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

面向FIX32工作平臺(tái)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(duì)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(tái)，在SCADA系統(tǒng)和變電站仿真系統(tǒng)之間實(shí)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(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，采用了100M的以太網(wǎng)，同時(shí)運(yùn)用了同步鎖、內(nèi)存共享等機(jī)制技術(shù)保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)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(jìn)程和監(jiān)控畫面之間的數(shù)據(jù)的通信。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)通信耗時(shí)較短，對(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速的發(fā)展，變電站的設(shè)計(jì)也需要考慮先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，從而能夠提高其自動(dòng)化水平和數(shù)字化程度[1]。本文設(shè)計(jì)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(jìn)行硬件的模擬，硬件模擬包含下面幾個(gè)部分：模擬和控制屏、保護(hù)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(shí)的采集各個(gè)變電站的RTU遙測(cè)、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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠給電力系統(tǒng)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持來計(jì)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(dòng)化系統(tǒng)的交互界面也隨之得到了大力的進(jìn)步，從傳統(tǒng)的機(jī)械儀表到如今的計(jì)算機(jī)圖形交互界面。通過其監(jiān)控界面能夠了解變電站的運(yùn)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(dòng)記錄形成歷史曲線，Intellution公司設(shè)計(jì)的FIX（工業(yè)自動(dòng)化軟件）完全符合該要求，因此本文就基于該開發(fā)平臺(tái)來設(shè)計(jì)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(bào)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(gè)基本的功能，能夠簡(jiǎn)單方便的全面集成數(shù)據(jù)，由于其各方面的優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛的應(yīng)用在了各種生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中。

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)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(shí)效性專門設(shè)置了一臺(tái)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(yùn)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(jìn)程和網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，采用了TCP/IP協(xié)議和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程過程的調(diào)用等通信方式，最終完成了各個(gè)系統(tǒng)服務(wù)器之間以及終端機(jī)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(tái)工作站以FIX作為平臺(tái)，采用I/O接口將數(shù)據(jù)傳送到驅(qū)動(dòng)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(tái)的傳遞模式，而SCADA數(shù)據(jù)的動(dòng)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(jìn)程和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的通信

本地通信進(jìn)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(shí)運(yùn)行在系統(tǒng)的每一個(gè)仿真終端之上，因此這就要求在整個(gè)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(jì)算[6]。共享內(nèi)存的方式也被采用到了在本地通信進(jìn)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(jì)算機(jī)內(nèi)存當(dāng)中的全局共享段，能夠自由訪問不同的進(jìn)程，在動(dòng)態(tài)刷新了數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)還能夠自動(dòng)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(shí)共享相關(guān)的數(shù)據(jù)。

終端的運(yùn)行程序在運(yùn)行的過程中需要實(shí)時(shí)的完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取，通過進(jìn)程之間的消息機(jī)制能夠滿足該種需求。

當(dāng)Socket將消息發(fā)送給通信進(jìn)程之后，就存入“動(dòng)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(diǎn)標(biāo)識(shí)”，{“數(shù)據(jù)序號(hào)1”、“數(shù)據(jù)值1”}，……}，同時(shí)發(fā)送消息給數(shù)據(jù)處理進(jìn)程，命令該進(jìn)程從“內(nèi)存段”獲得數(shù)據(jù)，同樣的，數(shù)據(jù)處理進(jìn)程會(huì)通過內(nèi)存段到通信進(jìn)程數(shù)據(jù)交換，發(fā)送計(jì)算機(jī)的成果到網(wǎng)絡(luò)上，從而完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的一致性的實(shí)現(xiàn)[7]。

