动态SCADA原型系统构建及其通信系统的实现方法

叶键民，何光宇，梅生伟，于 浩，刘 炜，孙振权

(1．清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京100084; 2．陕西省地方电力(集团)有限公司，陕西 西安710061)

动态SCADA原型系统构建及其通信系统的实现方法

叶键民1，何光宇1，梅生伟1，于 浩1，刘 炜2，孙振权2

(1．清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京100084; 2．陕西省地方电力(集团)有限公司，陕西 西安710061)

智能配电网的建设，紧紧依赖于可靠的数据采集与监控系统的建立。在智能配电网的环境下，主站与子站间数据通信大幅增加，同时要求数据采集系统提供全面、实时的动态数据，而目前SCADA系统及PMU均无法满足此需求，为此提出一种将SCADA系统升级为动态SCADA的方法:通过引入新型采集终端动态RTU，从硬件和软件两个层面对SCADA系统进行改造，使其满足智能配电网动态信息采集的需求。在此基础上，搭建动态SCADA原型系统，详细研究其通信实现中存在的通信阻塞问题，提出非阻塞式IEC 104规约实现方法。最后在所搭建的动态SCADA原型系统中，对此方法进行压力测试，结果表明，该方法能够显著提高动态SCADA系统通信的可靠性。

智能配电网;动态SCADA;IEC 104规约;非阻塞式通信

0 引言

智能电网的发展，要求电网必须实时掌控自身运行状态，及时发现隐患和故障［1］，这对电力系统动态信息测量的实时性提出了更高要求［2，3］。同时，在智能配电网的建设中，需要大量接入分布式能源并形成微网［4，5］。此种情况下，不仅要求配电网SCADA系统能够快速地采集全网量测点的数据，也要求其通信系统具备处理大量高速数据的能力。目前SCADA及PMU均难以满足智能配电网数据采集需求［6］。文献［1］指出，为实现更快速有效的分析、决策、保护及控制，需将 SCADA系统升级为动态SCADA系统。

基于此，本文提出一种基于新型采集终端动态RTU的动态SCADA系统实现方法，可从硬件和软件两个层面对 SCADA系统进行改造，使其满足智能配电网动态信息采集的需求。并循此思路，在实验室搭建了动态SCADA原型系统，该系统采用动态RTU这一新型测量单元，所采集的数据带有时标，且系统数据更新周期可以提高至0.2s。

在此工作的基础上，论文侧重研究了动态SCADA构建中关键技术难题——海量数据的实时通信问题。传统通信规约实现均采用阻塞式通信方法，在多连接、大数据量的高速通信环境中，此方法易导致数据阻塞或丢失，甚至影响系统的正常运行。为解决此问题，本文基于 JAVA技术中的 Netty框架，提出一种非阻塞式的 IEC 104规约实现方法，并将其嵌入动态 SCADA原型系统。经测试，此方法能有效地提高通信性能，保证系统稳定、可靠运行。

1 动态SCADA原型系统设计

1.1 问题的提出

智能配电网是智能电网概念在配网领域的延伸，欧洲和北美的智能电网建设主要也侧重于智能配电网的建设。大量的分布式新能源和动态元件的接入，是智能配电网的显著特征［7，8］，这也给配电网SCADA系统提出了更大的挑战。本节通过结合智能配电网数据采集的特点和实际需求，简要论证建立动态SCADA系统的必要性。

智能配电网要求数据采集系统必须实现电网动态的实时和全面的采集。另外，随着新能源在配网层面的接入，智能配网的动态元件和通信终端节点数量也将大大增加［9，10］。

而目前SCADA系统由于采集速度慢，不带同步时标，无法满足动态数据的实时采集要求;而在节点数量较大的配网中，PMU由于价格高昂而难以全面布点。因此，SCADA与PMU二者均难以满足智能电网的实际测量需求。为此，设计了DRTU(动态RTU)这一新型的动态测量单元，以及DSCADA(动态SCADA)系统，并在实验室中构建了动态SCADA原型系统。下面分别在1.2～1.4节予以介绍。

1.2 DRTU与DSCADA简介

DRTU数据采集速度介于RTU和PMU之间。为降低改造成本，最大程度降低额外投资，DRTU可从既有RTU设备改造而来，即采用既有RTU的硬件结构，但提高其采样频率，并添加数据时标。

为满足智能配电网对动态信息采集需求，本文所设计的 DRTU采集速度为0.2s，具备数据库系统，能够就地维护测量单元的数据，并与主站进行高效数据交换;另外，DRTU增加了GPS模块，采用同步时钟技术，为量测数据提供全网统一的时标信息。基于此，DRTU将采用带时标的 IEC 104规约与系统前置服务器进行通信。

DRTU为系统提供了高速、带时标数据。在此基础上，对SCADA系统通信规约、数据库及高级应用进行改造，则可将其升级为DSCADA系统。具体包括:在通信规约中加入时标，并考虑其通信性能，优化实现方式;采用时间序列数据库;开发相应的高级应用程序。

