智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

蘇陸軍等

摘 要：本文結(jié)合智能變電站技術(shù)規(guī)范對(duì)輔助監(jiān)控系統(tǒng)的要求，進(jìn)行了智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)一體化功能設(shè)計(jì)和監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，定義了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)網(wǎng)省級(jí)主站軟件、站級(jí)主站軟件、信息交互機(jī)制、數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，本軟件已在多個(gè)實(shí)際的變電站監(jiān)控系統(tǒng)工程中得到成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)；跨平臺(tái)；消息交互機(jī)制；數(shù)據(jù)模型

中圖分類號(hào)：TP319；TM769 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper gives the integrated function design and software design of auxiliary SCADA system used in smart substation combined with the technical specification of auxiliary SCADA for smart substation，defines the system structure，and also focus on the design of province level SCADA software，substation level SCADA software，mechanism of information exchange，data model etc，related technical details is discussed，the software has been successfully applied in several smart substation SCADA projects.

Keywords：auxiliary SCADA system in smart substation；software design；cross different OS platform；mechanism of message

exchange；data model

1 引言（Introduction）

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)配置監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），實(shí)現(xiàn)了全站“四遙”及繼電保護(hù)信息的監(jiān)視與控制、信息遠(yuǎn)傳，為保障變電站的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用[1]。除此之外，在變電站還部署視頻監(jiān)控系統(tǒng)、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防系統(tǒng)等輔助生產(chǎn)系統(tǒng)[2-4]，目前這些系統(tǒng)依然是各自獨(dú)立、分散的小型自動(dòng)化裝置，未實(shí)現(xiàn)多維度變電站運(yùn)行及監(jiān)測(cè)信息的智能集成應(yīng)用，這些零散的信息往往需要耗費(fèi)變電站運(yùn)行值班人員更多的精力來(lái)關(guān)注、理解和處理，導(dǎo)致這些孤立的小系統(tǒng)普遍存在實(shí)用化程度不高的問題。隨著智能變電站技術(shù)不斷發(fā)展，信息集成度及智能綜合應(yīng)用要求逐步提高，為適應(yīng)“遠(yuǎn)程、無(wú)人值班”的變電站智能運(yùn)維管理需求，有必要整合變電站現(xiàn)有的分散安裝配置的輔助生產(chǎn)小系統(tǒng)，構(gòu)建統(tǒng)一的智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)。國(guó)家電網(wǎng)公司頒布了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范[5，6]，明確要求在智能變電站新建和改造站建設(shè)中擯棄原有的分散建設(shè)模式，采用統(tǒng)一的智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)模式，該系統(tǒng)和變電站原有的SCADA系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)變電站信息的全息監(jiān)控。

本文將在分析智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能變電站相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，本著“數(shù)據(jù)集成、智能分析、綜合決策、可視操控”的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)一體化功能設(shè)計(jì)和監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

2 功能設(shè)計(jì)（Function design）

智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)主要完成：視頻監(jiān)控、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控、安全防衛(wèi)、智能門禁、火災(zāi)報(bào)警及消防等功能，通過(guò)對(duì)這些變電站輔助功能的整合、優(yōu)化及管理，運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警、聯(lián)動(dòng)控制等技術(shù)手段，和變電站SCADA系統(tǒng)協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)智能變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)上述綜合型智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)功能，需要進(jìn)行下列集成方式功能設(shè)計(jì)。

（1）全景信息收集與建模

高度集成變電站內(nèi)所有輔助生產(chǎn)小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站多方位、全天候的狀態(tài)監(jiān)視。通過(guò)對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行統(tǒng)一建模、提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，為輔助生產(chǎn)設(shè)備及變電站運(yùn)行環(huán)境提供完備的全景信息庫(kù)。

（2）全景數(shù)據(jù)共享、集中管理、統(tǒng)一處理

對(duì)變電站的所有視頻、環(huán)境、安防、人員出入、火災(zāi)報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)、操作記錄等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理，并自動(dòng)分析處理，生成日志、曲線、報(bào)表等，所有信息在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行一體化綜合展示，并可遠(yuǎn)傳到監(jiān)控中心或運(yùn)維中心。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)視

遠(yuǎn)程監(jiān)視功能以攝像機(jī)的遠(yuǎn)程輪巡監(jiān)看方式來(lái)代替人員的日?，F(xiàn)場(chǎng)巡視。在監(jiān)視設(shè)備外觀的同時(shí)，該設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、周圍環(huán)境信息可自動(dòng)跟蹤顯示，并自動(dòng)生成日常巡視表，注明巡視的變電站、巡視時(shí)間、巡視人員等相關(guān)信息。

（4）遠(yuǎn)程控制

監(jiān)控人員在遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心通過(guò)客戶端或?yàn)g覽器可對(duì)變電站的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，可遠(yuǎn)程啟動(dòng)或關(guān)閉空調(diào)、風(fēng)機(jī)、排水系統(tǒng)、燈具、攝像機(jī)等設(shè)備。

