0 引言

    電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是一個(gè)從機(jī)電暫態(tài)到中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的連續(xù)過(guò)程^[1],，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真需要引入一般暫態(tài)仿真中不涉及的長(zhǎng)過(guò)程和慢速特性，常用于電力系統(tǒng)的中長(zhǎng)期過(guò)程動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真分析中尚待解決的主要問(wèn)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(shí)現(xiàn)結(jié)果的綜合分析,，如何實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的智能化分析；

    (3)如何評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性和仿真的可信度^[3],；

    (4)如何對(duì)漸變的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬^[4]和重現(xiàn),，并自動(dòng)化仿真測(cè)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(jī)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(shí)現(xiàn),，忽略操作的便攜性和交互性,，且架構(gòu)封閉、擴(kuò)展性差^[6],，仿真數(shù)據(jù)處理通常在仿真結(jié)束后進(jìn)行,，并且主要依托于人工實(shí)現(xiàn)，這對(duì)中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真分析形成了不小的障礙,。如果能對(duì)仿真過(guò)程加以干預(yù),，實(shí)時(shí)采集模型運(yùn)行數(shù)據(jù)，甚至實(shí)時(shí)對(duì)模型進(jìn)行同步分析，將有助于動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真問(wèn)題的及早發(fā)現(xiàn),。真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)^[7]（Supervisory Control and Data Acquisition,，SCADA）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制^[8]，遍布現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)采集終端是該系統(tǒng)的最終數(shù)據(jù)來(lái)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(yùn)行為基礎(chǔ)的SCADA系統(tǒng)并不適用于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的監(jiān)測(cè)。此外,，專(zhuān)門(mén)的SCADA系統(tǒng)組態(tài)開(kāi)發(fā)軟件^[10]并不具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和軟件通信能力,，也不能滿(mǎn)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?xún)?yōu)勢(shì)來(lái)研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的辦法,，即在仿真軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)仿真,，在數(shù)據(jù)分析軟件內(nèi)實(shí)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(gè)軟件都支持同樣的通信方式,。這一問(wèn)題目前已經(jīng)有了比較成熟的解決方案。本文制定了詳細(xì)的監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,，重點(diǎn)研究和實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)控功能和軟件通信功能,，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得到了可觀的結(jié)果,。

1 仿真監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

    本文研究的仿真監(jiān)控平臺(tái)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(lái)源的仿真模型,，兩者通過(guò)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(lái)完成動(dòng)態(tài)仿真,。雖然MATLAB自身也支持人機(jī)交互圖形用戶(hù)界面的編程,，但用來(lái)開(kāi)發(fā)監(jiān)控程序時(shí)，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(kāi)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(mǎn)足測(cè)量與控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需求^[11],。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器NI公司開(kāi)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(yùn)行方式^[12],，自帶大量圖形化輸入輸出控件和專(zhuān)業(yè)的虛擬儀器VI子程序,，極大地簡(jiǎn)化了圖形界面和程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程。監(jiān)控程序的開(kāi)發(fā)和相關(guān)資源配置過(guò)程一般稱(chēng)之為組態(tài),。目前應(yīng)用比較廣泛的組態(tài)工具除了專(zhuān)業(yè)的組態(tài)軟件以外,，還常用通用程序語(yǔ)言及開(kāi)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(xiàng)擴(kuò)展，可快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用于分散測(cè)量,、控制和高信道傳輸監(jiān)測(cè),，集成工業(yè)圖像控件、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示,、報(bào)警事件控制,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與記錄，以及過(guò)程控制對(duì)象連接與嵌入^[14]（Object Linking and Embedding for Process Control,，OPC）等功能,。可以說(shuō),，DSC是專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程測(cè)量,、控制與組態(tài)需求而設(shè)計(jì)的^[15]。

