0 引言

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

    目前，在電力系統動態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)現有仿真結果龐雜而分散，主要靠人工實現結果的綜合分析，如何實現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)如何對漸變的動態過程進行模擬^[4]和重現，并自動化仿真測試^[5]。

    因此，需要建立更準確的數學模型，研究更高效的仿真算法和更智能的人機交互仿真方法。而現有的電力系統仿真軟件主要關注功能實現，忽略操作的便攜性和交互性，且架構封閉、擴展性差^[6]，仿真數據處理通常在仿真結束后進行，并且主要依托于人工實現，這對中長期動態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據，甚至實時對模型進行同步分析，將有助于動態過程仿真問題的及早發現。真實工業現場使用數據采集與監控系統^[7]（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）來進行數據采集和過程控制^[8]，遍布現場的各種數據采集終端是該系統的最終數據來源，可編程控制器或離散控制系統等集中控制設備將這些數據提供給監控中心和數據中心^[9]，這種以硬件運行為基礎的SCADA系統并不適用于電力系統動態仿真的監測。此外，專門的SCADA系統組態開發軟件^[10]并不具備強大的數據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據分析軟件各自優勢來研究電力系統動態仿真的辦法，即在仿真軟件內實現仿真，在數據分析軟件內實現監控，再利用軟件的通信方式將兩者聯合，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控平臺設計方案，重點研究和實現了數據監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 仿真監控平臺設計

    本文研究的仿真監控平臺分為上下兩層應用程序，上層是監控系統，下層是作為數據來源的仿真模型，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，但用來開發監控程序時，還需在數值判別和數據處理方面做很多工作。相比之下，虛擬儀器開發環境LabVIEW和它的數據記錄與監控模塊（Datalogging and Supervisory Control，DSC）則更能滿足測量與控制系統開發的需求^[11]。LabVIEW是美國國家儀器NI公司開發的圖形化編程軟件，使用直觀的程序框圖代替傳統的代碼，采用數據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的虛擬儀器VI子程序，極大地簡化了圖形界面和程序開發的過程。監控程序的開發和相關資源配置過程一般稱之為組態。目前應用比較廣泛的組態工具除了專業的組態軟件以外，還常用通用程序語言及開發工具^[13]，但這種組態方法需要額外制作大量的工業圖像，并且調試困難。DSC模塊是在LabVIEW基礎功能之上的一項擴展，可快速開發應用于分散測量、控制和高信道傳輸監測，集成工業圖像控件、數據監測顯示、報警事件控制、數據存儲與記錄，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是專門為滿足工業過程測量、控制與組態需求而設計的^[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據訪問標準^[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，允許發布變量到網絡并發布至網絡上任意開放OPC服務器，從而實現不同應用程序間的數據交互。

2 Simulink仿真模型

    本文以典型的三相同步發電機運行仿真^[19]為例，對發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進行監測。仿真時長可達數十秒甚至更長，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所示的發電系統運行仿真模型。

    仿真的核心是位于圖2最左側的三相同步發電機簡化模型。設定正常情況下發電機外接純阻性負載Series RLC Load，此時測量到的電力參數三相對稱且數值合理；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負載Parallel RLC Load將接入系統，導致發電機進入異常運行狀況，測量值將會發生明顯的波動，且有報警數據產生。Powergui模塊是Simulink為電力系統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，系統將無法連續、穩定地運行。設定仿真模型的運行方式為連續運行，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則把發電機的測量信號傳遞給位于網絡的共享變量引擎，再由監控程序按約定的頻率取用。在此之前，需要在LabVIEW監控系統工程中建立并發布共享變量到網絡，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分為兩個部分：前面板和程序框圖。前面板類似于傳統儀器的使用界面，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，它的每一種數據類型和變量、程序結構都能找到對應的框圖表示，并有豐富的函數庫支持。

    監控平臺的功能與SCADA的監控中心類似，主要有：實時顯示和界面指示、自動報警、數據存儲和數據庫管理等。其中，自動報警與事件處理功能是監控程序與其他程序的最大區別。自動報警是指變量達到預設限值時由監控系統產生消息并通知的過程。它為使用者提供了一種方便的數據管理辦法，能濾除大部分正常數據，聚焦于異常發生的時刻和狀態，更便于問題的分析。對于報警以及數據操作，DSC模塊都提供自動和手動編程兩種實現方式，并提供VI子程序和Express VI，避免開發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，僅僅是實現報警自動讀取、確認，或數據庫的自動存儲等輔助功能。

