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發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)仿真監(jiān)控平臺研究

2017年電子技術應用第12期

蘇暢1，龔鋼軍1，羅安琴1，熊申鐸1，劉韌2

1.華北電力大學北京市能源電力信息安全工程技術研究中心，北京102206； 2.北京卓識網安技術股份有限公司，北京102206

摘要： 為了同步實時獲取電力系統(tǒng)動態(tài)仿真數(shù)據(jù)以實現(xiàn)交互式仿真，使用LabVIEW軟件及其數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊設計了一套監(jiān)控平臺，并利用MATLAB/Simulink軟件進行了驗證。構建了三相同步發(fā)電機帶負載仿真模型，可通過程序控制斷路器接入兩種負載產生不同工況，支持現(xiàn)場對發(fā)電機電氣參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，利用過程控制對象連接與嵌入OPC技術將測量值傳遞到虛擬儀器監(jiān)控系統(tǒng)中實時顯示各監(jiān)測對象當前值和趨勢圖，同時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與存儲、與模型控制交互等關鍵功能。實驗結果表明，監(jiān)控平臺能正確地監(jiān)控仿真模型的運行，并執(zhí)行所設計的各項功能。

關鍵詞： 交互式仿真數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) LabView OPC

中圖分類號： TN98
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174207
中文引用格式： 蘇暢，龔鋼軍，羅安琴，等. 發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)仿真監(jiān)控平臺研究[J].電子技術應用，2017，43(12)：65-68.
英文引用格式： Su Chang，Gong Gangjun，Luo Anqin，et al. Research on dynamic simulation and monitoring platform of power generation system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：65-68.

Research on dynamic simulation and monitoring platform of power generation system

Su Chang1，Gong Gangjun1，Luo Anqin1，Xiong Shengduo1，Liu Ren2

1.Beijing Power System Information Security Engineering Technology Research Center in Energy Industry， North China Electric Power University，Beijing 102206，China； 2.Beijing Excellent Network Security Technology Corp.，Ltd，Beijing 102206，China

Abstract： A set of monitoring platform is designed for real-time data acquisition in power system dynamic interaction simulation, by LabVIEW software with its datalogging and supervisory control module, and verified by MATLAB/Simulink software. A simulation model of three-phase synchronous generator with load is established and could be changed into two kinds of states, through a set of programmable circuit breakers. At the same time, the electrical parameters of the generator could be continuously monitored. All the measured values transmit through OPC communication to the shared variables published on the network by virtual instrument monitoring system, in which the current values of the monitoring objects with their trend charts are displayed in real time. Lots of functions and features, like data acquisition and storage, as well as controlling with the simulation model interactively are also realized. The results of experiments show that the monitoring platform can correctly monitor the simulation model in run mode and perform in designed routine.

Key words : interactive simulation；supervisory control and data acquisition；LabVIEW；OPC

0 引言

電力系統(tǒng)的動態(tài)過程是一個從機電暫態(tài)到中長期動態(tài)的連續(xù)過程^[1]，電力系統(tǒng)動態(tài)仿真需要引入一般暫態(tài)仿真中不涉及的長過程和慢速特性，常用于電力系統(tǒng)的中長期過程動態(tài)穩(wěn)定性分析和復雜或嚴重事故的事后分析等。

