SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置組態式軟件的設計與實現

孫玉軍，凌海燕，陳洶

（1.國網電力科學研究院，江蘇南京210003；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210016）

電力系統穩定性的破壞將引起電網事故的擴大甚至造成系統的崩潰，帶來巨大的損失。隨著電力系統的發展，對電網安全穩定運行與控制的要求越來越高[1-3]。當電力系統內發生有功缺額時，系統的頻率將要下降，嚴重時可能引起全同性的頻率崩潰事故。當系統內突然出現無功缺額時，系統的電壓將要下降，嚴重時可能引起局部電網的電壓崩潰事故。防止這類事故的最有效的措施就是采用低頻低壓自動減載及解列裝置，當系統頻率或電壓下降時及時切除足夠數量的較次要的用戶負荷，或在合適的點上將系統解列，以保證系統的安全穩定運行，同時向重要用戶不間斷供電。國內外幾乎所有的電網都采用了低頻減載措施，做為電網安全運行的最后一道防線。許多電網還采用了低壓減載措施，防止發生電壓崩潰事故[4]。目前，頻率電壓緊急裝置的普遍做法是根據實際工程與用戶的需求，例如定值數量與內容、母線分母運行或合母運行等需求定制與工程實際情況相結合的工程方案和程序，對不同的工程需要重新編制和修改工程程序，增加了工程程序的開發難度和時間，降低了裝置運行的可靠性。介紹了一種新的組態式頻率電壓緊急控制裝置軟件。該軟件使用組態技術，通過組態方式設定頻率電壓緊急控制裝置的功能，將裝置的功能設定、定值管理等工程數據與工程程序分離，大大提高工程程序的通用性、擴展性和可靠性。

1 SCS-200A硬件平臺概述

裝置的中央處理模塊使用32位ARM處理器，不僅處理速度更快，而且內存空間更大，可以訪問的內容更多，為使用組態式軟件提供了良好的硬件基礎。中央處理模塊負責數據的采集、處理，故障判斷和出口控制等功能。

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置采用按鍵及旋鈕配合的方式，方便柜前人機對話，采用長壽命寬溫TFT彩色液晶實現漢字顯示，用中文打印報告。

2 軟件設計原則

（1）軟件設計模塊化。將整個軟件按照不同功能進行模塊劃分，分析與調整各模塊之間的依賴關系，保持各模塊的相對獨立性。

（2）軟件設計分層抽象。各個功能模塊設計時進行分層抽象，隔離軟件的變化部分。例如硬件驅動層和硬件訪問層的分層抽象，簡化了軟件邏輯。

（3）隔離數據與程序邏輯。數據作為可修改的配置或組態信息，概括用戶需求的變化部分；程序邏輯決定程序的結構，解析數據部分，控制程序的流程。運用上述軟件設計原則，提高了頻率電壓緊急控制裝置軟件的靈活性、適應性和穩定性。同時，降低了軟件設計的復雜度，提高代碼的可維護性，增強了代碼的可復用性。

3 軟件設計

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置的主要功能是在電力系統頻率電壓下降或升高的過程中，采取切機切負荷的方式，保持電網頻率與電壓的穩定。頻率電壓緊急控制裝置的主控單元主要包含以下功能模塊：

（1）功能設定模塊；（2）數據采集與處理模塊；（3）定值管理模塊；（4）故障判斷模塊；（5）出口控制模塊；（6）通信接口模塊等。

對于電子商務運營課程教學離不開實踐環節，在理論教學的過程中需要適當的提供實踐環境，方便學生在學習理論之后可以通過實踐教學更好的理解、掌握和運用相關知識點。

每個模塊都有其特點，按照各個模塊特點設計組態配置方式與內容，實現各個模塊的組態化配置。

3.1 功能設定模塊

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置的功能設定模塊的主要任務是指定本裝置需要實現的功能和各個功能的細節內容。

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置具有低頻減載、低壓減載、過頻切機、過壓切機等功能，具體到不同的工程時，各個工程的功能需求不盡相同。同時，每個功能的需求也有差異，主要是對各功能具備的輪次數量與輪次類型的要求不一樣。對此，設計了功能設定的組態配置方式，包含功能選擇和各功能的輪次設定。組態配置中包含功能選擇字段：通過設置該字段中相應位的值，配置裝置是否具有低頻、低壓、過頻和過壓等功能。每一個功能都設置輪次配置字段：通過該字段設定每個功能基本輪、特殊輪和加速輪的輪次數量。裝置主控單元軟件初始化運行時加載上述的配置字段，解析配置裝置的功能模塊，設定程序執行的功能。

功能設定模塊確定了穩定控制裝置的總體功能框架，描述了穩定控制裝置需要實現的功能，確定了各項功能的細節，是進行其他配置模塊設計的基礎。

3.2 數據采集與處理模塊

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置采集的數據主要包括電壓、電流等模擬量輸入和壓板、線路開關位置信號等開入量輸入。

