基于110 kV 变电站的系统调度自动化设计

2023-08-22黄培珊

通信电源技术 2023年13期

黄培珊

（国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建泉州 362300）

0 引言

调度自动化系统是电网运行中不可或缺的重要支柱，能够实时监控电网状态，及时发现和诊断异常情况，并采取相应的控制和调度措施，保障电网的安全运行[1-3]。此外，其还能够自动化地进行电力系统的监控、控制与调度，减少人为错误的可能性，提高电网的可靠性。通过对电力市场的监测和交易，帮助电力公司优化电力资源配置，提高电网的经济效益和运行效率。

随着电力行业的快速发展，在电力系统的运行中，调度自动化系统通过自动化的电力系统监控、控制与调度，实现了对电力系统的高效管理和运行。调度自动化系统能够实时监测电网状态，预测负荷变化，优化发电机组组合和输电线路配置等，从而保证电力系统的可靠运行。在未来，随着电力系统的不断发展和调度自动化系统的不断升级，调度自动化系统将会在保障电力系统安全和经济可靠运行方面发挥越来越重要的作用[4-7]。

1 调度自动化系统的总体设计

调度自动化系统不仅包括软件，还集成了基于计算机的控制系统，包括数据的实时采集、可视化以及轻量传输，同时还有可应用于即时运算、分析与管理的软件。数据采集和可视化系统具有数据捕获、内容呈现、运行监测、状态计算、分析以及监督等功能。

1.1 系统设计目标

本研究创建了一个集成监控控制与数据采集（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、能源管理系统（Energy Management System，EMS）、配电管理系统（Distribution Management System，DMS）的能源管理和仿真培训系统，系统结合了电网监测、分析、研究与仿真培训。该设计遵循以下几个原则：（1）符合最新的国际标准，包括IEC 61970 系列标准；（2）根据用户需求和投资，软硬件选择灵活；（3）与多种硬件平台兼容，包括复杂指令计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）或精简指令计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）工作站、服务器、高端微型计算机以及对称多处理器机器（Symmetrical Multi Processing，SMP）；（4）在系统生命周期内具有可扩展的功能；（5）应用软件模块分布在网络上，并带有数据库核心，可在任何节点上即插即用；（6）系统服务监测模块可在任何节点上操作，便于维护；（7）冗余硬件设计，具有双机、双网、双电源以及双通道访问，实现自动故障转移与可靠操作。

1.2 系统设计基础

该系统按照国际标准建造，采用先进的支持平台和尖端技术，拥有全面的功能和强大的安全协议，确保信息集成的无缝性。为实现真正开放和易于扩展的系统，设计约束确保符合最新的国际标准，实现即插即用。该系统利用了一系列创新技术，如Java、数据库、Internet、Cluster 等，并可以与Sybase、Oracle以及SQL Server 数据库集成。其广泛的功能包括实时电网监测、状态估计、电力流测量、网络拓扑、电压和无功优化控制、静态分析、负荷预测、故障诊断、调度和故障仿真以及自发电等。

为了满足国际电工委员会制定的《能量管理系统应用程序接口（EMS-API）》系列国际标准，本研究在调度系统中专门设计了通用信息模型（Common Information Model，CIM）服务器[8,9]。它将组件的接口标准化并提供到系统中，大大提升了系统的可扩展性，并促进了电力公司的企业应用集成（Enterprise Application Integration，EAI）。此外，还能采用通用数据访问（Generic Data Access，GDA）接口，为系统数据过滤查询、资源标识、数据查询、数据更新以及数据变化通知等提供访问服务。

除了上述的GDA 接口，系统还提供了与GDA数据访问接口一起的交换文档工具，该工具基于可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）模型，方便数据在CIM Server 和XML 文件之间进行相互导入与导出[10]。这种方法特别适用于松耦合的企业应用集成。系统中的全模型可以通过导入导出来完成，同时部分由用户特别关注的模型也可以通过该方法来处理。对于导入的数据，可以利用模式校对来检查，这样就可以确保数据交换的灵活性，同时也避免了系统被有害数据破坏。

1.3 硬件系统体系结构

利用双网冗余结构作为系统的硬件结构，对于一些重要的节点，可进行双机或多机保存，系统的实时运转要求得到保证，可靠性得到增强。下一级系统可以利用通用接入设备进行系统通信，包括访问服务器、终端服务器等，与远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）或其他系统的通信互联。在通信过程中，异步信号作为一种常规信号，可直接在系统中接入。当系统接入同步信号时，需要利用一种同异步转接装置来接入。系统接收网络信号时，可以直接接入局域网中。

1.4 双倍冗余结构

由于电力系统需要满足高可靠性的要求，主服务器、通信控制机以及终端服务器等系统主要设备都可以设计为双倍的冗余框架，使得系统在遇到在故障时可自动切换。在调度自动化系统中，其软件的功能模块具备即装即用的特点，在系统中的众多节点机上都可以存储软件的每一个功能模块，互为热备用。在系统中，当任何一个节点机发生故障，系统的节点会自动转换到其他的节点机上，确保系统在运行过程中连续可靠。