（5）智能分析及聯(lián)動(dòng)調(diào)控

變電站智能輔助控制系統(tǒng)以“智能調(diào)控”為核心，對(duì)影響變電站運(yùn)行的因素進(jìn)行全方位、多手段的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)數(shù)據(jù)共享和智能分析，自動(dòng)判斷出各類異常情況，并可靈活實(shí)現(xiàn)各輔助生產(chǎn)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，消除異常情況造成的影響。智能輔助控制系統(tǒng)可以和變電站SCADA系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方式的信息交互，為變電站智能運(yùn)行調(diào)度提供保障。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（System architecture）

智能變電站輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層、分區(qū)的分布式結(jié)構(gòu)，按省級(jí)主站系統(tǒng)、地區(qū)級(jí)主站系統(tǒng)和站端系統(tǒng)三級(jí)構(gòu)建，各級(jí)系統(tǒng)間的信息傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)方式。地區(qū)級(jí)主站集中管理所轄地區(qū)的所有變電站的輔助監(jiān)控信息，同時(shí)與省級(jí)主站進(jìn)行信息交互；在省級(jí)主站可以集中查看、管理全省所有變電站的運(yùn)行狀況。網(wǎng)省級(jí)主站系統(tǒng)安裝部署于省電力公司監(jiān)控運(yùn)維中心，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。endprint

安裝部署于變電站內(nèi)的站端系統(tǒng)主要由系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)、傳輸設(shè)備、綜合數(shù)據(jù)接入設(shè)備、各類輔助生產(chǎn)系統(tǒng)電子設(shè)備組成，如圖2所示。

變電站智能輔助控制系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)采用X86架構(gòu)的嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，Linux操作系統(tǒng)。通過(guò)安裝在主機(jī)上的監(jiān)控服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)輔助控制系統(tǒng)的所有功能；綜合數(shù)據(jù)接入設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。該裝置提供多路RS485接口、4-20mA電流環(huán)接口、開關(guān)量輸入輸出接口、以太網(wǎng)通信接口，在完成數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，將各類信息轉(zhuǎn)換為IEC 61850協(xié)議。整個(gè)系統(tǒng)以后臺(tái)主機(jī)為核心，完成對(duì)各類系統(tǒng)的高度整合。在維持現(xiàn)有各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行和自動(dòng)閉環(huán)控制的前提下，后臺(tái)主機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61850協(xié)議和各子系統(tǒng)保持通信，通過(guò)與各子系統(tǒng)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)視頻及其它其他各種生產(chǎn)信息的采集、處理、監(jiān)控。

4 軟件設(shè)計(jì)（Software design）

4.1 網(wǎng)省端主站軟件

網(wǎng)省級(jí)主站軟件系統(tǒng)采用層次化、模塊化的結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方面，采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，提供大容量、高效率數(shù)據(jù)吞吐訪問；在高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問方面，采用可適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的流媒體轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，并靈活支持單播、廣播、組播等方式；在客戶端交互方面，采用電子地圖技術(shù)，方便使用者監(jiān)視及操控；在數(shù)據(jù)接口方面，提供C/S、B/S訪問方式，實(shí)現(xiàn)不同廠家的前端系統(tǒng)與其它其他系統(tǒng)的信息交互。

4.2 站端軟件

站端監(jiān)控軟件系統(tǒng)包括前端系統(tǒng)和后端系統(tǒng)兩部分組成，兩者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式可集中或者分散兩種方式靈活部署，前端客戶端系統(tǒng)與后端服務(wù)系統(tǒng)采用松耦合架構(gòu)設(shè)計(jì)，信息交互采用面向服務(wù)方式，如圖3所示。

前端客戶端軟件完成系統(tǒng)配置、設(shè)備控制、實(shí)時(shí)查看、歷史瀏覽等用戶界面交互功能。前端系統(tǒng)既可以安裝在輔控主機(jī)內(nèi)，也可以安裝在其他的PC上。

后端服務(wù)軟件完成與外圍設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、日志記錄與客戶端通信等核心功能；服務(wù)端軟件安裝于輔控主機(jī)內(nèi)，主機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行。

客戶端與服務(wù)端可以完全分開單獨(dú)安裝在獨(dú)立的機(jī)器上運(yùn)行，一個(gè)服務(wù)端可以被多個(gè)客戶端連接，一個(gè)客戶端也可以分別與不同的服務(wù)端連接。

后端軟件以服務(wù)的形式向前端軟件提供調(diào)用接口，通信過(guò)程采用IEC 61850信息模型進(jìn)行數(shù)據(jù)映射。

4.3 信息交互機(jī)制

本軟件系統(tǒng)的不同模塊間的信息交互采用了分布式的訂閱/發(fā)布機(jī)制，各軟件模塊通過(guò)公用信息總線進(jìn)行信息交換，數(shù)據(jù)交換格式為XML格式，對(duì)敏感數(shù)據(jù)的交換，采用SSL技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。

系統(tǒng)信息總線提供三大類數(shù)據(jù)訪問服務(wù)：數(shù)據(jù)獲?。℅ET）服務(wù)、數(shù)據(jù)推入（PUT）服務(wù)、消息（EVENT）總線服務(wù)。

