基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现（精选8篇）
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇1
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现
作者：张霞 段炜
来源：《电子世界》2011年第24期
【摘要】随着电力系统运行管理的系统化、智能化、自动化和网络化，对电网的实行实时调度与运行管理是电力系统发展的必然趋势。本文首先探讨了LabVIEW的特点，然后具体分析了基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统的功能要求与设计思想，论述了基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统的设计实现流程与主要措施。
【关键词】LabVIEW；调度；运行管理
电网调度与运行管理信息系统是指电网调度管理和运行管理的计算机信息系统，它是为电网运行管理服务的特殊的信息系统，是电力系统中一个功能比较专一的系统，同时也是一个不可或缺的现代化手段[1]。由于科学技术的发展，我国电网调度自动化工作取得了突飞猛进的发展，目前我国所有的网调、省调、绝大部分地调和大部分县调已经建立了电网调度系统并且通过了实用化验收[2]。在各级的电网建立和发展电网调度系统期间，其他计算机应用系统也大量涌现。同时，我国在电网调度系统领域的应用技术也日趋成熟，已经达到了实用化水平
[3]。本文为此具体探讨了基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现。
1.LabVIEW的特点
LabVIEW采用图形化编程语言-G语言产生的程序是框图的形式，易学易用。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。LabVIEW广泛应用于包括第二产业之中，含盖了产品生产过程中从研发测试生产到后期服务的整个周期，LabVIEW的应用大致可分为以下几个方面[4]。当前LabVIEW最新升级版的LabVIEWRT实时模块软件将LabVIEW的应用范围扩展到了实时测量和控制领域，利用该工具模块工程师可先在主机上利用LabVIEW开发出应用程序，然后再将其下载到运行着实时操作系统的独立目标硬件中，运行工程师根据他们的应用要求来选择实时运载硬件，只需对软件程序稍加修改，就可将其轻松地集成到附加I/O接口中。同时所有
LabVIEWRT目标平台都包含一个实时操作系统，它是按抢先式和时间片循环式对执行任务进行排序，优化了确定性性能。使用抢先式排列，高优先级线程抢先于低优先级线程执行，在低优先级线程执行时，如果高优先级线程需要处理器时间，则低优先级线程将立刻停止运行，以保证高优先级线程运行，当同等优先级被执行时，时间片循环排序为每个线程分配了同等的处理器时间，在一个线程用完可用的时间片，OS系统自动地停止处理。
2.基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统的功能要求与设计思想
2.1 基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统的功能要求
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统包括了远动数据处理部分与调度树诊断模块两部分。处理过程如下：读取调度中心实时数据库，获得运行过程需要的原始信息列表。该信息列表元素经简单的数值运算和布尔运算得到基本计算点列表。检查每个基本计算点的结果，包括数值型结果的上限，下限，是否跃变；布尔型结果是否为真等。将满足运行条件的项列入基本运行点列表。基本运行点列表经调度树诊断得到调度输出。为此要求系统具备以下功能：提供数据维护功能。包括数据文件的读取，诊断结果的保存，历史记录的查询等。提供计算点配置信息和诊断调度树配置信息的维护接口。提供直观，完备，易操作的用户操作界面。提供可以在各种简单和复杂事故情况下进行调度的快速、准确识别定位的后台计算方法，包括计算点公式的解析，调度点定位等功能。
2.2 基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统的设计思想-三层式LabVIEW设计基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统的三层式LabVIEW设计由上而下依次为：Main Level、Test Level和Driver Level。Driver Level包含了程序与所有硬件或其它应用软件的沟通、控制等较低阶的事情，使其可完成某一项基本的动作，例如参数预设定等。所说的driver，并不像一般在别处所称驱动程序的那种driver那么低阶，真正最低阶的工作还是要有现成的VI来帮忙才行。在Test Level中，则是如何连接各个Driver VI的基本动作，使可做完出一套连续、有意义的流程，来执行某项测试。Main Level则包含了使用者接口或称人机接口，目的是整合各项测试和例外处理等，将它们以适当的顺序及流程组合，很容易地让使用者操作。
