严晓蓉，范存海
国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210003
0 概述
随着国家对电力建设投入的加大，变电站无人值班、供电设备的远程监控已成为目前电网安全运行的重要手段。供电企业为争创一流，提高电网运行的安全可靠性，把实现220 kV及以下变电站的无人值班作为目标。在市区实现覆盖220 kV电网（包括110 kV、35 kV电网）的变电站无人值班集中监控，其意义不仅仅减少一线生产人员达到减人增效的目的，更重要的是使供电局生产运行部门的电网控制管理水平提高一个新的台阶。
我国变电站无人值班集中监控从20世纪90年代初就开始进行。到90年代中期，随着变电站综合自动化技术的成熟应用，为35 kV、110 kV变电站实施无人值班提供了较好的技术条件，此时独立于调度自动化系统的无人值班变电站监控中心相继推出。这些现场使用的监控中心虽然具备了基本的SCADA功能，但系统配置都比较简单，系统处理容量及处理速度比较低，不具备商用数据库所具备的数据库管理功能及网络通信的处理功能，特别是不具备数据分层处理的功能，无法实现对较大规模的变电站监控信息的综合处理，无法满足无人值班变电站管理体制发展变化的要求。
随着网络技术、通信技术及计算机技术的发展，网络化、信息化大系统已成为国际上电力自动化系统的发展方向。
分散大系统在国内的研究还刚刚起步，主要表现在网络化的功能仅仅限于特定的自动化系统的WEB服务，没有完整地应用网络分布式带来的优势。另一方面，基于广域网的系统互连只是处于数据报文的通信，没有从基于WAN的网络互操作性上考虑，对网络数据分布形成的数据冗余带来的便利缺乏设计，更没有与这种模式相应的系统结构设计。
新一代无人值班变电站监控中心对促进电网安全可靠运行技术的进步体现在以下方面：网络技术、开放技术、容错技术、安全措施、实用性等。
1 系统模型
一般一个城市的监控中心系统由控制中心主站和若干控制中心子站构成，监控几十个变电站，整个系统是一个由分布在不同地理位置的子系统构成的复杂大系统。系统模型见图1。
图1 系统模型
2 主要技术
2.1 大系统分散容错控制理论
在大规模控制系统中优先采用分散控制策略，原因在于集中控制策略的闭环系统往往由于回路太多而难于实现，即使能够实现，还存在着设计复杂、投资太高、难于调试和维修保养等问题。分散控制比通常的集中控制系统具有较少的调试参数，易于理解和重调试，也便于设计容错控制。将复杂大系统分解成具有较少关联的各个子系统进行分别处理，是网络分布式理论的基础。网络分布式理论主要研究分布式运行环境、分布式容错机制、分布式数据处理等[1］。当前比较公认的标准是OMG（Object Management Group）制定的公共对象请求代理体系结构（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）标准，是OMG制定的关于网络上应用程序之间协同工作的一种规范，它独立于平台、操作系统、编程语言甚至网络协议［2］。CORBA包含以下一组标准：接口定义语言IDL（InterfaceDefinitionLanguage），通用对象请求代理ORB（Object Request Broker）间互联协议GIOP（General Inter-ORB Protocol）、Internet ORB间互联协议IIOP（Internet Inter-ORB Protocol），可移植对象适配器POA（Portable Object Adapter），以及CORBA组件模型CCM（Capacity Maturity Model）。通过使用标准协议IIOP，一个基于CORBA的应用程序可以和运行在网络上任何一台计算机上的、任何一种操作系统上的、用任何一种编程语言实现的基于CORBA的应用程序进行交互。CORBA最重要同时也是最常被用到的一种用途是：用来构造一个需要连接大量客户端程序，同时具有很高访问频率的服务器端的可靠实现。其主要组成部分见图2。
图2 系统主要组成部分
系统所有进程都具有容错功能。服务复制进程的应用提高了系统的可靠性。这样，如果一台计算机出现故障，其他计算机的备用进程能迅速接管故障机器的任务。其特点如下：①备用进程能以零秒切换时间接管故障机器的任务；②并行实时数据库隐藏了进程的界限和系统结构，从而简化了容错设计；③集成关系数据库备用；④容错设计大大提高了系统的可靠性。
2.2 网络通信系统
2.2.1 电力宽带数据通信网组网
电力宽带数据通信网的目的是建成一个采用先进技术，提供可靠、灵活、高质量的宽带服务，支持各种应用业务的统一数据平台，并简化网络的运行和管理［3］。
网络技术的发展必将是IP（Internet Protocol）向传统的电信网络的渗透和传统电信网络与IP的融合。IP技术作为一种承载业务和沟通传输的中间体，随着Internet的普及将在未来的网络应用中发挥更大的作用。