1.3 DSCADA原型系统构建

根据1.2节所述的DSCADA设计原理，结合所研制的DRTU，在实验室搭建了一个DSCADA原型系统。系统结构如图1所示。

图1中，原型系统采用简单的系统结构，并未配置双通道冗余。由DRTU进行数据采集，其数据经过IEC 104规约上传到子站前置服务器中。为模拟测量节点较多的情形，用一台服务器模拟多子站连接，发送与DRTU形式相同的数据，并通过IEC 104规约上传。子站与主站间也通过 IEC 104规约通信。主站前置对数据进行处理、存储，并提供给高级应用。

1.4 DSCADA应用前景分析

在智能配网的建设中，由于配电网点多面广，改造难度大，因此在配电网的智能化建设中，需要充分利用已有的变电站和设备资源，以较低的改造成本和工作量，换取更高的收益。而DSCADA系统能够实现电网实时数据的动态采集，且改造成本低，工作量小，故在智能配网建设方面将具有良好的前景。

值得注意的是，配电网覆盖范围大，面对情况复杂多变，而其自动化系统工作环境又相对较差。因此，DSCADA系统实现，需要因地制宜，在充分考虑配电网的实际情况下，力求简单可靠:①对新建、条件较好的变电站，可以引进 GPS对时，安排足够带宽，保证动态测量的准确性;②对通信条件尚好、便于改造的变电站，可以基于网络进行授时，一定程度上来保证动态测量的准确性;③对通信条件差、改造不易的变电站，可以不进行改造，DSCADA系统可兼容其数据，但会对该数据进行标记，表明其准确度相对较低。

与SCADA系统相比，DSCADA成功应用于智能配网的关键技术难题是如何实现海量实时数据的高速、可靠通信。下面予以介绍。

图1 动态SCADA原型系统Fig．1 Prototype system of dynamic SCADA

2 DSCADA通信系统实现方法

2.1 阻塞式通信实现方法及其局限性

DSCADA系统中采用IEC 104规约通信。IEC 104规约采用平衡传输方式，并依据TCP/IP协议进行数据传输，具有面向应用层、结构简单、可靠性高等特点［11］。

IEC 104规约目前主要采用阻塞式实现方法:阻塞式通信中，采用多线程来管理连接，在未接收到数据时，相应的线程将被阻塞，而不能采取其他动作。

对于IEC 104规约，若采用阻塞式通信，则主站需要对每一个子站连接线程进行定期的查询，当没有数据上传时，将线程挂起，转而查询其他线程。显见，阻塞式的通信方式效率较低，而且在 DSCADA系统中，子站数量较多、数据量较大，大量线程的创建、销毁以及切换可能会占用大量的CPU和内存资源，从而导致程序效率较低。此外，当通信速度较快时，大量的切换线程操作，也会造成数据的丢失或者是延迟［12］。

本文将在第3节中给出阻塞式通信实现方法测试结果，结果表明，阻塞式通信的确具有较高的数据丢失或错误率，降低了系统的可靠性。考虑到改造成本，DSCADA系统并不新建通信网络硬件。在智能配网的高速、多连接的环境下，提高通信规约的软件实现效率尤为重要。因此，DSCADA系统应选用更可靠的通信实现方法。

2.2 非阻塞式通信及IEC 104规约实现方法

非阻塞式通信摒弃了阻塞线程，当接收到数据时，就进行相应处理，而未接收到数据时，则转而进行其他操作。该技术利用查询连接状态的做法，并通过引入线程池与Reactor(反应器)，以解决多连接的协调问题。非阻塞式框架能够有效处理多连接任务下的通信，防止通信拥堵，这在网络通信中已经得到了较好的验证［13］。

非阻塞式任务管理框架结构如图2所示。图2中，仅当某连接接收到数据时，Reactor才调用该连接所对应的方法，进行读取、解析等。如此各个 IO响应均由Reactor统一管理和调度，而只有实际 IO动作发生时才会调用其处理方法，实现非阻塞通信。

非阻塞式通信的理念，非常适用于DSCADA系统的通信。在智能配电网中，DSCADA系统主站将与大量的子站进行连接和104规约通信，实际工程环境中，传输过程存在许多延时，各子站上传的数据实际上是随机地到达主站。因此，如何在主站端口高效率地处理这大量的数据，是提高程序效率的关键。非阻塞式104规约的最大优势也在于此:非阻塞式通信不采用轮询方式，而采用事件驱动进行响应。在这种流程下，程序执行效率能够显著提高，通信的实时性和完整性可得到更好的保证。特别在子站数目较多、数据通信量较大时，能够显著提高DSCADA通信中处理数据的能力。

图2 非阻塞式任务管理框架Fig．2 Task distribution of non-blocking communication

现有技术提供了非阻塞式通信的具体实现框架［13］，Netty是其中应用效果较好的技术之一，但目前基本只应用于网络编程中，本文将利用此框架，提出一种电力 IEC 104规约的非阻塞式通信实现方法。