目前，在電力系統(tǒng)動態(tài)仿真分析中尚待解決的主要問題^[2]包括：

(1)如何有效利用智能電網中各種智能電力設備和新型信息源的信息；

(2)現(xiàn)有仿真結果龐雜而分散，主要靠人工實現(xiàn)結果的綜合分析，如何實現(xiàn)仿真結果的智能化分析；

(3)如何評價模型的準確性和仿真的可信度^[3]；

(4)如何對漸變的動態(tài)過程進行模擬^[4]和重現(xiàn)，并自動化仿真測試^[5]。

因此，需要建立更準確的數(shù)學模型，研究更高效的仿真算法和更智能的人機交互仿真方法。而現(xiàn)有的電力系統(tǒng)仿真軟件主要關注功能實現(xiàn)，忽略操作的便攜性和交互性，且架構封閉、擴展性差^[6]，仿真數(shù)據(jù)處理通常在仿真結束后進行，并且主要依托于人工實現(xiàn)，這對中長期動態(tài)仿真分析形成了不小的障礙。如果能對仿真過程加以干預，實時采集模型運行數(shù)據(jù)，甚至實時對模型進行同步分析，將有助于動態(tài)過程仿真問題的及早發(fā)現(xiàn)。真實工業(yè)現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)^[7]（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）來進行數(shù)據(jù)采集和過程控制^[8]，遍布現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)采集終端是該系統(tǒng)的最終數(shù)據(jù)來源，可編程控制器或離散控制系統(tǒng)等集中控制設備將這些數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)中心^[9]，這種以硬件運行為基礎的SCADA系統(tǒng)并不適用于電力系統(tǒng)動態(tài)仿真的監(jiān)測。此外，專門的SCADA系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)軟件^[10]并不具備強大的數(shù)據(jù)分析能力和軟件通信能力，也不能滿足智能化分析的需求。

應尋求一種結合仿真軟件和數(shù)據(jù)分析軟件各自優(yōu)勢來研究電力系統(tǒng)動態(tài)仿真的辦法，即在仿真軟件內實現(xiàn)仿真，在數(shù)據(jù)分析軟件內實現(xiàn)監(jiān)控，再利用軟件的通信方式將兩者聯(lián)合，前提是兩個軟件都支持同樣的通信方式。這一問題目前已經有了比較成熟的解決方案。本文制定了詳細的監(jiān)控平臺設計方案，重點研究和實現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)控功能和軟件通信功能，并進行了仿真驗證，得到了可觀的結果。

1 仿真監(jiān)控平臺設計

本文研究的仿真監(jiān)控平臺分為上下兩層應用程序，上層是監(jiān)控系統(tǒng)，下層是作為數(shù)據(jù)來源的仿真模型，兩者通過TCP/IP網絡相連，整體結構如圖1。

選擇MATLAB軟件Simulink模塊來完成動態(tài)仿真。雖然MATLAB自身也支持人機交互圖形用戶界面的編程，但用來開發(fā)監(jiān)控程序時，還需在數(shù)值判別和數(shù)據(jù)處理方面做很多工作。相比之下，虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW和它的數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊（Datalogging and Supervisory Control，DSC）則更能滿足測量與控制系統(tǒng)開發(fā)的需求^[11]。LabVIEW是美國國家儀器NI公司開發(fā)的圖形化編程軟件，使用直觀的程序框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的代碼，采用數(shù)據(jù)流式的編程方法和運行方式^[12]，自帶大量圖形化輸入輸出控件和專業(yè)的虛擬儀器VI子程序，極大地簡化了圖形界面和程序開發(fā)的過程。監(jiān)控程序的開發(fā)和相關資源配置過程一般稱之為組態(tài)。目前應用比較廣泛的組態(tài)工具除了專業(yè)的組態(tài)軟件以外，還常用通用程序語言及開發(fā)工具^[13]，但這種組態(tài)方法需要額外制作大量的工業(yè)圖像，并且調試困難。DSC模塊是在LabVIEW基礎功能之上的一項擴展，可快速開發(fā)應用于分散測量、控制和高信道傳輸監(jiān)測，集成工業(yè)圖像控件、數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示、報警事件控制、數(shù)據(jù)存儲與記錄，以及過程控制對象連接與嵌入^[14]（Object Linking and Embedding for Process Control，OPC）等功能。可以說，DSC是專門為滿足工業(yè)過程測量、控制與組態(tài)需求而設計的^[15]。

OPC是以微軟的COM/DCOM為基礎，采用客戶/服務器模型制定的一種數(shù)據(jù)訪問標準^[16]。MATLAB/Simulink也提供一套功能完備的OPC Toolbox工具包^[17]，用以支持分布式網絡通信。LabVIEW除了擁有自己的OPC服務器外，還可使用共享變量引擎組件^[18]作為OPC客戶端，允許發(fā)布變量到網絡并發(fā)布至網絡上任意開放OPC服務器，從而實現(xiàn)不同應用程序間的數(shù)據(jù)交互。