异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）电路交换与分组交换的结合是面向连接的网络技术，存在着相应的信令选路规程和地址结构，速度快、容量大，具有高可靠的QoS（Quality of Service）保证。IP网络是面向无连接的，它有自己的寻址方式和相应的选路功能，无需信令，因而没有信令开销，只有路由广播开销，但无QoS的保证，传送是无序的资源，既不预定，也不确定。IP与ATM有各自的特点，IP OverATM可综合ATM速度快、容量大、多业务支持能力强、可扩展性好、保证可靠的QoS等优点以及IP的简单灵活、易扩充和统一性的特点，达到优势互补的目的。
结合电力监控系统的实际，IP Over ATM技术是值得考虑的。这主要是基于以下原因：
（1）安全对于电力系统而言永远是第一位。未来的电力宽带数据通信网最重要的是安全 稳定运行。ATM技术经过10多年的发展，各种标准和制度已经逐渐成为构建WAN网的主要技术，而且它本身仍在不断发展和完善，保持了技术的先进性。
（2）ATM技术具备性能卓越的QoS和流量控制功能，这对电力系统的应用业务特别适合。针对一些重要的业务，如调度电话、远动数据和电力市场信息系统等，可以优先保证它们的传输和交换，而对于那些不太重要的业务，可以把它们的服务等级降低。同时ATM技术可以提供不同带宽的接口（64K～2.5G），保证各类型的接入业务。
（3）ATM技术能对电路仿真提供有效的支持。电路仿真在电力系统中仍有广泛的应用，全部淘汰显然是不现实的，应尽可能加以利用和改造。随着多协议标记交换MPLS（Multi-protocol Label Switch）技术的产生和发展，在ATM基础上实现IP应用业务已获得了长足的发展。
2.2.2 网络设计需考虑的问题
（1）网络带宽。由于监控系统是大数据量的信息处理系统，并且实时性要求很强，所以网络带宽的要求很高。
（2）网络安全。监控系统是一个操作要求十分严格的系统，在LAN中不同的用户、不同的操作工作站具有不同的操作权限，监控系统加入WAN以后，网上信息的安全、远程操作的权限，甚至WAN接入带来的网络带宽要求，都是相当严重的问题。
（3）网络效率。强烈的实时性要求监控系统不能只考虑网络带宽的问题，更重要的是网络效率。根据系统的特色，合理的应用网络效率要求从网络的基础技术上理解和设计系统。
（4）网络冗余。网络设计的冗余度在系统中如何采用，是系统整体可靠安全的重要环节。一个成功的网络具有以下要素：可伸缩性、实用性、可用性、兼容性、安全性、可管理性。
与其他系统的信息传输是系统开放性的重要体现。目前供电企业内部存在着多套系统，各自完成不同功能，处理来自不同方面的数据，而各系统之间却是相互独立的，几乎不能做到任意数据的任意访问。因此，系统之间的数据交换是必不可少的。如在正常情况下控制中心从它本身的通道取得实时数据，但在通信故障时，亦能保证从调度自动化系统中获得所需厂站的信息，同样作为监控中心系统也能对来自调度自动化系统端的数据获取请求提供相应实时数据。提供实时信息具有建立在平台基础上的与其他系统的互连方案，有利于解决广泛范围的系统互连。
2.3 面向对象理论
面向对象理论经历了几个阶段的发展，从一种编程技术、设计技术发展成为系统结构理论，从而产生了即插即用模块设计技术等应用。该系统除采用面向对象的理论实际系统的整体结构以及各个模块外，还应用在数据通信的规约报文实现中，事实上，IEC所制定的电力系统自动化相关标准，在后期均是采用XML语言，用面向对象的方式描述的，而且与OMG的CORBA有着密切的关系，即均是建立在CORBA标准之上的。
面向对象理论在该系统中的另一种应用是面向对象的数据库描述和管理机制与关系数据库的相结合。它具有如下特点：①能表示客观世界（电力系统）中各种复杂的对象；②能依据用户所需的数据类型扩大其类型集；③结构与行为要相互关联；④消除数据库和编程语言间不匹配和语义断层；⑤能支持主动性的事件检查和处理功能；⑥有灵活的知识表达能力；⑦能快速响应长事务和多重嵌套事务的能力。
2.4 并行的面向对象的实时数据库
监控系统中为了满足实时性的要求，都设计一套实时数据库。该系统最独特、先进的特点表现在并行实时数据库的应用。系统每一个服务器和工作站都有自己完全同步复制的面向对象的实时SCADA数据库。这种设计特性具有许多竞争优势：①大大减少了局域网通信量和带宽要求；②更快的人机界面；③更分散的处理结构；④更灵活简单地实施容错功能。
系统应用广播和多点传送消息大大减少了局域网带宽。每一台计算机上都具有实时数据库服务，使得调度员站的人机界面速度更快。由于实时数据库可以从任何的工作站或服务器直接访问，与传统系统相比，总计算负荷可以更容易地分布到单个计算机上。另外，并行的实时数据库隐藏了进程运行的界限，实现容错配置就更加容易。
2.5 商用数据库管理系统
