī)約中加入時標，并考慮其通信性能，優(yōu)化實現(xiàn)方式;采用時間序列數(shù)據(jù)庫;開發(fā)相應(yīng)的高級應(yīng)用程序。

1.3 DSCADA原型系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)1.2節(jié)所述的DSCADA設(shè)計原理，結(jié)合所研制的DRTU，在實驗室搭建了一個DSCADA原型系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，原型系統(tǒng)采用簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并未配置雙通道冗余。由DRTU進行數(shù)據(jù)采集，其數(shù)據(jù)經(jīng)過IEC 104規(guī)約上傳到子站前置服務(wù)器中。為模擬測量節(jié)點較多的情形，用一臺服務(wù)器模擬多子站連接，發(fā)送與DRTU形式相同的數(shù)據(jù)，并通過IEC 104規(guī)約上傳。子站與主站間也通過 IEC 104規(guī)約通信。主站前置對數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并提供給高級應(yīng)用。

1.4 DSCADA應(yīng)用前景分析

在智能配網(wǎng)的建設(shè)中，由于配電網(wǎng)點多面廣，改造難度大，因此在配電網(wǎng)的智能化建設(shè)中，需要充分利用已有的變電站和設(shè)備資源，以較低的改造成本和工作量，換取更高的收益。而DSCADA系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，且改造成本低，工作量小，故在智能配網(wǎng)建設(shè)方面將具有良好的前景。

值得注意的是，配電網(wǎng)覆蓋范圍大，面對情況復(fù)雜多變，而其自動化系統(tǒng)工作環(huán)境又相對較差。因此，DSCADA系統(tǒng)實現(xiàn)，需要因地制宜，在充分考慮配電網(wǎng)的實際情況下，力求簡單可靠:①對新建、條件較好的變電站，可以引進 GPS對時，安排足夠帶寬，保證動態(tài)測量的準確性;②對通信條件尚好、便于改造的變電站，可以基于網(wǎng)絡(luò)進行授時，一定程度上來保證動態(tài)測量的準確性;③對通信條件差、改造不易的變電站，可以不進行改造，DSCADA系統(tǒng)可兼容其數(shù)據(jù)，但會對該數(shù)據(jù)進行標記，表明其準確度相對較低。

與SCADA系統(tǒng)相比，DSCADA成功應(yīng)用于智能配網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)難題是如何實現(xiàn)海量實時數(shù)據(jù)的高速、可靠通信。下面予以介紹。

圖1 動態(tài)SCADA原型系統(tǒng)Fig．1 Prototype system of dynamic SCADA

2 DSCADA通信系統(tǒng)實現(xiàn)方法

2.1 阻塞式通信實現(xiàn)方法及其局限性

DSCADA系統(tǒng)中采用IEC 104規(guī)約通信。IEC 104規(guī)約采用平衡傳輸方式，并依據(jù)TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，具有面向應(yīng)用層、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點［11］。

IEC 104規(guī)約目前主要采用阻塞式實現(xiàn)方法:阻塞式通信中，采用多線程來管理連接，在未接收到數(shù)據(jù)時，相應(yīng)的線程將被阻塞，而不能采取其他動作。

對于IEC 104規(guī)約，若采用阻塞式通信，則主站需要對每一個子站連接線程進行定期的查詢，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)上傳時，將線程掛起，轉(zhuǎn)而查詢其他線程。顯見，阻塞式的通信方式效率較低，而且在 DSCADA系統(tǒng)中，子站數(shù)量較多、數(shù)據(jù)量較大，大量線程的創(chuàng)建、銷毀以及切換可能會占用大量的CPU和內(nèi)存資源，從而導(dǎo)致程序效率較低。此外，當(dāng)通信速度較快時，大量的切換線程操作，也會造成數(shù)據(jù)的丟失或者是延遲［12］。

本文將在第3節(jié)中給出阻塞式通信實現(xiàn)方法測試結(jié)果，結(jié)果表明，阻塞式通信的確具有較高的數(shù)據(jù)丟失或錯誤率，降低了系統(tǒng)的可靠性?？紤]到改造成本，DSCADA系統(tǒng)并不新建通信網(wǎng)絡(luò)硬件。在智能配網(wǎng)的高速、多連接的環(huán)境下，提高通信規(guī)約的軟件實現(xiàn)效率尤為重要。因此，DSCADA系統(tǒng)應(yīng)選用更可靠的通信實現(xiàn)方法。

2.2 非阻塞式通信及IEC 104規(guī)約實現(xiàn)方法

非阻塞式通信摒棄了阻塞線程，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，就進行相應(yīng)處理，而未接收到數(shù)據(jù)時，則轉(zhuǎn)而進行其他操作。該技術(shù)利用查詢連接狀態(tài)的做法，并通過引入線程池與Reactor(反應(yīng)器)，以解決多連接的協(xié)調(diào)問題。非阻塞式框架能夠有效處理多連接任務(wù)下的通信，防止通信擁堵，這在網(wǎng)絡(luò)通信中已經(jīng)得到了較好的驗證［13］。

