面向FIX32工作平台的变电站SCADA仿真系统数据通信

面向FIX32工作平台的变电站SCADA仿真系统数据通信

汤雪
（内蒙古医科大学附属医院 内蒙古 呼和浩特010000）

本文针对变电站SCADA仿真系统，基于工业组态软件FIX32作为其开发平台，在SCADA系统和变电站仿真系统之间实现了数据通信，一方面为了能够满足带宽和速度的要求，在系统服务器和终端机之间进行数据的交换，采用了100M的以太网，同时运用了同步锁、内存共享等机制技术保证系统稳定可靠的运行。另一方面，基于工业组态软件提供的Client接口和DDE Server接口，形成的Server/Client组合模式的DDE通信程序来完成本地通信进程和监控画面之间的数据的通信。测试结果表明，该系统通信耗时较短，对于服务器的占有率也比较低，完全能够满足变电站系统要求。

变电站；内存共享；SCADA；FIX32 TN915.85

近年来，随着计算机技术和通信技术的飞速的发展，变电站的设计也需要考虑先进的自动化技术，从而能够提高其自动化水平和数字化程度[1]。本文设计的系统采用了软硬件结合的方式，通过软件仿真，然后再进行硬件的模拟，硬件模拟包含下面几个部分：模拟和控制屏、保护柜、可操控微缩模型、用电控制系统；软件仿真则包含SCADA系统、故障录波、调度仿真等[2]。

现代电力SCADA系统能够实时的采集各个变电站的RTU遥测、电量以及数字量等相关的数据信息。SCADA系统通过采集实时数据能够给电力系统提供强大的数据支持来计算电网的损耗以及其他的电力参数。作为以电子通信技术为基础的变电站综合自动化系统的交互界面也随之得到了大力的进步，从传统的机械仪表到如今的计算机图形交互界面。通过其监控界面能够了解变电站的运行的状况，比如查看登入登出的过程等，也能够通过设定的自动记录形成历史曲线，Intellution公司设计的FIX（工业自动化软件）完全符合该要求，因此本文就基于该开发平台来设计的变电站SCADA仿真系统[3]。

1 系统网络架构

FIX32以SCADA作为核心，是目前比较流行的工控组态软件，其集成了监控、保存、报警等多种功能，是一款较为全面的集成控制系统，FIX32包含了数据的采集、管理和集成这3个基本的功能，能够简单方便的全面集成数据，由于其各方面的优点，目前被广泛的应用在了各种生产过程自动化系统当中。

如图1所示，本文设计的仿真系统基于FIX32工控系统由工作站和服务器构建了分布式数据的采集和控制装置，并且为了保证数据采集配送的时效性专门设置了一台专用服务器，底层选取100 M的网络环境来保证系统运行速率的需求，并且基于主流的windows 7操作系统集合多种进程和网络通信机制，采用了TCP/IP协议和动态数据交换、远程过程的调用等通信方式，最终完成了各个系统服务器之间以及终端机之间的数据的交换[4]。

SCADA系统的数据采集通过工作站来完成，每一台工作站以FIX作为平台，采用I/O接口将数据传送到驱动程序映射表当中。然后按照TCP/ IP协议和Socket将服务器和多线程连接起来，形成数据交换链接，采用了共享内存和消息相互结合的方式作为FIX平台的传递模式，而SCADA数据的动态交换和画面的传送则通过DDE程序来完成[5]。

图1SCADA工作模式

2 本地通信进程和数据库服务器之间的通信

本地通信进程和服务器之间的通信如图2所示，软件终端的应用程序都同时运行在系统的每一个仿真终端之上，因此这就要求在整个局域网内能够保持数据的一致性，从而来确保系统内的数据指令的收发和计算[6]。共享内存的方式也被采用到了在本地通信进程和终端应用程序之间完成数据的交换，内存共享在计算机内存当中的全局共享段，能够自由访问不同的进程，在动态刷新了数据之后，系统还能够自动的将数据保存，终端的应用程序也能够在初始化的同时共享相关的数据。

终端的运行程序在运行的过程中需要实时的完成对相关数据的获取，通过进程之间的消息机制能够满足该种需求。

当Socket将消息发送给通信进程之后，就存入“动态数据共享内存段”，数据结构为：{“发送节点标识”，{“数据序号1”、“数据值1”}，……}，同时发送消息给数据处理进程，命令该进程从“内存段”获得数据，同样的，数据处理进程会通过内存段到通信进程数据交换，发送计算机的成果到网络上，从而完成动态数据的一致性的实现[7]。

图2 进程服务器之间通信

多线程的运行模式被采用在系统当中过的通信进程当中，由于双向数据流存在于本机进程之间和多机间，多线程的运行模式能够及时的处理并发的消息。由于系统的延迟，消息在不同的进程之间处理的时候会发生读写内存的冲突，丢失数据，为了避免发生这一现象，避免不同程序之间存在着不一致，在读写操作当中采用了同步锁的设置[8]。同步锁程序如下。

3 DDE程序和本地通信进程之间的通信

FIX图形是SCADA系统的监控画面，其核心是通过数据库来访问信息，图形应用程序提供了多样性的链接从而能够满足信息访问的需求，完整显示系统和过程的数据。操作人员也能够采用链接将数据写入数据库，而且也可以使来自于其他第三方的DDE（动态数据交换机制）的应用程序。如果要实现其他的应用程序、外部数据库、FIX三者之间的数据交换，那么就需要提供专门的DDE接口程序给FIX平台，保证了监控画面和数据库之间的双向的数据通信保证[9]。