2 Simulink仿真模型

本文以典型的三相同步發(fā)電機運行仿真^[19]為例，對發(fā)電機不同運行狀況下的端電壓、定子電流和功率等電力參數(shù)進行監(jiān)測。仿真時長可達數(shù)十秒甚至更長，期間將控制斷路器的開閉接入不同負載以測試上層程序功能。使用如圖2所示的發(fā)電系統(tǒng)運行仿真模型。

仿真的核心是位于圖2最左側的三相同步發(fā)電機簡化模型。設定正常情況下發(fā)電機外接純阻性負載Series RLC Load，此時測量到的電力參數(shù)三相對稱且數(shù)值合理；當圖右側三相斷路器接通時，位于模型最右側的不對稱三相并聯(lián)負載Parallel RLC Load將接入系統(tǒng)，導致發(fā)電機進入異常運行狀況，測量值將會發(fā)生明顯的波動，且有報警數(shù)據(jù)產生。Powergui模塊是Simulink為電力系統(tǒng)仿真提供的簡單圖形用戶界面和配置與分析工具^[20]，如果缺失，系統(tǒng)將無法連續(xù)、穩(wěn)定地運行。設定仿真模型的運行方式為連續(xù)運行，除延長仿真時長外，其余設置均按默認即可。模型運行時，OPC Read模塊將按設定的頻率讀取來自LabVIEW的斷路器控制信號，OPC Write則把發(fā)電機的測量信號傳遞給位于網絡的共享變量引擎，再由監(jiān)控程序按約定的頻率取用。在此之前，需要在LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)工程中建立并發(fā)布共享變量到網絡，并在Simulink模型中使用OPC configuration模塊配置LabVIEW共享變量引擎為OPC客戶端，還需分別在OPC 讀寫模塊中綁定相應的變量，并設置合適的采樣方式。

3 LabVIEW DSC軟件編程

虛擬儀器的程序開發(fā)分為兩個部分：前面板和程序框圖。前面板類似于傳統(tǒng)儀器的使用界面，主要包含可用于人機交互的輸入輸出控件，如：按鈕、數(shù)值輸入、顯示框等，也可以添加圖形、圖像、文字等美化元素。程序框圖相當于計算中心，前面板的控件在程序框圖中都有對應的接線端以供編程使用，開發(fā)者利用圖形化的編程語言編制程序。過程化程序的編程思想完全適用于虛擬儀器程序開發(fā)，它的每一種數(shù)據(jù)類型和變量、程序結構都能找到對應的框圖表示，并有豐富的函數(shù)庫支持。

監(jiān)控平臺的功能與SCADA的監(jiān)控中心類似，主要有：實時顯示和界面指示、自動報警、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)庫管理等。其中，自動報警與事件處理功能是監(jiān)控程序與其他程序的最大區(qū)別。自動報警是指變量達到預設限值時由監(jiān)控系統(tǒng)產生消息并通知的過程。它為使用者提供了一種方便的數(shù)據(jù)管理辦法，能濾除大部分正常數(shù)據(jù)，聚焦于異常發(fā)生的時刻和狀態(tài)，更便于問題的分析。對于報警以及數(shù)據(jù)操作，DSC模塊都提供自動和手動編程兩種實現(xiàn)方式，并提供VI子程序和Express VI，避免開發(fā)者在底層程序上浪費大量時間。自動方式并非是指完全不需要編程，僅僅是實現(xiàn)報警自動讀取、確認，或數(shù)據(jù)庫的自動存儲等輔助功能。

監(jiān)控平臺主程序作為系統(tǒng)操作和功能控制主界面，能實時顯示當前測量值并繪制實時趨勢圖，控制仿真模型負載接入與斷開等。主程序運行時的前面板局部界面如圖3所示。實時趨勢圖是使用DSC模塊提供的Express VI實現(xiàn)的，左側實時數(shù)據(jù)框中顯示的是各測量值的當前值，會隨著程序的運行不停變化，上方中間3個右側箭頭的開關則是斷路器的控制信號，綠燈點亮時表示已接入并行負載。系統(tǒng)的初始狀態(tài)是沒有接入負載的，分析實時趨勢圖的波形可以看到，負載接入后發(fā)電機功率發(fā)生了較大的波動。主程序流程圖如圖4所示，程序主體是一個定時循環(huán)，這個定時時間往往設定在毫秒級別，以保證足夠高的數(shù)據(jù)采樣頻率。