非阻塞式任務(wù)管理框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，僅當(dāng)某連接接收到數(shù)據(jù)時，Reactor才調(diào)用該連接所對應(yīng)的方法，進行讀取、解析等。如此各個 IO響應(yīng)均由Reactor統(tǒng)一管理和調(diào)度，而只有實際 IO動作發(fā)生時才會調(diào)用其處理方法，實現(xiàn)非阻塞通信。

非阻塞式通信的理念，非常適用于DSCADA系統(tǒng)的通信。在智能配電網(wǎng)中，DSCADA系統(tǒng)主站將與大量的子站進行連接和104規(guī)約通信，實際工程環(huán)境中，傳輸過程存在許多延時，各子站上傳的數(shù)據(jù)實際上是隨機地到達主站。因此，如何在主站端口高效率地處理這大量的數(shù)據(jù)，是提高程序效率的關(guān)鍵。非阻塞式104規(guī)約的最大優(yōu)勢也在于此:非阻塞式通信不采用輪詢方式，而采用事件驅(qū)動進行響應(yīng)。在這種流程下，程序執(zhí)行效率能夠顯著提高，通信的實時性和完整性可得到更好的保證。特別在子站數(shù)目較多、數(shù)據(jù)通信量較大時，能夠顯著提高DSCADA通信中處理數(shù)據(jù)的能力。

圖2 非阻塞式任務(wù)管理框架Fig．2 Task distribution of non-blocking communication

現(xiàn)有技術(shù)提供了非阻塞式通信的具體實現(xiàn)框架［13］，Netty是其中應(yīng)用效果較好的技術(shù)之一，但目前基本只應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)編程中，本文將利用此框架，提出一種電力 IEC 104規(guī)約的非阻塞式通信實現(xiàn)方法。

利用Netty框架，對104規(guī)約進行編碼實現(xiàn)，其典型通信過程如下:

(1)服務(wù)端初始化

該步工作包括:①在服務(wù)端創(chuàng)建連接通道池，用于存儲和管理與主站連接的多個通道。若有多個子站與主站連接，則自動將其都添加到連接通道池中，以進行調(diào)度和管理;② 創(chuàng)建線程池，為連接通道池里存儲的每個連接通道都分配一個線程;③ 創(chuàng)建線程管理器，線程池中的線程的調(diào)度和管理均由其負責(zé)，相當(dāng)于前述的Reactor。

(2)服務(wù)端處理器初始化

為每個連接創(chuàng)建管道(Pipeline)對象，并在管道中創(chuàng)建處理器(Handler)，負責(zé)對監(jiān)聽到的相應(yīng)端口的IO事件做出響應(yīng)。Netty框架中提供Handler的多個接口，以便對端口的多種 IO事件做出相應(yīng)處理。

(3)104規(guī)約通信流程具體實現(xiàn)

基于104規(guī)約的應(yīng)答式特性，使用Netty的處理器中的兩個功能接口:通道連接監(jiān)聽方法(Channel Connected)及數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽方法(Message Received)。利用這兩個接口可以實現(xiàn) 104規(guī)約召喚及應(yīng)答功能。再通過定時器，改變主站發(fā)送狀態(tài)，主站通過不斷查詢發(fā)送狀態(tài)，可以實現(xiàn)不同的召喚(總召喚、對時、站召喚、遙控、遙調(diào))的發(fā)送。

總體通信流程如圖3所示，初始化后，當(dāng)需與子站連接時，由通道連接監(jiān)聽方法進行處理，判斷當(dāng)前發(fā)送狀態(tài)，并發(fā)送握手信號;而當(dāng)主站端接收到數(shù)據(jù)時，則由數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽方法做出響應(yīng)，判斷數(shù)據(jù)幀類型:① 若為U幀，則分別判斷是啟動、停止和測試幀，并做出相應(yīng)回應(yīng);② 若為 I幀，則解析數(shù)據(jù)，存儲入數(shù)據(jù)庫。解析完成后，進入判斷發(fā)送狀態(tài)環(huán)節(jié)，并發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)多個子站連接時，由于有 Executor的分配和管理，處理器對象完成104規(guī)約通信流程，且端口響應(yīng)都由事件驅(qū)動，不需要輪詢各個連接端口，實現(xiàn)了非阻塞式104規(guī)約通信。

圖3 基于Netty框架的104規(guī)約程序流程Fig．3 Program procedure of 104 protocol based on Netty

除此之外，104規(guī)約規(guī)定了一些定時機制，包括主站定時總召喚和對時，并在必要時下達遙控和遙調(diào)指令;當(dāng)長時間沒有數(shù)據(jù)上傳時，發(fā)送測試幀;當(dāng)連接斷開時，程序重新啟動，重新連接。實現(xiàn)上述功能均需要添加定時器。通過事件驅(qū)動與時間驅(qū)動結(jié)合，實現(xiàn)104規(guī)約的召喚與應(yīng)答流程。

