基于面向对象数据库的SCADA测试系统研究

基于面向对象数据库的SCADA测试系统研
究
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基于面向对象数据库的SCADA
测试系统研究TheStudyonSCADASystemTestingBasedOilObject—orientedDatabase
苏剑,沭连顺,张长岩,『M]
(_中国电力科学宄叵,北京00085~2.;Eif司,北京0∞)
■■:介绍利用基于面向对象敷据库技术开发的模拟数据采集系统,应用于SCADA系统测试.该系统采用软件方法
构造宴畦数据库,以描述电同SCADA系统物理框架结构,利用面向对象的方法描述采集量关联关系井仿真澍点敷
据变化.曩磐实班一个模拟SCADA的数据采集通信系统.该系统可同时模拟多个通道下的RTU以及同一通道下的
多lrru运行.该系统可广泛为地区SCADA/EMS系统,配电自动化系统,电力市场提供运行测试和横撅环境.
夔拍:SCADA系统;仿真;面向对象技术
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中霜分羹号:TM743;TP3I1.132.4文献标识码:B文章编
号:1004-9649(2000)10-0052-03
0引言
随着电网自动化水平提高,SCADA系统已成
为电网监控的基本手段,并进一步为管理信息系统(MIS),能量管理高级应用(EMs),电力市场,电能
计费等提供信息或作为支撑平台,很多厂家都把SCADA系统作为一项基本产品进行开发和完善. 然而对SCADA系统开发厂家来说,由于实验室缺乏一个理想的测试环境,系统开发,调试和通信规约测试中存在很多缺陷和局限性,如:(1)对广播
型通道上多RTU/FIu的通信模式较难模拟测试. 随着配电自动化水平提高,广大配电网和农村电网将越来越多地配备刑,主站端软件必须处理一条线路(端口)上具有多个FrU或RTU的通信.用传统方法进行测试需找多个RTU和数据源,很不方便.(2)无法对整个系统性能进行测试.
SCADA系统是多通道多厂站的,系统开发时必
须考虑系统性能和CPU负荷以便对设备选型配置做出选择,而实验室目前一般凭经验来做出决定,没有定性定量的实验依据.(3)无法为EMS
等高级应用提供符合系统实际运行的数据.传统的SCADA测试系统使用的模拟数据源测点大都是各自独立变化的,较难实现测点变化的逻辑相关关系,因此数据缺乏台理性,不适合为EMS使用.
为此,采用高性能的PC系统,用软件手段仿真
多通道多RTU运行,并模拟测点数据的变化,从而构造一个较完善的SCADA仿真测试系统.它的基本功能有:(1)利用实时数据库作为数据源模拟测
点值,可产生模拟量,数字量和脉冲量.按限定的范
围和变化规律进行变化,并可模拟遥控,遥调命令的
执行;(2)模拟多通道多厂站的RTU运行,支持多
种规约通信方式;(3)模拟某些条件下测点变化的
相关关系,使数据的变化与实际运行相符;(4)模拟
系统的故障,可产生整个系统相关点的故障,并模拟
其故障发生顺序.
1系统及数据库结构
1.1系统结构
系统结构示意如图1所示.系统主要分为3
收稿日期:1999-11-10;修订日期12000-04-16
作者简介:苏剑(1971-),男,山西人,工程师,从事SCADA系统和配电自动化研究工作.
一
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时嚣0
^Icr
圄=困=困一图1系统绪构
部分:通信模块,实时仿真数据库和系统接口.通
信模块负责具体规约实现,功能主要是仿真RTU
通信,即:(1)接收主站的命令并向主站发送响应
数据;(2)从数据库中读取配置参数.通信模块
相当于规约转换器,不同规约对应不同模块,各模
块彼此独立,由多任务操作系统管理.数据库的
主要功能是:(1)作为模拟数据源,在定时器驱动
下按照指定条件生成测点值,井按所定义的测点
相关关系生成相关测点值;(2)保存通道,厂站
(RTU)的配置和相应通信规约的属性.系统接口
主要提供人机界面,供使用者设置系统参数,人工设置模拟数据等.
该系统模型的主要特点是采用插件式结构.首
先,通信规约处理与模拟数据生成是相对独立的,不同规约都可使用相同的模拟数据源;其次,各通道和规约的处理也都是独立的,任何一个通道的处理不影响其他通道
1_2数据库结构
实时数据库的设计是完全面向对象的,这体现
在以下几方面:实时数据库采用层次型结构,由各层次上的点对象组成1个点对象包含最多255个属性.属性可定义为单值,向量及表数据类型通过建立点类而生成点对象,点类具有可继承性.实时数据库结构完全符合SCADA通信系统的物理模型,它分为4个层次,见图2.
系统层I兢约对象(c叶.1801一-/
通信层I螭口点对橐(P0刑1)/
设备层}设备点对象(1frg)
Lm层ILm点对橐/
图2数据库层次示意
1_2.1系统层
系统层包括系统点对象,是数据库的根节点,它
定义了系统的通信规约类型.
1,2,2通信层
通信层包括通信端口对象,定义了通信类型和
通信参数.通信方式不局限于点对点方式,还可支持点对多点方式,通信类型支持RS-232,RS-485及TCP/IP协议等.
1_2.3设备层
设备层包含设备对象,定义RTU类型和属性,
主要包括设备地址(厂站号),设备状态及一些与通信规约相关的属性.设备系指任意类型的数据采集装置RTu和PLC等.