    OPC是以微軟的COM/DCOM為基礎(chǔ),，采用客戶(hù)/服務(wù)器模型制定的一種數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)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(hù)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(kāi)放OPC服務(wù)器,，從而實(shí)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(jī)運(yùn)行仿真^[19]為例，對(duì)發(fā)電機(jī)不同運(yùn)行狀況下的端電壓,、定子電流和功率等電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),。仿真時(shí)長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十秒甚至更長(zhǎng)，期間將控制斷路器的開(kāi)閉接入不同負(fù)載以測(cè)試上層程序功能,。使用如圖2所示的發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)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(jī)簡(jiǎn)化模型。設(shè)定正常情況下發(fā)電機(jī)外接純阻性負(fù)載Series RLC Load,，此時(shí)測(cè)量到的電力參數(shù)三相對(duì)稱(chēng)且數(shù)值合理,；當(dāng)圖右側(cè)三相斷路器接通時(shí)，位于模型最右側(cè)的不對(duì)稱(chēng)三相并聯(lián)負(fù)載Parallel RLC Load將接入系統(tǒng),，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)進(jìn)入異常運(yùn)行狀況,，測(cè)量值將會(huì)發(fā)生明顯的波動(dòng)，且有報(bào)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(jiǎn)單圖形用戶(hù)界面和配置與分析工具^[20],，如果缺失，系統(tǒng)將無(wú)法連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行,。設(shè)定仿真模型的運(yùn)行方式為連續(xù)運(yùn)行,，除延長(zhǎng)仿真時(shí)長(zhǎng)外，其余設(shè)置均按默認(rèn)即可,。模型運(yùn)行時(shí),，OPC Read模塊將按設(shè)定的頻率讀取來(lái)自L(fǎng)abVIEW的斷路器控制信號(hào)，OPC Write則把發(fā)電機(jī)的測(cè)量信號(hào)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(hù)端,，還需分別在OPC 讀寫(xiě)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(kāi)發(fā)分為兩個(gè)部分：前面板和程序框圖,。前面板類(lèi)似于傳統(tǒng)儀器的使用界面，主要包含可用于人機(jī)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(jì)算中心,，前面板的控件在程序框圖中都有對(duì)應(yīng)的接線(xiàn)端以供編程使用，開(kāi)發(fā)者利用圖形化的編程語(yǔ)言編制程序,。過(guò)程化程序的編程思想完全適用于虛擬儀器程序開(kāi)發(fā),，它的每一種數(shù)據(jù)類(lèi)型和變量、程序結(jié)構(gòu)都能找到對(duì)應(yīng)的框圖表示,，并有豐富的函數(shù)庫(kù)支持,。

    監(jiān)控平臺(tái)的功能與SCADA的監(jiān)控中心類(lèi)似，主要有：實(shí)時(shí)顯示和界面指示,、自動(dòng)報(bào)警,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。其中,，自動(dòng)報(bào)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(dòng)報(bào)警是指變量達(dá)到預(yù)設(shè)限值時(shí)由監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生消息并通知的過(guò)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(shí)刻和狀態(tài),，更便于問(wèn)題的分析。對(duì)于報(bào)警以及數(shù)據(jù)操作,，DSC模塊都提供自動(dòng)和手動(dòng)編程兩種實(shí)現(xiàn)方式,，并提供VI子程序和Express VI，避免開(kāi)發(fā)者在底層程序上浪費(fèi)大量時(shí)間,。自動(dòng)方式并非是指完全不需要編程,，僅僅是實(shí)現(xiàn)報(bào)警自動(dòng)讀取、確認(rèn),，或數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)存儲(chǔ)等輔助功能,。

    監(jiān)控平臺(tái)主程序作為系統(tǒng)操作和功能控制主界面,，能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)量值并繪制實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖,，控制仿真模型負(fù)載接入與斷開(kāi)等。主程序運(yùn)行時(shí)的前面板局部界面如圖3所示,。實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖是使用DSC模塊提供的Express VI實(shí)現(xiàn)的,，左側(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)框中顯示的是各測(cè)量值的當(dāng)前值，會(huì)隨著程序的運(yùn)行不停變化,，上方中間3個(gè)右側(cè)箭頭的開(kāi)關(guān)則是斷路器的控制信號(hào),，綠燈點(diǎn)亮?xí)r表示已接入并行負(fù)載。系統(tǒng)的初始狀態(tài)是沒(méi)有接入負(fù)載的,，分析實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖的波形可以看到,，負(fù)載接入后發(fā)電機(jī)功率發(fā)生了較大的波動(dòng)。主程序流程圖如圖4所示,，程序主體是一個(gè)定時(shí)循環(huán),，這個(gè)定時(shí)時(shí)間往往設(shè)定在毫秒級(jí)別，以保證足夠高的數(shù)據(jù)采樣頻率,。