子站端框架與主站類似，這里不再贅述。

3 壓力測試結(jié)果

本節(jié)分別將IEC 104規(guī)約的阻塞式及非阻塞式實現(xiàn)方法應(yīng)用于實驗室DSCADA原型系統(tǒng)，并模擬大量子站連接、高速通信的環(huán)境，對系統(tǒng)進行了壓力測試。測試方案中，模擬數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)置子站連接數(shù)目為100個，并在子站上傳數(shù)據(jù)量較大的同時，保持0.2s的總召喚間隔。每次召喚中，各子站依次發(fā)送的數(shù)據(jù)為固定幀，主站接收到數(shù)據(jù)后，與固定幀對比，判斷是否發(fā)生錯誤;同時，主站還將立即發(fā)送確認信息，檢測子站的發(fā)送和接收計數(shù)器，計算通信中丟包率。

測試結(jié)果如表1所示，通信正確率為接收正確幀數(shù)與發(fā)送幀數(shù)的比值。可以看到，阻塞式通信正確率較低，若在實際系統(tǒng)中，連接數(shù)將更加巨大，阻塞式通信將難以承受較高的壓力。故阻塞式通信并不適用于DSCADA系統(tǒng)的通信。而基于Netty框架的非阻塞式IEC 104規(guī)約效率更高，有著更低的丟包率和誤碼率，實現(xiàn)了高可靠性，解決了 DSCADA系統(tǒng)的通信可靠性問題。

表1 兩種實現(xiàn)方式下104規(guī)約壓力測試結(jié)果Tab．1 Result of stress test under two implementation methods of 104 protocol

4 結(jié)論

在智能配電網(wǎng)發(fā)展的要求下，無論是 SCADA系統(tǒng)，還是WAMS系統(tǒng)，都將難以滿足智能配電網(wǎng)的全網(wǎng)動態(tài)信息測量需求。建設(shè)適用于智能配電網(wǎng)的DSCADA系統(tǒng)具有重要意義。本文提出了一種DSCADA實現(xiàn)方法:引入新型測量單元DRTU，該設(shè)備基于RTU改造而來，可以采集0.1s級別的、帶時標的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對SCADA通信、數(shù)據(jù)庫及高級應(yīng)用進行相應(yīng)改造，最終實現(xiàn)DSCADA系統(tǒng)。

根據(jù)所提出的DSCADA設(shè)計方法，在實驗室搭建了DSCADA原型系統(tǒng)，分析了現(xiàn)有阻塞式通信方法的局限性，提出了非阻塞式的 IEC 104規(guī)約實現(xiàn)方法。將此方法應(yīng)用于DSCADA系統(tǒng)，并進行了壓力測試，測試表明，此方法能有效提高DSCADA系統(tǒng)通信效率及可靠性。

DSCADA是智能配電網(wǎng)建設(shè)的重要工程之一，具有良好的應(yīng)用前景。本文研究了 DSCADA及通信方法的改進，提高了原型系統(tǒng)通信性能，解決了DSCADA通信所面臨的瓶頸問題。需要說明的是，DSCADA其他關(guān)鍵問題，如高速時間序列數(shù)據(jù)庫的改進，高級應(yīng)用的開發(fā)等，仍有待進一步研究。

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Dynamic SCADA prototype system construction and implementation of communication system

YE Jian-min1，HE Guang-yu1，MEI Sheng-wei1，YU Hao1，LIU Wei2，SUN Zhen-quan2
(1．State Key Laboratory of Power Systems，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China;2 Shanxi Regional Electric Power Group CO．LTD．，Xi’an 710061，China)

The development of smart distribution grid strongly depends on the establishment of reliable communication platform．Nowadays，communication between stations is increasing rapidly and real-time data of the whole network is required，which SCADA and WAMS could not provide．This paper proposed a method to upgrade SCADA into dynamic SCADA by installing a new equipment called dynamic RTU．On this basis，the paper built a prototype system and proposed an analysis of the traditional implementation of IEC104 protocol communication and pointed out its shortcoming．And implementation of the non-blocking 104 protocol communication using the non-blocking implementing method significantly improves communication performance in the dynamic SCADA．

smart distribution grid;dynamic SCADA;IEC104 protocol;non-blocking communication

TM734

:A

:1003-3076(2014)01-0016-05

2012-12-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2012AA050201);陜西地方電力智能配電網(wǎng)資助項目(20112000057)

葉鍵民(1989-)，男，廣東籍，碩士研究生，研究方向為智能配電網(wǎng)動態(tài)SCADA;梅生偉(1964-)，男，河南籍，教授/博導(dǎo)，博士，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。