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(fù)雜或嚴(yán)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(wǎng)中各種智能電力設(shè)備和新型信息源的信息；

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

    (3)如何評價模型的準(zhǔn)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(zhǔn)確的數(shù)學(xué)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(guān)注功能實現(xiàn)，忽略操作的便攜性和交互性，且架構(gòu)封閉、擴展性差^[6]，仿真數(shù)據(jù)處理通常在仿真結(jié)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(yù)，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(shè)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(chǔ)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(yīng)尋求一種結(jié)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(nèi)實現(xiàn)仿真，在數(shù)據(jù)分析軟件內(nèi)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(jīng)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(shè)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(jié)果。

1 仿真監(jiān)控平臺設(shè)計

    本文研究的仿真監(jiān)控平臺分為上下兩層應(yīng)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(wǎng)絡(luò)相連，整體結(jié)構(gòu)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(guān)資源配置過程一般稱之為組態(tài)。目前應(yīng)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(diào)試?yán)щy。DSC模塊是在LabVIEW基礎(chǔ)功能之上的一項擴展，可快速開發(fā)應(yīng)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(shè)計的^[15]。

    OPC是以微軟的COM/DCOM為基礎(chǔ)，采用客戶/服務(wù)器模型制定的一種數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)^[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(wǎng)絡(luò)通信。LabVIEW除了擁有自己的OPC服務(wù)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(wǎng)絡(luò)并發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)上任意開放OPC服務(wù)器，從而實現(xiàn)不同應(yīng)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(cè)的三相同步發(fā)電機簡化模型。設(shè)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(dāng)圖右側(cè)三相斷路器接通時，位于模型最右側(cè)的不對稱三相并聯(lián)負載Parallel RLC Load將接入系統(tǒng)，導(dǎo)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(chǎn)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(shè)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(shè)置均按默認(rèn)即可。模型運行時，OPC Read模塊將按設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，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(yīng)的變量，并設(shè)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(dāng)于計算中心，前面板的控件在程序框圖中都有對應(yīng)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(jié)構(gòu)都能找到對應(yīng)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(yù)設(shè)限值時由監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)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(rèn)，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(dāng)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(cè)實時數(shù)據(jù)框中顯示的是各測量值的當(dāng)前值，會隨著程序的運行不停變化，上方中間3個右側(cè)箭頭的開關(guān)則是斷路器的控制信號，綠燈點亮?xí)r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(shè)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(shè)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(shè)定的告警值就會有報警事件產(chǎn)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(rèn)。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(rèn)處理為警告。在人工報警確認(rèn)前，如果變量數(shù)值回復(fù)正常，該報警并不會被確認(rèn)，如果變量再次超限，將不會被認(rèn)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(biāo)志符監(jiān)視共享變量值，報警產(chǎn)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(yīng)一條報警消息，包含了用戶關(guān)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(chǎn)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(chǔ)。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(yīng)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(shè)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(jié)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(fù)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(zhǔn)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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作者信息：

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(xué) 北京市能源電力信息安全工程技術(shù)研究中心，北京102206；

2.北京卓識網(wǎng)安技術(shù)股份有限公司，北京102206）