3.基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统的设计实现
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统由数据采集模块、数据分析模块、调度模块和运行监控模块四个主模块组成。为了实现对供电系统中调度线路的监控，现场监测计算机首先要通过数据采集模块对所调度线路的信号进行采集，并能够利用数据分析模块进行分析，如对电压电流稳态/瞬态参数进行分析，并能够实现对电网进行谐波分析、畸变分析和功率因数分析等，然后将根据分析结果自动判断是否存在运行故障，若有运行故障，通过运行监控模块将故障信息上传给管理计算机，同时保存相数据；若没有故障，则放弃保存该部分数据。为了监测方便，该软件也可以先记录数据，然后进行特性参数分析，或直接进人单个模块直接分析参数。调度模块同步实时采集多个通道的波形，并能通过网络把现场监测结果发送给管理计算机，以供用户在远程终端监测。数据采集模块、数据分析模块和本地波形监控模块都包含数据存储、回放和生成报表及打印等功能。
总之，当前我国电网正处在“西电东送、南北互供、全国联网”和电力市场化的特殊历史时期，随着电网规模的逐渐扩大，调度与运行问题越来越突出。本文提出的基于LabVIEW的电
网调度与运行管理信息系统不但能够完成供电系统的合理调度，而且能够实现用户在远程终端对现场进行监测和控制。通过实验发现，该系统具有运行稳定、测量精度高、实时性好、操作简单、便于维护等特点，系统能够满足调度与运行的要求。
参考文献
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[4]韩祯祥,钱源平,文福拴.基于模糊外展推理和Tabu搜索方法的电力系统故障诊断[J].清华大学学报(自然科学版),2008,3(15):85-87.作者简介：
张霞（1983—），女，宁夏固原人，大学本科，现供职于宁夏吴忠供电局电网调度控制中心调控班，研究方向：电力系统自动化及电力调度。
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇2
现代电力系统已成为一个有机的统一整体。电能流、信息流分别作用于电网的一次、二次设备上,这些设备健康状态的变化,外部环境的演化(如覆冰、山火等自然灾害),水库来水和电煤的供给情况,计划检修、基改建工程的实施,二次系统的运转状况,新能源以及电动汽车的接入等,都将对系统的安全稳定运行产生多方面的不确定性影响[1,2,3],使得电力系统的运行风险水平时刻发生着变化。研究风险的辨识、评估与预防控制(下文简称预控)方法对于提升调度员对电网运行形态的认知水平,维持系统安全、可靠、经济运行具有重要意义。
国内外许多学者围绕电力系统安全风险作了大量的研究,目前研究热点主要集中于基于风险的安全评估和决策支持方法2个方面。
1)电力系统运行风险评估。文献[4-6]对电力系统风险评估的基本概念和重要性进行了较为全面的论述;文献[7]详细介绍了风险评估的模型和计算方法;文献[8-9]给出了评判输电系统安全水平的概率性风险指标。这些研究为风险评估在电力系统中的应用提供了思路,但仍缺乏完善的风险指标和量化定级标准,由于对电网各类不确定因素的综合考虑不足,所述风险指标的适用性有待进一步探讨。
2)基于风险的决策支持方法。文献[10-12]提出了基于风险的决策支持工具,探讨了在机组组合、最优潮流、检修计划等领域的应用;文献[13-14]从系统稳定控制的角度,分别提出了自适应时空优化的大停电风险防御框架和优化控制数学模型;文献[15]研究了连锁故障的风险评估与预控方法。这些文献侧重于研究系统在预想故障情况下的安全问题,为实现静态与动态安全风险的优化控制奠定了基础,但需进一步探讨自然灾害、能源供给、二次系统等多种风险因素作用下的预警控制机制,以更好地适应离线与在线调度运行决策的需求。
此外,近年来国内外多个组织和企业也围绕电网安全风险管理控制(下文简称管控)做了一些有益的探索。北美电力可靠性公司(NERC)、中国南方电网、IBM等分别发布了电网安全风险管理的白皮书和规程与解决方案[16,17,18];美国PJM电网、北京电力公司、华东电网等都开展了电网运行风险管控工作的初步实践[19,20,21]。然而,目前还未提出完整的适用于调度运行的电网安全风险管控体系,应用系统设计与开发方面的相关报道较少,调度运行中心的基本功能仍然以“分析型”或“研究型”为主,前瞻态势分析能力匮乏,电网安全风险管控研究的深度和广度依然十分有限。