DDE包含了进程和事件事件的数据传递，是进程之间的通信方式，在DDE当中引入内存共享机制，并且在同步数据当中引入DDE协议。“会话”含义是应用程序相互之间的交换数据，“客户”是发起对话的一端，“服务器”是响应端，DDE会话的初始化就是将WM_DDE_INITIATE消息发送到客户应用程序，然后传送窗口句柄，服务器应用程序会响应该WM消息。图3是数据通信的流程图[11]。

图3DDE通信流程图

DDE通信程序能够提供如下3种链接方式：冷链接、热链接、温链接，并且该通信程序也提供：客户、服务器、监视器以及服务器4种工作模式，FIX当中集成了DDEClient模块，用于在FIX数据库和DDE通信程序之间交换历史数据，而DDEServer模块能够进行图形界面和应用数据库之间交换数据[12]。针对系统的需要，将人温度、潮流等模拟量显示在机界面，压板、软光字牌等开关输入量在必要时也许体现，因此在进行系统DDE通信程序开发，就引入DDE客户/服务器模式，它能够发出请求的同时提供信息，并采用热链接方式给FIX数据库提供动态数据，完成监控画面的显示[13]。

内存的共享和本地通信直接通过DDE接口进行数据的通信。

4 实验测试和结果分析

系统的测试是随着设计一起进行不断的修正的，首选需要对各个模块进行测试，然后再进行系统的整体的测试，主要侧重于系统功能以及性能方面的测试[14]。在变电站SCADA系统当中的很多的性能指标都是有时间的限制要求的，可以利用精度微秒级的10 ms的GetTickCount函数来准确将测试代码的执行时间记录下来。

本地通信进程基于服务器当中的数据库来完成数据的交换，从而能够实现仿真系统和子系统协调的实时的仿真功能。仿真如下图，从图4中可以看出，当数据项在低于20 000的时候，客户端和服务器之间通信时间低于1.6 s，能够满足实际的工程需求。

图4 仿真验证结果

测试还将数据查询、修改以及插入作为性能指标，对20 000个数据点进行采样，记录了这些数据点的平均的耗时和CPU的占有率，经过详细的测试，测试结果如下：

表1 实时数据性能指标测试

5 结 论

基于组态软件FIX的SCADA系统作为仿真系统的重要的组成部分，能够最大限度的保证实时数据通信的实时可靠，本文提出在数据库和数据通信之间的两级通信的方案，即采用同步锁、共享内存以及消息通信机制的方案来完成服务器和本地终端的数据的通信[15]。FIX提供的DDEServer和DDEClient接口，采用这两种模式完成本地通信进程和SCADA监控画面实现交互通信，从而能够保证整个通信系统处于稳定的运行状态。

[1]辛耀中.新世纪电网调度自动化技术发展趋势[J].电网技术，2010，25（12）：1-10.

[2]姚建国，杨胜春，高宗和，等.电网调度自动化系统发展趋势展望 [J].电力系统自动化，2007，31 （13）：7-11.

[3]赵家庆，严胜，肖翔，等.双核冗余的电网调度自动化系统设计与应用 [J].电力系统自动化，2009，33（21）：101-103.

[4]朱东升，孙纯军，陈飞.500 kV变电站远方集中监控系统方案探讨[J].电力自动化设备，2009，29 （5）：126-129.

[5]黄邵远.地县级调度自动化一体化主站系统建设思路[J].电力系统自动化，2009，33（20）：100-103．

[6]王为国，曾伟民，代伟，等.基于数据仓库的一体化电力调度自动化系统 [J].电力系统自动化，2003，27（12）：67-70.

[7]谷海彤，潘炜.调度集控一体化系统在广州电网中的应用[J].电力自动化设备，2009，29（7）：109-113.

[8]谈苏伟，陈谦昌，刘国定.广东省能量管理系统前置机特色[J].电力系统自动化，2000，24（10）：53-55.

[9]谈苏伟，梁寿愚，陈宁，等.中国南方电网EMS前置子系统的工程应用 [J].电力系统自动化，2008，32（17）：95-99.

[10]董张卓，李宏刚，倪云峰.调度主站前置机的结构和软件设计[J].继电器，2008，36（10）：57-61．

[11]谈苏伟.电网调度自动化前置子系统实时数据库的设计与实现[J].电力自动化设备，2009，29（7）：130-133.

[12]吴俊玲，周双喜.并网风力发电场的最大注入功率分析.电网技术[J]2004，28（20）：28-32.

[13]李大路，李蕊，孙元章．混合量测下基于UKF的电力系统动态状态估计 [J]．电力系统自动化，2010，34（17）：17-21，92．

[14]卫志农，谢铁明，孙国强．基于超短期负荷预测和混合量测的线性动态状态估计[J]．中国电机工程学报，2010，30（1）：47-51

[15]刘辉乐，刘天琪，彭锦新．基于PMU的分布式电力系统动态状态估计新算法 [J]．电力系统自动化，2005，29（4）：34-39．

Data communication of substation SCADA simulation system based on FIX32

TANG Xue
（The Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Huhhot 010000，China）

The substation SCADA simulation system for the industrial configuration software FIX32 is used as a development platform，in order to realize the student SCADA system，between the substation simulation system data communication.On the one hand，in order to meet the requirements of bandwidth and speed and the exchange of data between the server and terminal，the 100M Ethernet，a synchronization lock and memory sharing mechanism are used to ensure stable and reliable system operation.On the other hand，based on the industrial configuration software Server DDE and Client interface，the Server/Client mode DDE communication program are formed to achieve the communication between the monitor screen and the data of the local communication process.The test results show that the system communication time is short and the server share is low，which meets the requirements of the substation system

substation；memory sharing；SCADA

TN0

A

1674－6236（2017）07-0092-03

2016-03-31稿件编号：201603417

汤 雪（1981—），男，江苏江阴人，硕士，中级工程师。研究主向：管理科学与工程。