调度自动化混仿培训系统的模拟远动终端设计

张明，穆世霞，张秀娥，李宏伟，王全

（1. 北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192；2. 大同电力高级技工学校，山西大同 037039；

3. 国网技术学院，山东 济南 250002）

随着国家电网建设日益加快，目前我国电网调度系统已经初步实现了自动化。调度自动化系统对电网运行的安全性及经济性等方面都提供了强有力的保障。由此而来的对调度自动化运行维护人员的培训需求也日益迫切。

目前已有的调度自动化仿真培训系统往往是通过计算机模拟实际电力系统的运行特性，并提供模拟的调度自动化主站系统来培训运行操作人员[5]。然而当学员适应了模拟主站界面之后，投入到实际的生产工作中，仍然需要重新投入大量时间与精力来熟悉现场应用的真实调度自动化主站系统操作。因此，一种采用计算仿真技术来模拟电网运行，结合真实调度自动化主站系统的混合仿真培训系统需求应运而生。

在这样一套混合仿真系统中，电网仿真运行计算部分与真实调度自动化主站之间的通信功能就成为十分重要的部分。其可靠性、实用性和高效性都需要得到满足。本文提出了一种基于IEC60870-5-104标准规约的调度自动化混合仿真培训系统的厂站远动终端解决方案，并结合实际工程应用进行了测试。

1 关键技术

调度自动化混合仿真培训系统主要由核心电网仿真模块、通信模块、真实主站系统3部分组成。厂站运动终端模拟主要指通信模块，采用IEC104通信规约[1-2]进行功能开发设计。具体通信模式为：IEC104通信模块作为从站端（Server端），调度主站作为主站端（Client端），二者采用一个网口建立物理链接。

1.1 通信模块与仿真模块数据交换

电网仿真系统对实时性要求较高，因此对通信模块与仿真系统之间的数据交互效率提出了较高的要求。电网仿真可涉及上百个变电站仿真模拟，针对仿真系统数据规模大这一问题，可考虑采用数据库以及共享内存这2种方式进行进程间的数据交换。

目前市面上实时性较高的数据库主要有OSI公司的PI（Plant Information System）和Instep公司的eDNA（enterprise Distributed Network Architecture）等，其价格昂贵，并不适用于本培训系统设计。经过笔者试用测试网上开源的SQLite等数据库也无法满足设计需求。因此，在本设计中，选择通过带标识的共享内存队列的方式来实现通信与仿真2个模块之间的数据交互。

通信模块主要负责循环监视上行队列、下行队列，并将取得的数据转发给相应的仿真模块以及104通信主站程序。其过程如图1所示。

图1 通信模块与仿真模块交互示意图Fig. 1 The interaction between the communication module and the simulation module

在系统实际运行过程中，仿真系统需要往调度主站上送实时的遥测、遥信、遥控返回信息、变位遥测、变位遥信、对时以及SOE信息，却仅仅只需要接收调度主站下发的遥控预置、遥控执行命令。因此，以仿真系统到IEC104通信模块为下行方向，设计数据结构如表1所示。

表1 通信模块与仿真模块数据交换结构Tab. 1 The interaction structure between the communication module and the simulation module

定义主要接口如表2所示。

表2 通信模块与仿真模块接口定义Tab. 2 The interface definition of the communication module and the simulation module

1.2 通信模块与调度自动化系统的通信

在调度自动化仿真系统中，往往需要仿真计算整个地区电网的潮流数据。根据电网规模不同，需要模拟数十乃至上百个厂站的RTU设备，同时与一个或多个调度主站进行通信。因此，若直接采用变电站中的104通信方式，每个厂站或RTU设备都设置一个进程与主站通信，对硬件处理能力的需求将会大大提高，从而增加系统成本。

本设计中采用多线程方式编程，系统资源占用率大大下降。通信模块在通信过程中处于Server端，每一个线程模拟一个厂站或者RTU设备与主站通信。为区分不同厂站及RTU设备，线程之间使用端口号作为识别。端口设置与厂站点表信息在程序初始化阶段从配置文件读取。