    監控平臺主程序作為系統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實現的，左側實時數據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。系統的初始狀態是沒有接入負載的，分析實時趨勢圖的波形可以看到，負載接入后發電機功率發生了較大的波動。主程序流程圖如圖4所示，程序主體是一個定時循環，這個定時時間往往設定在毫秒級別，以保證足夠高的數據采樣頻率。

    DSC模塊中的報警VI能監測指定的共享變量，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的軟件中斷機制。對共享變量設定允許報警和數據記錄，DSC會自動對這些變量進行監測，一旦數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，用戶根據自己的需求進行等級和數值的配置。報警處理的一般過程如圖5所示。

    高優先級以上報警必須人工確認。因為優先級越高的報警事件的發生，意味著對真實現場的危害越大。低優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的起點，便于使用者觀測和分析數據。報警程序前面板如圖6所示。

    報警面板顯示各監測對象的狀態，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和變量標志符監視共享變量值，報警產生以后讀報警VI將生成一維簇數組格式的非空輸出，一個數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。

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

    至此，數據采集與監控的核心功能——實時數據與趨勢顯示、報警與事件處理，以及數據采集與存儲已基本實現。LabVIEW是一個開放的平臺，還提供完備的數據庫、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，具有強大的數據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

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

參考文獻

[1] 湯涌.交直流電力系統多時間尺度全過程仿真和建模研究新進展[J].電網技術，2009，33(16)：1-8.

[2] 田芳，黃彥浩，史東宇.電力系統仿真分析技術的發展趨勢[J].中國電機工程學報，2014，24(13)：2151-2163.

[3] 閆根弟.動態電力系統數字仿真模型的研究[D].太原：太原理工大學，2005.

[4] 李成龍.同步發電機勵磁裝置在線測試數字仿真系統的研究[D].天津：河北工業大學，2015.

[5] 劉煥志，胡劍峰，李楓，等.變電站自動化仿真測試系統的設計和實現[J].電力系統自動化，2012，36(9)：109-112，115.

[6] 黃秋華.開放式軟件平臺下大規模電力系統仿真研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[7] 徐金偉.工業領域基礎設施SCADA系統簡介[J].計算機安全，2012(1)：4-9.

[8] 于獻榕，孟東，曹丹丹，等.基于LabVIEW+DSC的監控軟件通用架構[J].微計算機信息，2012(10)：97-98，147.

[9] 傅仁軒，肖連風.基于物聯網技術的新型數據采集與監控系統設計[J].移動通信，2011，35(9)：79-82.

[10] 許麗川，蘇朝陽，梁永春，等.基于LabVIEW的直流電機轉速監測實驗設計[J].實驗科學與技術，2013，11(4)：56-59.

[11] 李迺璐.基于LabVIEW的風力發電監控系統的研究與應用[D].北京：華北電力大學，2010.

[12] 阮奇楨.我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經驗(第2版)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[13] 陳晰.基于J2EE的風電SCADA系統的研究[D].成都：電子科技大學，2013.

[14] 李福先，楊亮亮.基于OPC的風力發電機組遠程監控系統[J].電氣自動化，2012，34(4)：29-30，49.

[15] 何冬林.風力機半物理仿真實驗平臺的研究與設計[D].北京：華北電力大學，2013.

[16] 王杰，高昆侖，王萬召.基于OPC通信技術的火電廠DCS后臺控制[J].電力自動化設備，2013，33(4)：142-147.

[17] 李二超，李煒，李戰明，等.基于OPC技術的網絡控制系統仿真平臺設計[J].實驗技術與管理，2012，29(6)：90-93.

[18] 邢雪寧，張厚升，季畫.基于虛擬儀器和Simulink的運動控制系統虛擬實驗平臺設計[J].實驗技術與管理，2015，32(8)：114-117.

[19] 周高峰，趙則祥.MATLAB/Simulink機電動態系統仿真及工程應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[20] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真[M].北京：機械工業出版社，2011.

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 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）