1_24测点层
测点对象定义了测点类型,序号,死区值,状态
等属性.测点类型有遥测,遥信,电度,SOE(事件顺
序记录)等.由于要模拟测点变化,测点对象还包括测点随机变化条件属性.
每一层上的对象都可由其基本点类派生出各种
派生点类.例如在通信层,不同的通信方式对应不同的通信点类,见图3,而所有通信点类由通信点基类派生而来.
图3通信点类舷生
实时数据库面向对象的特征还体现在它将数据
和计算封装在一起.计算引擎可定义在任何属性上, 当属性值发生变化时,计算引擎被触发.计算引擎可以是公式或执行任何特定功能的函数.
2仿真原理
生成模拟测点值需考虑2个因素:测点值自身
的变化规律;测点受其它测点的制约关系.
2.1仿真数据
为模拟测点的变化,需要使用随机数和随机变
量.采用了以下3种规则生成测点的模拟值:(1)结
合变化条件采用均匀分布随机数.变化条件包括变化范围和变化频率.变化范围可采取中心变化范围(以某一数值作为基准值上下波动)和绝对值变化范围(在指定上下限范围内变化).(2)用非均匀分布
随机数方法.对于遥测量在短时间内的变化根据其变化特性选取合适的概率分布模型来模拟.如对某些模拟量的变化可采取如图4所示的正态分布.采用该分布模型较真实地反映某些模拟量的变化,可仿真模拟量越限的情形.(3)可选取典型负荷曲线作为某些模拟量如负荷值的变化参考值.这是对需长期观察的测点进行模拟所采取的方法.该方法可一
53一
蚕
结合(1),(2)2种方法使用,使功率测点围绕负荷
曲线波动,更符合电力系统实际运行的情况
圈4模拟量变化服从正态分布时的概率分布密度在实现以上3种模型时,将不同的随机变量分
布模型转化为计算I擎函数或公式,通过定时器定时触发,可得到较理想的测点变化值.此外.测点数值可人工设定.操作员可直接通过界面输入测点期望值,此时,模拟测点不再随机变化.由于可采取非常灵活的方式定义测点的变化,因此可模拟各种运行情况,例如可模拟电网解列时发生"雪崩"的极端异常情况,从而测试主站系统的反应和处理能力. 2_2仿真逻辑的建立
电力系统各状态量间有密切关系,这就需要在
模拟数据之问也建立相应的关联关系.比较完善的解决办法是通过潮流计算来建立这种关系,但工作量较大.目前采取的办法是建立一些特殊条件下的依赖关系,如出线断路器状态和出线电流值的关系,当出线断路器为分闸时,出线电流值为O.
各状态量之间的关联关系也是通过计算引擎来
建立,当某一测点值发生变化时,计算I擎被触发, 它首先检查变化后的数值是否影响关联,如果是,则检查相关量的数值是否符台关联关系;如果不符合, 则它按照关联关系改变相关量数值,如图5所示
如果出线断路器状态变为O(分闸),则计算I擎将
相应的出线电流数值置为O.O.
点A:出魄开关状志
点B:出魄电流
图5利用计算引擎建立测点相关关系
2.3故障引擎和状态机
引入故障引擎的概念是为模拟系统故障和比较..
54——
站间SOE而提出的.故障引擎是指1组带优先级
的故障点测试人员根据电网系统结构预先找出一组遥信点,并定义其先后顺序和时间间隔.当启动故障引擎时,仿真系统根据故障引擎的定义依次产生故障信息,并根据测点相关关系,触发相关点的故障,从而模拟整个系统故障
利用仿真系统也可构造状态机,状态机是某一
时刻系统全部或部分状态量的集合.设定1组状态机,使其连续运行,则可模拟系统在一段时间内2
组状态量的整体变化情况.故障引擎和状态机可模拟不同变电站同时故障的情形.时间间隔可精确到1ms,从而可测试主站对SOE的辨别能力.
3实例
根据以上设计思想,实现了一个使用sC1801
规约的测试系统全系统共模拟8个通道,12个厂
站,总遥测遥信数约1000个,遥信数400个.用该
系统对EPRLSC调度自动化系统进行严格考核和测试.测试者可随意设定遥测遥信量的变化范围,当全系统所有遥信以50%概率变化时,平均每秒的遥信变位数达200个,产生大量报警和SOE,但主站端仍能正确处理所有信息.通过这样极端条件下的测试,保证了EPRI—SC系统出厂质量和性能.
按现场情况,系统正常运行时,遥测变化率为
2O%按这个要求模拟并进行测试,依据测试结果对系统硬件进行选型和配置,按系统要求,系统正常运行时SCADA主机负荷小于15%,在故障条件下运行小于5O%.经几种选择,选定IBMNeffinity5500 双CPU,256M内存.其正常运行CPU负荷约12%, 在极端异常情况下,CPU负荷达40%
4结论
通过使用和测试表明,以软件方式实现SCADA
数据采集通信系统仿真是一种有效的方法.系统可仿真多RTU和多通道的运行方式,模拟各种运行情况包括"雪崩"等极端运行情况,同时可提供故障I擎和状态机功能模拟系统故障,测试站间SOE 等.该系统不仅可作为规约测试和SCADA系统测试,而且可为EMS和电力市场高级应用.
(责任编辑路琳)
西部大开发电力要先行。