DSC模塊中的報警VI能監(jiān)測指定的共享變量，并允許基于特殊超限值或變化頻率的報警事件發(fā)生，并以文本通知或其他形式告知使用者。報警的工作方式類似于微機系統(tǒng)的軟件中斷機制。對共享變量設定允許報警和數(shù)據(jù)記錄，DSC會自動對這些變量進行監(jiān)測，一旦數(shù)值超過設定的告警值就會有報警事件產生。對于每個變量，DSC允許其有四級基于特殊值的報警和一級基于變化頻率的報警，用戶根據(jù)自己的需求進行等級和數(shù)值的配置。報警處理的一般過程如圖5所示。

高優(yōu)先級以上報警必須人工確認。因為優(yōu)先級越高的報警事件的發(fā)生，意味著對真實現(xiàn)場的危害越大。低優(yōu)先級報警一般可通過自動確認處理為警告。在人工報警確認前，如果變量數(shù)值回復正常，該報警并不會被確認，如果變量再次超限，將不會被認為是一次新的報警。這樣就能保留異常出現(xiàn)的起點，便于使用者觀測和分析數(shù)據(jù)。報警程序前面板如圖6所示。

報警面板顯示各監(jiān)測對象的狀態(tài)，指示燈熄滅表示該變量正常，指示燈點亮表示異常，且在報警記錄中有詳盡的消息提醒。報警程序流程圖如圖7所示，使用讀報警VI和變量標志符監(jiān)視共享變量值，報警產生以后讀報警VI將生成一維簇數(shù)組格式的非空輸出，一個數(shù)組元素對應一條報警消息，包含了用戶關心的報警變量名、時間、級別等重要信息，以此來識別報警對象和產生通知消息。

仿真模型的持續(xù)運行會使得變量一直處于變化狀態(tài)，如果將這些數(shù)據(jù)全部存儲，數(shù)據(jù)庫將變得過于龐大和低效。考慮諸多因素，DSC使用Citadel數(shù)據(jù)庫來保存允許存儲的共享變量與報警事件。Citadel數(shù)據(jù)庫并不存儲所有數(shù)據(jù)，它只在數(shù)值發(fā)生一定變化時才存儲，這種存儲方式可以節(jié)省大量的存儲空間，也是對運行中的仿真模型進行監(jiān)控的基礎。Citadel數(shù)據(jù)庫中存放的所有數(shù)據(jù)都可供查詢，DSC有完整的數(shù)據(jù)庫工具供使用。除了直接手動編程完成數(shù)據(jù)庫操作以外，DSC還提供Express VI能自動查詢、索引和管理數(shù)據(jù)庫并完成相應操作，歷史查詢界面與主程序前面板類似。

至此，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的核心功能——實時數(shù)據(jù)與趨勢顯示、報警與事件處理，以及數(shù)據(jù)采集與存儲已基本實現(xiàn)。LabVIEW是一個開放的平臺，還提供完備的數(shù)據(jù)庫、信號處理和控制設計工具模塊，以及計算方式和進程管理功能，具有強大的數(shù)據(jù)分析和軟件交互能力，將有助于平臺功能的進一步完善。

4 結束語

本文研究的動態(tài)仿真監(jiān)控平臺具有友好的交互界面能實時、同步地采集仿真數(shù)據(jù)并存儲，能對仿真過程進行控制，能對異常數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和初步篩選，且平臺開放性強。仿真是研究電力系統(tǒng)的重要手段，隨著電力系統(tǒng)仿真復雜度的增加，人工的方式將很難滿足需求。無論是對于自動化數(shù)據(jù)分析，還是智能交互仿真，或者研究仿真模型準確度等問題，數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制交互將有著重要的作用。

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