利用Netty框架，对104规约进行编码实现，其典型通信过程如下:

(1)服务端初始化

该步工作包括:①在服务端创建连接通道池，用于存储和管理与主站连接的多个通道。若有多个子站与主站连接，则自动将其都添加到连接通道池中，以进行调度和管理;② 创建线程池，为连接通道池里存储的每个连接通道都分配一个线程;③ 创建线程管理器，线程池中的线程的调度和管理均由其负责，相当于前述的Reactor。

(2)服务端处理器初始化

为每个连接创建管道(Pipeline)对象，并在管道中创建处理器(Handler)，负责对监听到的相应端口的IO事件做出响应。Netty框架中提供Handler的多个接口，以便对端口的多种 IO事件做出相应处理。

(3)104规约通信流程具体实现

基于104规约的应答式特性，使用Netty的处理器中的两个功能接口:通道连接监听方法(Channel Connected)及数据接收监听方法(Message Received)。利用这两个接口可以实现 104规约召唤及应答功能。再通过定时器，改变主站发送状态，主站通过不断查询发送状态，可以实现不同的召唤(总召唤、对时、站召唤、遥控、遥调)的发送。

总体通信流程如图3所示，初始化后，当需与子站连接时，由通道连接监听方法进行处理，判断当前发送状态，并发送握手信号;而当主站端接收到数据时，则由数据接收监听方法做出响应，判断数据帧类型:① 若为U帧，则分别判断是启动、停止和测试帧，并做出相应回应;② 若为 I帧，则解析数据，存储入数据库。解析完成后，进入判断发送状态环节，并发送数据。当多个子站连接时，由于有 Executor的分配和管理，处理器对象完成104规约通信流程，且端口响应都由事件驱动，不需要轮询各个连接端口，实现了非阻塞式104规约通信。

图3 基于Netty框架的104规约程序流程Fig．3 Program procedure of 104 protocol based on Netty

除此之外，104规约规定了一些定时机制，包括主站定时总召唤和对时，并在必要时下达遥控和遥调指令;当长时间没有数据上传时，发送测试帧;当连接断开时，程序重新启动，重新连接。实现上述功能均需要添加定时器。通过事件驱动与时间驱动结合，实现104规约的召唤与应答流程。

子站端框架与主站类似，这里不再赘述。

3 压力测试结果

本节分别将IEC 104规约的阻塞式及非阻塞式实现方法应用于实验室DSCADA原型系统，并模拟大量子站连接、高速通信的环境，对系统进行了压力测试。测试方案中，模拟数据服务器设置子站连接数目为100个，并在子站上传数据量较大的同时，保持0.2s的总召唤间隔。每次召唤中，各子站依次发送的数据为固定帧，主站接收到数据后，与固定帧对比，判断是否发生错误;同时，主站还将立即发送确认信息，检测子站的发送和接收计数器，计算通信中丢包率。

测试结果如表1所示，通信正确率为接收正确帧数与发送帧数的比值。可以看到，阻塞式通信正确率较低，若在实际系统中，连接数将更加巨大，阻塞式通信将难以承受较高的压力。故阻塞式通信并不适用于DSCADA系统的通信。而基于Netty框架的非阻塞式IEC 104规约效率更高，有着更低的丢包率和误码率，实现了高可靠性，解决了 DSCADA系统的通信可靠性问题。

表1 两种实现方式下104规约压力测试结果Tab．1 Result of stress test under two implementation methods of 104 protocol

4 结论

在智能配电网发展的要求下，无论是 SCADA系统，还是WAMS系统，都将难以满足智能配电网的全网动态信息测量需求。建设适用于智能配电网的DSCADA系统具有重要意义。本文提出了一种DSCADA实现方法:引入新型测量单元DRTU，该设备基于RTU改造而来，可以采集0.1s级别的、带时标的数据。在此基础上，对SCADA通信、数据库及高级应用进行相应改造，最终实现DSCADA系统。

根据所提出的DSCADA设计方法，在实验室搭建了DSCADA原型系统，分析了现有阻塞式通信方法的局限性，提出了非阻塞式的 IEC 104规约实现方法。将此方法应用于DSCADA系统，并进行了压力测试，测试表明，此方法能有效提高DSCADA系统通信效率及可靠性。

DSCADA是智能配电网建设的重要工程之一，具有良好的应用前景。本文研究了 DSCADA及通信方法的改进，提高了原型系统通信性能，解决了DSCADA通信所面临的瓶颈问题。需要说明的是，DSCADA其他关键问题，如高速时间序列数据库的改进，高级应用的开发等，仍有待进一步研究。

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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

国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA050201);陕西地方电力智能配电网资助项目(20112000057)

叶键民(1989-)，男，广东籍，硕士研究生，研究方向为智能配电网动态SCADA;梅生伟(1964-)，男，河南籍，教授/博导，博士，研究方向为电力系统分析与控制。