圖2 進(jìn)程服務(wù)器之間通信

多線程的運(yùn)行模式被采用在系統(tǒng)當(dāng)中過的通信進(jìn)程當(dāng)中，由于雙向數(shù)據(jù)流存在于本機(jī)進(jìn)程之間和多機(jī)間，多線程的運(yùn)行模式能夠及時(shí)的處理并發(fā)的消息。由于系統(tǒng)的延遲，消息在不同的進(jìn)程之間處理的時(shí)候會(huì)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(jìn)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制）的應(yīng)用程序。如果要實(shí)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(tái)，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(jìn)程和事件事件的數(shù)據(jù)傳遞，是進(jìn)程之間的通信方式，在DDE當(dāng)中引入內(nèi)存共享機(jī)制，并且在同步數(shù)據(jù)當(dāng)中引入DDE協(xié)議?！皶?huì)話”含義是應(yīng)用程序相互之間的交換數(shù)據(jù)，“客戶”是發(fā)起對(duì)話的一端，“服務(wù)器”是響應(yīng)端，DDE會(huì)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(huì)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)的需要，將人溫度、潮流等模擬量顯示在機(jī)界面，壓板、軟光字牌等開關(guān)輸入量在必要時(shí)也許體現(xiàn)，因此在進(jìn)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(qǐng)求的同時(shí)提供信息，并采用熱鏈接方式給FIX數(shù)據(jù)庫提供動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果分析

系統(tǒng)的測(cè)試是隨著設(shè)計(jì)一起進(jìn)行不斷的修正的，首選需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，然后再進(jìn)行系統(tǒng)的整體的測(cè)試，主要側(cè)重于系統(tǒng)功能以及性能方面的測(cè)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(shí)間的限制要求的，可以利用精度微秒級(jí)的10 ms的GetTickCount函數(shù)來準(zhǔn)確將測(cè)試代碼的執(zhí)行時(shí)間記錄下來。

本地通信進(jìn)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(shí)時(shí)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(xiàng)在低于20 000的時(shí)候，客戶端和服務(wù)器之間通信時(shí)間低于1.6 s，能夠滿足實(shí)際的工程需求。

圖4 仿真驗(yàn)證結(jié)果

測(cè)試還將數(shù)據(jù)查詢、修改以及插入作為性能指標(biāo)，對(duì)20 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行采樣，記錄了這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均的耗時(shí)和CPU的占有率，經(jīng)過詳細(xì)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

表1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)性能指標(biāo)測(cè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)可靠，本文提出在數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)通信之間的兩級(jí)通信的方案，即采用同步鎖、共享內(nèi)存以及消息通信機(jī)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(jìn)程和SCADA監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)交互通信，從而能夠保證整個(gè)通信系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

[1]辛耀中.新世紀(jì)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，25（12）：1-10.

[2]姚建國，楊勝春，高宗和，等.電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)展望 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31 （13）：7-11.

[3]趙家慶，嚴(yán)勝，肖翔，等.雙核冗余的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（21）：101-103.

[4]朱東升，孫純軍，陳飛.500 kV變電站遠(yuǎn)方集中監(jiān)控系統(tǒng)方案探討[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29 （5）：126-129.

[5]黃邵遠(yuǎn).地縣級(jí)調(diào)度自動(dòng)化一體化主站系統(tǒng)建設(shè)思路[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（20）：100-103．

[6]王為國，曾偉民，代偉，等.基于數(shù)據(jù)倉庫的一體化電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng) [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（12）：67-70.

[7]谷海彤，潘煒.調(diào)度集控一體化系統(tǒng)在廣州電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（7）：109-113.

[8]談蘇偉，陳謙昌，劉國定.廣東省能量管理系統(tǒng)前置機(jī)特色[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24（10）：53-55.

[9]談蘇偉，梁壽愚，陳寧，等.中國南方電網(wǎng)EMS前置子系統(tǒng)的工程應(yīng)用 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（17）：95-99.

[10]董張卓，李宏剛，倪云峰.調(diào)度主站前置機(jī)的結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)[J].繼電器，2008，36（10）：57-61．

[11]談蘇偉.電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化前置子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（7）：130-133.

[12]吳俊玲，周雙喜.并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的最大注入功率分析.電網(wǎng)技術(shù)[J]2004，28（20）：28-32.

[13]李大路，李蕊，孫元章．混合量測(cè)下基于UKF的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì) [J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（17）：17-21，92．

[14]衛(wèi)志農(nóng)，謝鐵明，孫國強(qiáng)．基于超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)和混合量測(cè)的線性動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（1）：47-51

[15]劉輝樂，劉天琪，彭錦新．基于PMU的分布式電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)新算法 [J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（4）：34-39．

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(hào)：201603417

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