    DSC模塊中的報(bào)警VI能監(jiān)測(cè)指定的共享變量,，并允許基于特殊超限值或變化頻率的報(bào)警事件發(fā)生，并以文本通知或其他形式告知使用者,。報(bào)警的工作方式類(lèi)似于微機(jī)系統(tǒng)的軟件中斷機(jī)制,。對(duì)共享變量設(shè)定允許報(bào)警和數(shù)據(jù)記錄，DSC會(huì)自動(dòng)對(duì)這些變量進(jìn)行監(jiān)測(cè),，一旦數(shù)值超過(guò)設(shè)定的告警值就會(huì)有報(bào)警事件產(chǎn)生,。對(duì)于每個(gè)變量，DSC允許其有四級(jí)基于特殊值的報(bào)警和一級(jí)基于變化頻率的報(bào)警,，用戶(hù)根據(jù)自己的需求進(jìn)行等級(jí)和數(shù)值的配置,。報(bào)警處理的一般過(guò)程如圖5所示。

    高優(yōu)先級(jí)以上報(bào)警必須人工確認(rèn),。因?yàn)閮?yōu)先級(jí)越高的報(bào)警事件的發(fā)生,，意味著對(duì)真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的危害越大,。低優(yōu)先級(jí)報(bào)警一般可通過(guò)自動(dòng)確認(rèn)處理為警告。在人工報(bào)警確認(rèn)前,，如果變量數(shù)值回復(fù)正常,，該報(bào)警并不會(huì)被確認(rèn)，如果變量再次超限,，將不會(huì)被認(rèn)為是一次新的報(bào)警,。這樣就能保留異常出現(xiàn)的起點(diǎn)，便于使用者觀測(cè)和分析數(shù)據(jù),。報(bào)警程序前面板如圖6所示,。

    報(bào)警面板顯示各監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)，指示燈熄滅表示該變量正常,，指示燈點(diǎn)亮表示異常,，且在報(bào)警記錄中有詳盡的消息提醒。報(bào)警程序流程圖如圖7所示,，使用讀報(bào)警VI和變量標(biāo)志符監(jiān)視共享變量值,，報(bào)警產(chǎn)生以后讀報(bào)警VI將生成一維簇?cái)?shù)組格式的非空輸出，一個(gè)數(shù)組元素對(duì)應(yīng)一條報(bào)警消息,，包含了用戶(hù)關(guān)心的報(bào)警變量名,、時(shí)間、級(jí)別等重要信息,，以此來(lái)識(shí)別報(bào)警對(duì)象和產(chǎn)生通知消息,。

    仿真模型的持續(xù)運(yùn)行會(huì)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(chǔ),，數(shù)據(jù)庫(kù)將變得過(guò)于龐大和低效,。考慮諸多因素,，DSC使用Citadel數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存允許存儲(chǔ)的共享變量與報(bào)警事件,。Citadel數(shù)據(jù)庫(kù)并不存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)，它只在數(shù)值發(fā)生一定變化時(shí)才存儲(chǔ),，這種存儲(chǔ)方式可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間,，也是對(duì)運(yùn)行中的仿真模型進(jìn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)。Citadel數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的所有數(shù)據(jù)都可供查詢(xún),，DSC有完整的數(shù)據(jù)庫(kù)工具供使用,。除了直接手動(dòng)編程完成數(shù)據(jù)庫(kù)操作以外，DSC還提供Express VI能自動(dòng)查詢(xún),、索引和管理數(shù)據(jù)庫(kù)并完成相應(yīng)操作,，歷史查詢(xún)界面與主程序前面板類(lèi)似。

    至此,，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的核心功能——實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與趨勢(shì)顯示,、報(bào)警與事件處理,，以及數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)已基本實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái),，還提供完備的數(shù)據(jù)庫(kù),、信號(hào)處理和控制設(shè)計(jì)工具模塊，以及計(jì)算方式和進(jìn)程管理功能,，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和軟件交互能力,，將有助于平臺(tái)功能的進(jìn)一步完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文研究的動(dòng)態(tài)仿真監(jiān)控平臺(tái)具有友好的交互界面能實(shí)時(shí),、同步地采集仿真數(shù)據(jù)并存儲(chǔ),，能對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行控制，能對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和初步篩選,，且平臺(tái)開(kāi)放性強(qiáng),。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(mǎn)足需求,。無(wú)論是對(duì)于自動(dòng)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(wèn)題，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(shí)網(wǎng)安技術(shù)股份有限公司，北京102206）