目前，广泛使用的商用数据库已成为工业界数据库应用的潮流，有了商用数据库的管理，才能方便地实现信息的共享，现有的商用软件才可直接使用，与其他系统的互连才能按标准方式进行，系统才能真正具有完全意义上的开放性。商用数据库管理系统采用目前效率最高，具有Client/Server模式，支持SQL访问的关系型数据库，主要用于数据对象、历史数据、告警信息、图形画面等除实时数据以外所有数据的存储，以及整个系统数据安全性的检查，一致性和完整性的保证等。
商用数据库具有可靠性高、容量大、接口标准、安全性好等特点，已被越来越广泛地应用于各种系统中，成为开放系统的重要组成部分。有了商用数据库，所有数据就有了标准的访问接口，为数据的共享提供了必要的基础条件。但只采用商用数据库实现系统之间数据的共享还是很不够的，必须设计一套公共数据模型和数据映射机制来保证系统对外开放的数据模板的一致性。
但是，如果全部直接使用商用数据库，又难以满足电力系统实时性的要求，所以在设计数据库管理系统的时候，应采用实时数据库管理系统和商用数据库管理系统相结合的方法。
3 系统实例
图3为一城市的变电站监控中心系统结构。
图3 变电站监控中心系统结构
该方案在市局建设一套无人值班监控中心，将市区所有无人值班的厂站信息接入系统，通过系统网络延伸的技术在3个分控站设置操作终端，供站值班人员监控操作。所有数据的接入均在主站完成，系统所有的维护工作都在主站进行。在主站及子站之间通过光纤通信网络相连，虽然在地域范围很大的网络，但从系统的角度仍然可以看作在局域网内部，这样系统的同步通过对象管理服务（Object Management Service，OMS）来完成。通过数据责任区的配置，把属于不同子系统的数据分别流向各自的子站，而且数据服务进程可以分别在主站和3个子站同时平行处理。这样既能保证数据的一致性，又能实现系统分布式处理的目的。
主站计算机系统的组成包括：提供系统数据库管理服务功能的主热备冗余服务器子系统，实现数据采集功能的前置通信子系统（实现多种信息接入方式，对于110 kV变电站主、备通道都采用常规串口通信方式：经双切、终端服务器上网；对于220 kV变电站主通道采用以太网通信，并且提供常规的串口通信为备通道，同时保证信息的唯一性、一致性），实现实时数据处理、变电站监控、信息分类处理、运行分析告警等基本SCADA处理功能，并在此基础上建立SCADA高级应用和专家系统。例如，信息分层处理、分站责任区域管理，针对不同的信息，按区域、级别分层次处理，每个分站（或工作站）只处理责任范围内需要处理的信息，能够起到信息安全隔离的作用；网络拓扑、动态着色功能，通过网络建模拓扑分析实现对变电站一次接线的动态着色功能，区分带电部分及不带电部分；状态估计功能，要在网络建模拓扑分析的基础上实现状态估计功能，提出可疑信息表并在图形界面上直接反映；人工智能决策支持功能，应在状态估计的基础上，采用人工智能技术，有效地解决误遥信问题及事故遥信的准确判断问题；综合查询功能，是在商用数据库管理系统的基础上，采用模糊对象识别技术，实现综合查询功能，为统计分析电网运行情况提供科学依据；电压无功调节功能，即针对系统的电压以及无功分布情况，计算出合理的调配方案，供值班人员参考。该系统与传统SCADA系统的区别还在于，它不仅被动地接收各类数据，而且对各种信息量可进行分析、判断、归类，提供合理的建议和结论，供值班人员参考。
分站计算机系统的组成包括：提供实现责任区域范围内变电站监控人机操作界面功能的值班员监控工作站子系统，提供系统维护和日常生产管理功能的维护管理工作站子系统。
4 结束语
实时监控系统一向被当作孤立的系统对待，系统互联的问题不被重视。即使存在系统互联，一般采用转发（网络转发或串口转发）的方式来解决。转发方式只能在2个系统间实现少量的数据交换，当数据交换量较大，尤其是多于2个系统之间需要交换数据时，转发方式就束手无策了。而且，转发方式还有一个致命的缺点，即数据丢失以及因为时间延迟造成的数据不一致性。近年来，网络技术、通信技术及计算机技术的发展为系统互联奠定了基础。在大系统分散容错控制理论的基础上，结合CORBA技术的广泛应用使建立网络化大系统成为可能，在变电站监控中心系统的实际应用中，它为系统的建设提供了安全、可靠、高效的运行方案。
5 参考文献
1 HuShousong，Fan Cunhai. On Fault-tolerant Functional Observer. Proceedings of American Control Conference. June，1994
2 李晓露，石东源.EMS的MAS体系结构研究.电力系统自动化，2001，25（11）
3 毕永军，尹传平.林孝康.通信网的现状及发展趋势.电力系统自动化，2001，25（1）
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