1.5 双重网络

本系统选择双重网络结构，其目的是保证数据在通信过程中的可靠性。在系统中，可以选择网络流通速率自适应的切换网络技术。在双重网络同时运行的情况下，负荷可以被平均分配，并且网络可以自动切换。这种配置的好处在于，当其中一个网络出现故障时，整个系统的运行不会受到影响。同时，双重网络还可以保证负荷平衡，确保系统始终保持高效稳定的运行状态。

1.6 软件的体系结构

数据通信总线的设计目标如下。首先，在各个系统之间，它们的模块接口方式得到规范，这样可以使符合规定的各个模块之间传输的数据能够灵活修改和增删，还可以在系统的其他机器上实现随时安装与随时使用，以便系统的灵活配置。同时，系统还致力于降低系统模块之间的耦合度，提高系统的稳定性和效率。其次，系统提供了涉及数据传输、监测以及维护的公共服务，使得系统的模块编程变得更简单，开发人员能够更加专注于核心业务逻辑的实现。最后，该系统采用了客户-服务器工作方式。这种方式优化了系统结构，降低了系统的复杂性，并提高了系统的效率。在Oracle 数据库访问中广泛采用这种工作方式，并应用于实时库的访问以及各软件模块之间的数据交互。通过客户-服务器模式，系统能够更高效地处理数据，并提供更好的性能和用户体验。在运行源代码浏览程序后，可通过它直接编译各种应用模块，各个模块的运行状态也能被直接监测到。为了确保系统设备能正常运行，开发了双服务器模式，信号接收流程如图1 所示。

图1 信号接收流程

然而该流程仅在主站内部进行信号接收，并没有将信息上传至局域网或调度中心。为了实现数据的实时监测，引入了双层网络应用于调度主站的连接上，使调度员和领导层能够实时观测数据。调度主站的连接方式如图2 所示。

图2 调度主站的连接方式

信号同时被A 网和B 网接收，前置处理机专门从B 网收集信号。前置处理机2 作为主机的备份，在待机模式下处理来自2 个网络的数据。如果处理机1 出现问题，则处理机2 将接管其工作，直到处理机1 恢复。一旦处理机1 恢复，所接收到的数据将自动传输回处理机1。SCADA 服务器也采用类似的工作方式。病毒防御和网络管理由保护工作站处理。Web服务器直接连接到A 网，其目的是方便查看其向局域网中传输的数据。Web 浏览只允许浏览，不允许修改数据，调度员没有修改数据的权限。

2 基于110 kV 变电站具体调度自动化系统的设计

2.1 硬件组成设计

2.1.1 前置数据通信

前置数据通信是一种支持数字和模拟通道的通信方式，主要是将终端服务器连接到高速信道进行工作，可以采用同步或异步方式来完成数据传输。在这个过程中，通过远动通道发送RTU 信号，利用调制解调器解调模拟信号，再利用光电隔离器对数字信号进行隔离。数据转换控制箱将数据分成2 组，这2 组数据分别接入终端服务器的异步口，以实现其冗余热备用。此外，将终端服务器和通信服务器进行连接，在通信服务器中配备的网卡一般都有3 块，其中2 块连接到系统的主网中，1 块与终端服务器相连，这样就避免了因终端服务器加重系统的网络负担。

2.1.2 终端服务器

这里的终端服务器以Moxa 公司的Moxa CN2516为例，主要功能是在局域网下从多通道中采集数据信息，扩展主机的串口。

2.1.3 数据转换控制箱

数据转换控制箱是一种用于对数据进行转换控制的装置，专门用于电力系统。其连接在调制解调器和终端服务器中间，主要作用是对主辅机传输过来的数据进行同步和异步通信转换，同时对这些数据进行传输控制。其支持的通信手段有很多种，这也就使得数据转换控制箱能够灵活地适应各种通信需求。此外，通过数据转换控制箱，用户可以控制主辅机之间的数据传输，同时实现同步通信和异步通信之间的转换，从而提高系统的可靠性与稳定性。

2.2 模块设计

该部分的模块设计结构简单，且具有较强的实用性。其系统主要包括数据源、前置通信模块、人机对话模块、实时数据库、历史数据库、数据库编辑模块以及数据存储和处理模块，这些子模块都有各自的功能。数据在模块中的流程走向以及后续的处理如图3 所示。

图3 数据在模块中的流程走向

在上述模块中，数据源首先传递给前置通信模块和实时数据库，然后在前置通信的模块中，数据会分别传输给实时数据库、人机会话模块以及数据储存和处理模块。此时，实时数据库中的数据源将传递到数据库编辑模块，再由数据库编辑模块传输到历史数据库，而数据储存和处理模块中的数据源也会传输到历史数据库。前置机和终端服务器之间的连接可以使用MoxaCN2516 终端服务器实现，在完成上述的数据库配置后，存储界面的显示如图4 所示，这个过程有助于减少数据的冗余。