基于精簡(jiǎn)TCP/IP的智能配電網(wǎng)信息平臺(tái)的研究

張曉博，馬 媛，康麗杰， 李雅麗

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院通信工程系，河北石家莊050035)

基于精簡(jiǎn)TCP/IP的智能配電網(wǎng)信息平臺(tái)的研究

張曉博，馬 媛，康麗杰， 李雅麗

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院通信工程系，河北石家莊050035)

數(shù)據(jù)的采集及有效分析是配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度管理的必要環(huán)節(jié)。為了給客戶提供優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)，就需要采用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理工作。SCADA和GIS是配電管理的兩個(gè)子系統(tǒng)。分析了兩個(gè)系統(tǒng)的功能，利用最新的電力電子技術(shù)建立了一個(gè)集兩個(gè)系統(tǒng)為一體的，以精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議為支撐的配電網(wǎng)信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的智能化管理。

配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)；信息平臺(tái)；精簡(jiǎn)TCP/IP；智能化管理

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分。為了進(jìn)一步提高供電的可靠性，提高電能質(zhì)量和供配電的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行智能化的管理是國(guó)家電網(wǎng)公司提出的戰(zhàn)略構(gòu)想。

智能化配電網(wǎng)即通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的全面、高效、精確的掌控，從而保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行[1]。

智能化配電網(wǎng)的核心是系統(tǒng)的“自愈”功能，可以預(yù)知系統(tǒng)的事故并作出相應(yīng)的操作，以避免系統(tǒng)的連鎖故障，從根本上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

配電網(wǎng)智能化的前提是各種信息的可靠獲取，而配電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控 (supervisory control and data acquisition, SCADA)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的監(jiān)視與控制功能以及獲得配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況的基本手段，其基本功能包括：數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面、故障提示與報(bào)警、事件順序記錄、狀態(tài)估計(jì)、實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析、圖表報(bào)表生成等[2]。地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)是一種特定的，重要的空間信息系統(tǒng)，它是在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表面(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、處理檢索、分析和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用平臺(tái)，它是測(cè)繪、遙感、計(jì)算機(jī)、應(yīng)用數(shù)學(xué)以及各種應(yīng)用科學(xué)地有機(jī)結(jié)合[2]。

利用SCADA和GIS相結(jié)合，構(gòu)建配電網(wǎng)的智能化管理平臺(tái)，具有重要的意義。

1 智能配電網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能化的配電網(wǎng)信息管理是一個(gè)多學(xué)科，復(fù)雜性較高的智能信息表示及控制系統(tǒng)，它結(jié)合了計(jì)算機(jī)、通訊、電氣控制等多種技術(shù)，本設(shè)計(jì)利用GIS及SCADA等成熟技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)通信方式的改善，形成了一套完整的利用地理信息和配電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，從而解決了電力系統(tǒng)中生產(chǎn)效率低下和不規(guī)范的問(wèn)題，可以提高配電管理水平，為配電網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)施打下了良好的基礎(chǔ)。

智能配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：

(1)利用SCADA系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的采集，通過(guò)一定的通信方式將信息傳輸至上位機(jī)，結(jié)合GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)遙信、遙測(cè)等方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控及電力質(zhì)量分析；

(2)上位機(jī)應(yīng)具備完善的數(shù)據(jù)管理功能，由于系統(tǒng)引入了GIS技術(shù)，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有了一定的豐富性，因此，上位機(jī)應(yīng)具備數(shù)據(jù)的各種管理功能，如簡(jiǎn)單方便的輸入及錄入功能、準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)控制功能、靈活多樣的統(tǒng)計(jì)分析及輔助決策功能等；

(3)豐富的用戶側(cè)信息管理和權(quán)限管理。

結(jié)合以上的功能，整個(gè)系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示。

在上圖所示的信息管理平臺(tái)上位機(jī)程序中，需要提供的功能如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

圖2 上位機(jī)功能模塊

2 SCADA和GIS相結(jié)合方式的分析與設(shè)計(jì)

SCADA是用于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的自動(dòng)化管理系統(tǒng)，在配電網(wǎng)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集方面有著不可替代的作用。但是，要想對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并為配電網(wǎng)的運(yùn)行、調(diào)度和管理提供必要的參考，其技術(shù)上也有一定的缺陷。

SCADA的缺陷之一就是在空間數(shù)據(jù)處理方面無(wú)法很好地表達(dá)，而對(duì)于復(fù)雜的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，良好的空間表達(dá)能力是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況充分了解并做出正確決策的前提，因此，采用一定的技術(shù)手段對(duì)SCADA進(jìn)行改進(jìn)是必要的。

GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及可視化功能，完全可以與SCADA系統(tǒng)形成技術(shù)互補(bǔ)，從而形成一個(gè)集SCADA數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)管理的優(yōu)點(diǎn)，以及GIS處理復(fù)雜空間數(shù)據(jù)的能力于一體的良好的配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。

在本設(shè)計(jì)中，SCADA與GIS的結(jié)合方式采用數(shù)據(jù)庫(kù)融合的方式。將SCADA與GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的SCADA自動(dòng)化主站層進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，形成一個(gè)既包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)又包含空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中表示每一個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以GIS系統(tǒng)中的多維表達(dá)方式來(lái)表示，提高了結(jié)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性。

而GIS系統(tǒng)中的圖像等信息則直接連入上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成圖形圖像視頻顯示數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

SCADA與其他系統(tǒng)的通信接口可以采用多種方式，例如OPC方式、DDE方式及XML方式。但不管是那種方式，傳統(tǒng)的SCADA通信都具有一定的缺點(diǎn)，例如，協(xié)議的靈活性差，穩(wěn)定性差等。因此，要想形成穩(wěn)定、可靠的電力數(shù)據(jù)的傳輸，那么，SCADA與其他系統(tǒng)之間的通信是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用的是XML數(shù)據(jù)接口方式。由于XML是一種可移植性強(qiáng)、與平臺(tái)無(wú)關(guān)的且可以直接讀取的數(shù)據(jù)格式，所以具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，可以有效地對(duì)來(lái)自于SCADA及GIS兩種數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地結(jié)合，從而形成新的數(shù)據(jù)方式。

采用XML規(guī)范的數(shù)據(jù)與上位機(jī)之間采用以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行傳輸，傳輸協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，由于系統(tǒng)運(yùn)行的特定性，本設(shè)計(jì)對(duì)一部分不必要的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了精簡(jiǎn)，精簡(jiǎn)后的TCP/IP協(xié)議的主要功能為：在網(wǎng)絡(luò)接口層主要實(shí)現(xiàn)了ARP應(yīng)答協(xié)議設(shè)計(jì)，其主要作用是完成以太網(wǎng)的IP地址映射，從而完成通信的路由功能；在網(wǎng)絡(luò)層，去掉了ARP協(xié)議中其他網(wǎng)絡(luò)類型的構(gòu)建功能，只實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的協(xié)議，從而減少了系統(tǒng)的冗余，而在ICMP協(xié)議，主要完成了Ping應(yīng)答協(xié)議，從而滿足了網(wǎng)絡(luò)連通性的要求；在運(yùn)輸層和應(yīng)用層，也只留下了相應(yīng)的必要的協(xié)議，其他不必要的都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，例如，在運(yùn)輸層，選用的是UDP協(xié)議，而在應(yīng)用層，F(xiàn)TP、SMTP等協(xié)議都沒(méi)有保留。

4 結(jié)束語(yǔ)

配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度管理是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的性能直接影響著電力系統(tǒng)的安全性和電力輸送任務(wù)的順利完成。因此，建立一個(gè)完善的配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)是電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展的必然結(jié)果。

從當(dāng)前技術(shù)手段來(lái)看，將SCADA與GIS結(jié)合起來(lái)是一種較好的方式，可以利用SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與GIS系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)GIS提供的視聽(tīng)手段實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)，有機(jī)地結(jié)合了設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和空間位置信息，大大提高了監(jiān)視、決策的準(zhǔn)確性和可靠性，為配電網(wǎng)的進(jìn)一點(diǎn)細(xì)化管理打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]樊劍輝.智能化配電網(wǎng)管理系統(tǒng)通信模式的研究[J].電力系統(tǒng)通信，2009(11)：20-21.

[2]薛濤.基于SCADA與GIS的配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)[C]//電力信息化高級(jí)論壇論文集.北京：中國(guó)電機(jī)協(xié)會(huì)電力信息化專業(yè)委員會(huì)，2008：389-390.

Research of intelligent distribution network information platform based on streamlined TCP/IP

Data collection and analysis were essential for distribution network operation and scheduling management. High quality electric power service was provided to the customers.Advanced technology was used to complete data collection and data management of the system. SCADA and GIS were the two sub-systems of distribution management. The functions of the two systems were analyzed. A set was established using the latest power electronic technology as one of the two systems.The embedded system was put as the core,and the streamlined TCP/IP protocol was put for the support of the distribution network information management platform, then the intelligent management of the distribution network was realized.

distribution network monitoring;information platform;streamlined TCP/IP;intelligent management

TM 64

A

1002-087 X(2015)10-2270-02

2015-07-02

張曉博(1981—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向?yàn)橥ㄐ拧㈦娮印?/p>