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)有限責任公司,北京 100192;2. 大同電力高級技工學校,山西大同 037039;
3. 國網(wǎng)技術(shù)學院,山東 濟南 250002)
隨著國家電網(wǎng)建設日益加快,目前我國電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)初步實現(xiàn)了自動化。調(diào)度自動化系統(tǒng)對電網(wǎng)運行的安全性及經(jīng)濟性等方面都提供了強有力的保障。由此而來的對調(diào)度自動化運行維護人員的培訓需求也日益迫切。
目前已有的調(diào)度自動化仿真培訓系統(tǒng)往往是通過計算機模擬實際電力系統(tǒng)的運行特性,并提供模擬的調(diào)度自動化主站系統(tǒng)來培訓運行操作人員[5]。然而當學員適應了模擬主站界面之后,投入到實際的生產(chǎn)工作中,仍然需要重新投入大量時間與精力來熟悉現(xiàn)場應用的真實調(diào)度自動化主站系統(tǒng)操作。因此,一種采用計算仿真技術(shù)來模擬電網(wǎng)運行,結(jié)合真實調(diào)度自動化主站系統(tǒng)的混合仿真培訓系統(tǒng)需求應運而生。
在這樣一套混合仿真系統(tǒng)中,電網(wǎng)仿真運行計算部分與真實調(diào)度自動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標準規(guī)約的調(diào)度自動化混合仿真培訓系統(tǒng)的廠站遠動終端解決方案,并結(jié)合實際工程應用進行了測試。
調(diào)度自動化混合仿真培訓系統(tǒng)主要由核心電網(wǎng)仿真模塊、通信模塊、真實主站系統(tǒng)3部分組成。廠站運動終端模擬主要指通信模塊,采用IEC104通信規(guī)約[1-2]進行功能開發(fā)設計。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),二者采用一個網(wǎng)口建立物理鏈接。
電網(wǎng)仿真系統(tǒng)對實時性要求較高,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種方式進行進程間的數(shù)據(jù)交換。
目前市面上實時性較高的數(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,其價格昂貴,并不適用于本培訓系統(tǒng)設計。經(jīng)過筆者試用測試網(wǎng)上開源的SQLite等數(shù)據(jù)庫也無法滿足設計需求。因此,在本設計中,選擇通過帶標識的共享內(nèi)存隊列的方式來實現(xiàn)通信與仿真2個模塊之間的數(shù)據(jù)交互。
通信模塊主要負責循環(huán)監(jiān)視上行隊列、下行隊列,并將取得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應的仿真模塊以及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)實際運行過程中,仿真系統(tǒng)需要往調(diào)度主站上送實時的遙測、遙信、遙控返回信息、變位遙測、變位遙信、對時以及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,設計數(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
在調(diào)度自動化仿真系統(tǒng)中,往往需要仿真計算整個地區(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)十乃至上百個廠站的RTU設備,同時與一個或多個調(diào)度主站進行通信。因此,若直接采用變電站中的104通信方式,每個廠站或RTU設備都設置一個進程與主站通信,對硬件處理能力的需求將會大大提高,從而增加系統(tǒng)成本。
本設計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,每一個線程模擬一個廠站或者RTU設備與主站通信。為區(qū)分不同廠站及RTU設備,線程之間使用端口號作為識別。端口設置與廠站點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)定了和連接有關的4個超時時間,分別是T0(TCP連接超時);T1(從站(RTU)端啟動U格式測試過程后等待應答超時);T2(從站(RTU)端上送變化信息或總召喚結(jié)束報文后,等待主站端返回S格式報文的超時);T3(從站(RTU)端與主站之間沒有實際的數(shù)據(jù)交換時候,任何一端啟動U格式測試過程的最大間隔時間)。
在仿真系統(tǒng)運行過程中,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,在超時處理方面,加入斷線重連機制,以應對T0的處理;而在通信過程中,從站(RTU)不判定報文的應答,以提高程序處理的效率,減輕多線程處理過程中的系統(tǒng)負擔。因此,只需要考慮對T3超時的處理,即在T3時間內(nèi)未接受到主站任何報文,從站(RTU)端主動上送U格式測試幀報文,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
程序啟動時,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,并讀取該端口對應廠站的電表信息。然后進行通信鏈路初始化,監(jiān)聽主站的TCP連接請求,隨時響應通信主站的TCP連接請求。當建立網(wǎng)絡連接之后開始接受并應答主站的StartDT請求,開始網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信。緊接著接收并響應總召喚令,報告全數(shù)據(jù)。隨后進入正常通信過程,報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。
本設計方案采用IEC104協(xié)議,完成電網(wǎng)仿真系統(tǒng)與真實調(diào)度自動化主站之間的通信工作,需要通過測試和驗證。筆者采用了國內(nèi)權(quán)威廠家生產(chǎn)的調(diào)度自動化主站系統(tǒng),對根據(jù)本文方案編制的通信程序進行了系統(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、開關遙控時間以及變化遙測/變位遙信刷新等。
修改配置文件中廠站個數(shù),啟動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)果及連接時間。
在不同廠站個數(shù)的情況下,增加各廠站遙測/遙信點數(shù),啟動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。
在不同廠站個數(shù)的情況下,啟動通信程序與主站建立連接,隨機選擇開關進行遙控操作,以每次20個遙控操作為單位,分別測試3次。記錄各廠站開關遙控執(zhí)行情況以及平均返回時間。
在不同廠站個數(shù)的情況下,啟動通信程序與主站建立連接,隨機選擇開關進行遙控操作。記錄各廠站平均遙信變位界面刷新時間以及相對應平均變化遙測值刷新時間。
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際應用中能夠充分滿足調(diào)度自動化混合仿真系統(tǒng)需求。
表3 通道連接測試Tab. 3 The test of the channel link
本文提出了一種應用于調(diào)度自動化混合仿真培訓系統(tǒng)的廠站終端模擬設計方案。應用最廣泛的IEC104規(guī)約,提出了一種兼具可靠性、高效性及實用性的培訓系統(tǒng)解決方案:以現(xiàn)有采用共享內(nèi)存方式實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與通信之間的信息流交互;利用多線程機制實現(xiàn)多個廠站遠動終端模擬與調(diào)度主站通信;利用端口識別廠站方式;實現(xiàn)單一網(wǎng)口與主站建立物理鏈接。該設計方案實現(xiàn)了電網(wǎng)仿真系統(tǒng)與真實調(diào)度自動化主站的有機無縫連接,滿足調(diào)度自動化專業(yè)人員的培訓需求。
表4 對點測試Tab. 4 The test of the point-check
表5 遙控時間測試Tab. 5 The test of the remote control time
表6 變化量刷新時間測試Tab. 6 The test of the refresh time for the changed value
目前,應用該設計的調(diào)度自動化混合仿真培訓系統(tǒng)已經(jīng)在山西省電力公司大同電力學校投入使用,運行狀態(tài)良好。該系統(tǒng)為全省調(diào)度自動化運維人員提供了培訓平臺。
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