每個模擬量都有一系列的屬性，包含類型屬性：電流或電壓；隸屬屬性：屬于哪個采集單元及哪個元件；位置屬性：在采集單元中的位置等。軟件處理模擬量輸入時，都是以元件為單位進行的，因此需要根據配置信息將采集的各個模擬量重新組織，映射后交由數據處理模塊進行計算。映射的原理見圖2。

每個元件的模擬量對應的采集單元都可以任意設定，增強了數據采集單元配置的靈活性和適應性。通過映射抽象后，元件模擬量計算單元得到的都是統一格式的輸入數據，映射抽象層封裝了變化部分，降低了元件模擬量計算單元的復雜度。

開入量與模擬量類似，也有一系列的屬性，包括開入的位置，開入的類型，開入作用的對象，開入的邏輯有效特性等。這些屬性決定了該開入量在穩定控制裝置中的作用以及處理該開入量的算法，因此需要針對這些屬性進行開入量的組態配置設計。對應開入的每一個屬性，都有相應的組態配置選項，形成組態配置信息，工程程序根據組態配置信息決定開入的使用算法和使用地點。模擬量和開入是控制裝置監測的對象，控制裝置根據模擬量以及開入量的變化情況決定采取的控制措施。因此模擬量和開入的組態配置是系統配置設計的重要組成部分。

3.3 定值管理模塊

定值是用戶設定控制裝置功能的主要方式，而不同的用戶對定值有不同的要求，因此必須對定值進行組態配置。定值管理模塊的首要任務是提供統一的定值訪問接口。當用戶定值發生變化時，使用定值組態配置信息配置定值管理模塊，封裝定值的變化，避免修改訪問接口。

同時，通過組態配置后，不能改變用戶的使用體驗，顯示給用戶的定值數量和內容都根據組態配置的不同進行相應的變化。

定值的組態配置按照3個層次進行。第一個層次也就是最底層的是工程程序中實際使用的存儲在控制定值區內的定值；第二個層次是對第一個層次，即定值區中定值進行映射得到的一張定值映射表；第三個層次是對第二個層次，即定值映射表的結構進行描述得到的定值映射表結構描述信息。這3個層次間的關系見圖3。

定值映射表結構描述是應對定值映射表發生變化時的處理方法。如通過結構描述可屏蔽工程程序對定值映射表結構的依賴，保持工程程序的獨立性。如式（1）所示：Pos1是定值在定值映射表中的位置，為了得到該值，需要通過該定值所屬的功能、類型及在該類型中的偏移量查詢定值映射表結構描述。

定值映射表是實現定值管理模塊通用化的關鍵一層。定值映射表的結構相對固定，預先確定了該表中每個元素的位置與表示的定值含義，工程程序需要使用定值時，根據需要使用的定值，確定定值在定值映射表中的位置，即Pos1。然后訪問定值映射表。定值映射表存儲的是定值在裝置定值區中的偏移位置，即式（2）中的Pos2。根據Pos2，在裝置定值區中取得實際需要使用的定值。該過程使用公式如式（1）所示：

定值設置模塊的組態化配置實現了用戶控制裝置行為差異的統一處理，是實現穩定控制裝置組態式軟件的重要組成部分。

3.4 出口控制模塊

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置的輸出主要是接點信號，用于控制電力系統中的斷路器等設備，是對電力系統的反饋。

出口控制模塊的組態配置使用定值形式實現。針對穩定控制裝置的每一項功能都有一個相應的定值與之對應，同時，該定值中的每個位域也與控制裝置的每一個輸出接點相對應，從而實現了每一項功能對每個輸出接點的控制。

輸出控制是穩定控制的最后一個環節，實現了輸出控制模塊的組態配置，也就完成了控制裝置了組態配置。

4 系統實現

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置組態式軟件在SCS-200A硬件平臺上使用C語言實現。同時，在PC電腦平臺上使用Visual C++6.0編制組態配置管理界面，形成組態配置信息。

SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置已經完成了型式試驗。試驗表明，組態式的工程程序滿足快速、準確、可靠地執行穩定控制措施的要求。同時，對于不同工程的需要，使用本文設計的穩定控制裝置的組態式軟件，通過組態配置，能夠滿足各個工程的不同需求，實現工程程序的統一和獨立。

5 結束語

本文提出了SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置組態式軟件。該軟件通過對功能設定、外部輸入、定值管理、出口控制等各模塊的組態配置設計，通過生成的組態配置信息控制裝置程序的執行，實現了組態式的控制軟件。這種SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置組態式軟件具有很強的通用性和適應性，實現了同一套軟件適應不同工程的目標，不但大大縮短了工程開發和調試的周期，而且提高了頻率電壓緊急控制裝置的可靠性。

[1] 薛禹勝.綜合防御由偶然故障演化為電力災難—北美“8·14”大停電的警示[J].電力系統自動化，2003，27(18)：1-5.

[2] 甘德強，胡江溢，韓禎祥.2003年國際若干停電事故思考[J].電力系統自動化，2004，28(3)：1-4.

[3] 魯宗相.電網復雜性及大停電事故的可靠性研究[J].電力系統自動化，2005，29(12)：93-97.

[4] 孫光輝.新原理的電力系統頻率電壓緊急控制裝置的研究[J].電網技術，1995，19(11)：21.