（1）數(shù)據(jù)查詢服務(wù)：可以對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，也支持設(shè)備配置信息的查詢。

（2）數(shù)據(jù)推入服務(wù)：可以完成設(shè)備配置更新、修改服務(wù)，也可完成設(shè)備反向控制功能。

（3）消息總線服務(wù)：可以完成報(bào)警信息的分級(jí)訂閱，信息實(shí)時(shí)發(fā)布功能。

4.4 數(shù)據(jù)模型

變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)涉及到若干不同廠家的IED設(shè)備，為了便于適配接入各類設(shè)備和各廠家的設(shè)備，本系統(tǒng)抽象了通用設(shè)備模型：任何一個(gè)設(shè)備都可以抽象成一個(gè)數(shù)值集、狀態(tài)集、動(dòng)作集、表現(xiàn)集。

（1）數(shù)值集是數(shù)值的集合，描述一個(gè)數(shù)值最基本的包含數(shù)值類型、單位、范圍等。類似模擬量定義。一個(gè)數(shù)值集可包括數(shù)值子集來(lái)代表各個(gè)通道的數(shù)值。

（2）狀態(tài)集是狀態(tài)的集合，描述一個(gè)狀態(tài)最基本的包含狀態(tài)值、含義、文本描述。一個(gè)狀態(tài)集可包括狀態(tài)子集來(lái)代表各個(gè)通道的狀態(tài)。

（3）動(dòng)作集是動(dòng)作的集合，描述一個(gè)動(dòng)作最基本的包含動(dòng)作值、含義、文本描述。一個(gè)動(dòng)作集可包括動(dòng)作子集來(lái)代表各個(gè)通道的動(dòng)作。

（4）表現(xiàn)集是呈現(xiàn)方式的集合，描述一個(gè)呈現(xiàn)方式最基本的包含圖標(biāo)、圖標(biāo)與狀態(tài)動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

一個(gè)設(shè)備的配置、控制、展現(xiàn)基本過(guò)程為：通過(guò)客戶端界面配置設(shè)備屬性，形成通用設(shè)備描述文件；服務(wù)端根據(jù)配置動(dòng)態(tài)創(chuàng)建設(shè)備模型，保存到配置數(shù)據(jù)庫(kù)中；服務(wù)端再根據(jù)配置連接設(shè)備總線、實(shí)時(shí)采集或控制設(shè)備、存儲(chǔ)數(shù)值集合內(nèi)容到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；服務(wù)端更新設(shè)備狀態(tài)；客戶端根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和表現(xiàn)集更新設(shè)備顯示狀態(tài)。

4.5 開發(fā)語(yǔ)言

考慮到變電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的操作系統(tǒng)可能是Windows、Linux、Unix等，系統(tǒng)軟件需要具備跨平臺(tái)技術(shù)特性，為實(shí)現(xiàn)跨異構(gòu)平臺(tái)的無(wú)縫可移植運(yùn)行，軟件開發(fā)采用了QT和C/C++語(yǔ)言

客戶端軟件采用QT語(yǔ)言[7，8]開發(fā)，既可以保證軟件跨平臺(tái)運(yùn)行又能保證軟件運(yùn)行實(shí)時(shí)高效。由于采用了面向服務(wù)的架構(gòu)，客戶端還支持采用Web語(yǔ)言開發(fā)，如JavaScript和HTML5來(lái)實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)端軟件采用符合POSIX規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)C/C++語(yǔ)言開發(fā)。按照業(yè)務(wù)模型，采用了分層分模塊設(shè)計(jì)思路，每個(gè)模塊由獨(dú)立的服務(wù)進(jìn)程完成。

4.6 界面設(shè)計(jì)

智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)軟件的界面風(fēng)格采用了變電站SCADA系統(tǒng)的相似風(fēng)格，如界面功能區(qū)布局、色調(diào)搭配、告警信息產(chǎn)生及確認(rèn)方式等，這樣可以便于兩套系統(tǒng)的無(wú)縫集成應(yīng)用，也降低了本軟件系統(tǒng)的應(yīng)用難度，軟件主界面如圖4所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文結(jié)合現(xiàn)階段智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)了變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，高度整合變電站所有輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)，除了強(qiáng)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息共享和信息互動(dòng)之外，還在多個(gè)維度與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息整合，縱向與網(wǎng)省級(jí)主站的信息交互，橫向與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）的信息交互、信息互動(dòng)，滿足智能變電站技術(shù)發(fā)展對(duì)輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求，本軟件系統(tǒng)已在河南電網(wǎng)多個(gè)智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，有效提升了智能變電站的技術(shù)及運(yùn)維管理水平。

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作者簡(jiǎn)介：

蘇陸軍（1980-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)自動(dòng)化.

魏 勇（1973-），男，碩士，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)自動(dòng)化.

楊東海（1973-），男，本科，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)自動(dòng)化.

褚瓊楠（1984-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)自動(dòng)化.

王藝智（1973-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)自動(dòng)化.endprint