在通信过程中，IEC104规约规定了和连接有关的4个超时时间，分别是T0（TCP连接超时）；T1（从站（RTU）端启动U格式测试过程后等待应答超时）；T2（从站（RTU）端上送变化信息或总召唤结束报文后，等待主站端返回S格式报文的超时）；T3（从站（RTU）端与主站之间没有实际的数据交换时候，任何一端启动U格式测试过程的最大间隔时间）。

在仿真系统运行过程中，由于非生产系统对于安全性和可靠性与执行效率之间的权衡可以适量放宽。因此，在超时处理方面，加入断线重连机制，以应对T0的处理；而在通信过程中，从站（RTU）不判定报文的应答，以提高程序处理的效率，减轻多线程处理过程中的系统负担。因此，只需要考虑对T3超时的处理，即在T3时间内未接受到主站任何报文，从站（RTU）端主动上送U格式测试帧报文，以保障链路不受中断。

程序主要流程如图2所示。

图2 通信模块主要程序流程Fig. 2 The main program flow of the communication module

程序启动时，首先由程序读入厂站端口配置信息后根据端口创建线程，并读取该端口对应厂站的电表信息。然后进行通信链路初始化，监听主站的TCP连接请求，随时响应通信主站的TCP连接请求。当建立网络连接之后开始接受并应答主站的StartDT请求，开始网络数据通信。紧接着接收并响应总召唤令，报告全数据。随后进入正常通信过程，报告变化的遥测和遥信数据，并接受主站遥调及遥控命令。

2 实际应用与测试

本设计方案采用IEC104协议，完成电网仿真系统与真实调度自动化主站之间的通信工作，需要通过测试和验证。笔者采用了国内权威厂家生产的调度自动化主站系统，对根据本文方案编制的通信程序进行了系统测试。测试内容主要包括通信建立/断线重连、遥测/遥信对点、开关遥控时间以及变化遥测/变位遥信刷新等。

2.1 测试通信建立/断线重连

修改配置文件中厂站个数，启动通信程序与主站建立连接，然后拔插网线使程序断线重连，查看主站通道状态并记录连接结果及连接时间。

2.2 测试遥测/遥信对点

在不同厂站个数的情况下，增加各厂站遥测/遥信点数，启动通信程序与主站建立连接，然后核对各遥测/遥信数值是否正确。

2.3 开关遥控时间测试

在不同厂站个数的情况下，启动通信程序与主站建立连接，随机选择开关进行遥控操作，以每次20个遥控操作为单位，分别测试3次。记录各厂站开关遥控执行情况以及平均返回时间。

2.4 变化遥测/变位遥信刷新测试

在不同厂站个数的情况下，启动通信程序与主站建立连接，随机选择开关进行遥控操作。记录各厂站平均遥信变位界面刷新时间以及相对应平均变化遥测值刷新时间。

根据表3—表6的测试结果，可以得出结论：本文所提出的方案在实际应用中能够充分满足调度自动化混合仿真系统需求。

表3 通道连接测试Tab. 3 The test of the channel link

3 结语

本文提出了一种应用于调度自动化混合仿真培训系统的厂站终端模拟设计方案。应用最广泛的IEC104规约，提出了一种兼具可靠性、高效性及实用性的培训系统解决方案：以现有采用共享内存方式实现仿真数据与通信之间的信息流交互；利用多线程机制实现多个厂站远动终端模拟与调度主站通信；利用端口识别厂站方式；实现单一网口与主站建立物理链接。该设计方案实现了电网仿真系统与真实调度自动化主站的有机无缝连接，满足调度自动化专业人员的培训需求。

表4 对点测试Tab. 4 The test of the point-check

表5 遥控时间测试Tab. 5 The test of the remote control time

表6 变化量刷新时间测试Tab. 6 The test of the refresh time for the changed value

目前，应用该设计的调度自动化混合仿真培训系统已经在山西省电力公司大同电力学校投入使用，运行状态良好。该系统为全省调度自动化运维人员提供了培训平台。

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