基于110 kV 變電站的系統調度自動化設計

黃培珊

（國網福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362300）

0 引 言

調度自動化系統是電網運行中不可或缺的重要支柱，能夠實時監控電網狀態，及時發現和診斷異常情況，并采取相應的控制和調度措施，保障電網的安全運行[1-3]。此外，其還能夠自動化地進行電力系統的監控、控制與調度，減少人為錯誤的可能性，提高電網的可靠性。通過對電力市場的監測和交易，幫助電力公司優化電力資源配置，提高電網的經濟效益和運行效率。

隨著電力行業的快速發展，在電力系統的運行中，調度自動化系統通過自動化的電力系統監控、控制與調度，實現了對電力系統的高效管理和運行。調度自動化系統能夠實時監測電網狀態，預測負荷變化，優化發電機組組合和輸電線路配置等，從而保證電力系統的可靠運行。在未來，隨著電力系統的不斷發展和調度自動化系統的不斷升級，調度自動化系統將會在保障電力系統安全和經濟可靠運行方面發揮越來越重要的作用[4-7]。

1 調度自動化系統的總體設計

調度自動化系統不僅包括軟件，還集成了基于計算機的控制系統，包括數據的實時采集、可視化以及輕量傳輸，同時還有可應用于即時運算、分析與管理的軟件。數據采集和可視化系統具有數據捕獲、內容呈現、運行監測、狀態計算、分析以及監督等功能。

1.1 系統設計目標

本研究創建了一個集成監控控制與數據采集（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、能源管理系統（Energy Management System，EMS）、配電管理系統（Distribution Management System，DMS）的能源管理和仿真培訓系統，系統結合了電網監測、分析、研究與仿真培訓。該設計遵循以下幾個原則：（1）符合最新的國際標準，包括IEC 61970 系列標準；（2）根據用戶需求和投資，軟硬件選擇靈活；（3）與多種硬件平臺兼容，包括復雜指令計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）或精簡指令計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）工作站、服務器、高端微型計算機以及對稱多處理器機器（Symmetrical Multi Processing，SMP）；（4）在系統生命周期內具有可擴展的功能；（5）應用軟件模塊分布在網絡上，并帶有數據庫核心，可在任何節點上即插即用；（6）系統服務監測模塊可在任何節點上操作，便于維護；（7）冗余硬件設計，具有雙機、雙網、雙電源以及雙通道訪問，實現自動故障轉移與可靠操作。

1.2 系統設計基礎

該系統按照國際標準建造，采用先進的支持平臺和尖端技術，擁有全面的功能和強大的安全協議，確保信息集成的無縫性。為實現真正開放和易于擴展的系統，設計約束確保符合最新的國際標準，實現即插即用。該系統利用了一系列創新技術，如Java、數據庫、Internet、Cluster 等，并可以與Sybase、Oracle以及SQL Server 數據庫集成。其廣泛的功能包括實時電網監測、狀態估計、電力流測量、網絡拓撲、電壓和無功優化控制、靜態分析、負荷預測、故障診斷、調度和故障仿真以及自發電等。

為了滿足國際電工委員會制定的《能量管理系統應用程序接口（EMS-API）》系列國際標準，本研究在調度系統中專門設計了通用信息模型（Common Information Model，CIM）服務器[8,9]。它將組件的接口標準化并提供到系統中，大大提升了系統的可擴展性，并促進了電力公司的企業應用集成（Enterprise Application Integration，EAI）。此外，還能采用通用數據訪問（Generic Data Access，GDA）接口，為系統數據過濾查詢、資源標識、數據查詢、數據更新以及數據變化通知等提供訪問服務。

除了上述的GDA 接口，系統還提供了與GDA數據訪問接口一起的交換文檔工具，該工具基于可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）模型，方便數據在CIM Server 和XML 文件之間進行相互導入與導出[10]。這種方法特別適用于松耦合的企業應用集成。系統中的全模型可以通過導入導出來完成，同時部分由用戶特別關注的模型也可以通過該方法來處理。對于導入的數據，可以利用模式校對來檢查，這樣就可以確保數據交換的靈活性，同時也避免了系統被有害數據破壞。

1.3 硬件系統體系結構

利用雙網冗余結構作為系統的硬件結構，對于一些重要的節點，可進行雙機或多機保存，系統的實時運轉要求得到保證，可靠性得到增強。下一級系統可以利用通用接入設備進行系統通信，包括訪問服務器、終端服務器等，與遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）或其他系統的通信互聯。在通信過程中，異步信號作為一種常規信號，可直接在系統中接入。當系統接入同步信號時，需要利用一種同異步轉接裝置來接入。系統接收網絡信號時，可以直接接入局域網中。

1.4 雙倍冗余結構

由于電力系統需要滿足高可靠性的要求，主服務器、通信控制機以及終端服務器等系統主要設備都可以設計為雙倍的冗余框架，使得系統在遇到在故障時可自動切換。在調度自動化系統中，其軟件的功能模塊具備即裝即用的特點，在系統中的眾多節點機上都可以存儲軟件的每一個功能模塊，互為熱備用。在系統中，當任何一個節點機發生故障，系統的節點會自動轉換到其他的節點機上，確保系統在運行過程中連續可靠。

1.5 雙重網絡

本系統選擇雙重網絡結構，其目的是保證數據在通信過程中的可靠性。在系統中，可以選擇網絡流通速率自適應的切換網絡技術。在雙重網絡同時運行的情況下，負荷可以被平均分配，并且網絡可以自動切換。這種配置的好處在于，當其中一個網絡出現故障時，整個系統的運行不會受到影響。同時，雙重網絡還可以保證負荷平衡，確保系統始終保持高效穩定的運行狀態。

1.6 軟件的體系結構

數據通信總線的設計目標如下。首先，在各個系統之間，它們的模塊接口方式得到規范，這樣可以使符合規定的各個模塊之間傳輸的數據能夠靈活修改和增刪，還可以在系統的其他機器上實現隨時安裝與隨時使用，以便系統的靈活配置。同時，系統還致力于降低系統模塊之間的耦合度，提高系統的穩定性和效率。其次，系統提供了涉及數據傳輸、監測以及維護的公共服務，使得系統的模塊編程變得更簡單，開發人員能夠更加專注于核心業務邏輯的實現。最后，該系統采用了客戶-服務器工作方式。這種方式優化了系統結構，降低了系統的復雜性，并提高了系統的效率。在Oracle 數據庫訪問中廣泛采用這種工作方式，并應用于實時庫的訪問以及各軟件模塊之間的數據交互。通過客戶-服務器模式，系統能夠更高效地處理數據，并提供更好的性能和用戶體驗。在運行源代碼瀏覽程序后，可通過它直接編譯各種應用模塊，各個模塊的運行狀態也能被直接監測到。為了確保系統設備能正常運行，開發了雙服務器模式，信號接收流程如圖1 所示。

圖1 信號接收流程

然而該流程僅在主站內部進行信號接收，并沒有將信息上傳至局域網或調度中心。為了實現數據的實時監測，引入了雙層網絡應用于調度主站的連接上，使調度員和領導層能夠實時觀測數據。調度主站的連接方式如圖2 所示。

圖2 調度主站的連接方式

信號同時被A 網和B 網接收，前置處理機專門從B 網收集信號。前置處理機2 作為主機的備份，在待機模式下處理來自2 個網絡的數據。如果處理機1 出現問題，則處理機2 將接管其工作，直到處理機1 恢復。一旦處理機1 恢復，所接收到的數據將自動傳輸回處理機1。SCADA 服務器也采用類似的工作方式。病毒防御和網絡管理由保護工作站處理。Web服務器直接連接到A 網，其目的是方便查看其向局域網中傳輸的數據。Web 瀏覽只允許瀏覽，不允許修改數據，調度員沒有修改數據的權限。

2 基于110 kV 變電站具體調度自動化系統的設計

2.1 硬件組成設計

2.1.1 前置數據通信

前置數據通信是一種支持數字和模擬通道的通信方式，主要是將終端服務器連接到高速信道進行工作，可以采用同步或異步方式來完成數據傳輸。在這個過程中，通過遠動通道發送RTU 信號，利用調制解調器解調模擬信號，再利用光電隔離器對數字信號進行隔離。數據轉換控制箱將數據分成2 組，這2 組數據分別接入終端服務器的異步口，以實現其冗余熱備用。此外，將終端服務器和通信服務器進行連接，在通信服務器中配備的網卡一般都有3 塊，其中2 塊連接到系統的主網中，1 塊與終端服務器相連，這樣就避免了因終端服務器加重系統的網絡負擔。

2.1.2 終端服務器

這里的終端服務器以Moxa 公司的Moxa CN2516為例，主要功能是在局域網下從多通道中采集數據信息，擴展主機的串口。

2.1.3 數據轉換控制箱

數據轉換控制箱是一種用于對數據進行轉換控制的裝置，專門用于電力系統。其連接在調制解調器和終端服務器中間，主要作用是對主輔機傳輸過來的數據進行同步和異步通信轉換，同時對這些數據進行傳輸控制。其支持的通信手段有很多種，這也就使得數據轉換控制箱能夠靈活地適應各種通信需求。此外，通過數據轉換控制箱，用戶可以控制主輔機之間的數據傳輸，同時實現同步通信和異步通信之間的轉換，從而提高系統的可靠性與穩定性。

2.2 模塊設計

該部分的模塊設計結構簡單，且具有較強的實用性。其系統主要包括數據源、前置通信模塊、人機對話模塊、實時數據庫、歷史數據庫、數據庫編輯模塊以及數據存儲和處理模塊，這些子模塊都有各自的功能。數據在模塊中的流程走向以及后續的處理如圖3 所示。

圖3 數據在模塊中的流程走向

在上述模塊中，數據源首先傳遞給前置通信模塊和實時數據庫，然后在前置通信的模塊中，數據會分別傳輸給實時數據庫、人機會話模塊以及數據儲存和處理模塊。此時，實時數據庫中的數據源將傳遞到數據庫編輯模塊，再由數據庫編輯模塊傳輸到歷史數據庫，而數據儲存和處理模塊中的數據源也會傳輸到歷史數據庫。前置機和終端服務器之間的連接可以使用MoxaCN2516 終端服務器實現，在完成上述的數據庫配置后，存儲界面的顯示如圖4 所示，這個過程有助于減少數據的冗余。

圖4 存儲界面

3 結 論

文章介紹了基于110 kV 變電站的系統調度自動化設計，其可以確保電力系統的安全有效運行，同時也是電力系統安全穩定運行的關鍵組成部分之一。通過討論SCADA 在電力調度中的應用以及如何將其轉變為EMS/DMS，可以減少調度過程中的重復性工作，提高效率，提高電力分配的準確性。