在上述背景下,本文基于风险管理方法,提出了一种面向调度运行的电网安全风险管控系统(security risk management system,SRMS)的实现方案,其目的是实现基于风险的电力系统安全评估和决策支持的有效联动,以利于调度运行人员全面掌控电网安全风险的变化态势,及时采取相应措施,把系统风险水平控制在可接受的范围内,减少或避免风险事件引起难以承担的损失。为了保证论文的系统性和连续性,组织了系列论文。作为系列论文的首篇,本文介绍了相关的概念,并设计了系统的架构与主要功能。
1 电网安全风险管控体系
SRMS的研发是一个系统性工程,其核心是针对电网面临的各类不确定因素,基于风险管理方法[22],在“风险辨识—风险评估—风险控制”的统一框架下建立完善的面向调度运行的电网安全风险管控体系,以做到对电网安全风险的预测感知,提升调度驾驭大电网、纵深风险防御与科学管理决策的能力。
1.1 电网安全风险管控体系的流程
本文构建的电网安全风险管控体系的流程如图1所示。
在风险辨识环节要对电网面临的各类不确定因素和安全隐患进行辨识。一方面,依据运行工况和设备信息得出设备劣化程度、老化程度及其健康指数,进而系统地评价设备的健康状态[23];并依据微气象及灾害预报信息建立自然灾害的危害模型[24]。另一方面,充分获取和分析数据采集与监控/能量管理系统(SCADA/EMS)的量测数据、发电计划和负荷预测,并结合生产管理信息、厂侧信息和负荷侧信息,建立网络拓扑,评估分析可用出力及发供电形势。此外,还应充分考虑二次设备误动/拒动、通信异常等二次系统信息,识别出电力二次系统存在的安全隐患。
风险评估环节的任务是评估预测态的电网安全水平,得出各类运行风险指标(越限驱动型指标和事件驱动型指标)的数值,主要包括建模、潮流预报、风险计算与预警等过程。其核心是要依据风险辨识的结果,建立时变的设备停运模型,采用快速排序技术、事件树等状态选择方法动态生成预想故障集。由于该策略充分考虑了电网运行面临的不确定因素,可以突破传统确定性安全评估方法采用固定故障集的壁垒,能够更加准确地感知实时态和预测态的电网安全运行态势,从而使电网调度中心对安全风险的提前预防成为可能。
风险控制是整个电网安全风险管控体系的关键环节,其目的是在风险辨识和评估的基础上,通过实施预警控制和应急管理等手段,降低风险发生的概率或严重程度。按照控制策略的时间性能,可将预警控制子系统分为离线和在线2种模式。离线模式下,将风险控制理念融入机组组合、发电调度、检修计划等功能模块,为运行方式科人员制定安全经济相互协调的运行方式提供最优的决策支持方案;在线模式下,可为调度员提供快速的运行风险控制工具,实现对设备过载、电压越限、电压崩溃等静态/动态安全风险的预防控制,将系统由高风险状态降低到风险较低的状态,以防止系统安全态势的进一步恶化。将应急管理[25]纳入电网安全风险管控体系的最后一环,可为电网风险控制工作提供有效补充,以应对紧急突发事件,为电力系统防灾、减灾提供快速的应急处置方案。
1.2 电网安全风险管控体系的多时间尺度形态
一般地,当前运行点距未来预测运行点的时间越长,系统面临的风险因素越多,安全风险评估的精度越低,预控难度也越大;而随着时间的推进,电网内外部运行环境逐渐发生变化,预测信息更加丰富完善,各类运行风险指标的计算结果也将趋于精确。在建立了电网安全风险管控体系流程的基础上,本文借鉴已有研究成果在时空协调停电防御框架方面的构建思想[26],着眼于实现对电网各类风险因素的全面有序管理,按照分析、预控的时间尺度大小,将电网安全风险管控体系划分为日前(1星期内)、小时前(1h,2h等)和分钟前(15min,30min等)3个阶段,如表1所示,以实现电网运行风险的逐级防御、局部优化与分散协调式管控。
1)日前:重点关注能源缺额、灾害水平与影响范围分布、静态安全风险[27,28]等系统级与区域级的风险指标,分析结果可作为小时级和分钟级电网安全风险管控的基础。由于可得出一个超前的系统近期安全风险趋势,有利于调度中心各专业科室工作人员及领导对未来一星期内的电网安全风险进行集中会商,并对高风险事件提前做好应急预案(如线路融冰)及专项演练工作。
2)小时前:在线跟踪系统一次、二次设备运行状况,气象、灾害、风电、负荷等不确定因素以及电网运行方式的变化情况,对风险辨识和评估的内容进行动态调整和细化。判断各子控制区域与关键设备的风险状态,找出电网薄弱环节,发布高危风险预警信息,并根据预警等级自动、递归地对当前电网潜在的安全问题进行最优控制决策(如滚动修正发电计划、制定预想事故处理方案等)。
3)分钟前:重点关注越限的静态/动态安全风险指标[29],以系统当前的运行方式为基础,利用最新实时数据与超短期预测信息进行在线风险评估和预警控制。在紧急情况下,可启用安全自动装置,实施切机、切负荷等紧急措施以抑制运行风险趋势的恶化。
不同时间尺度运行风险管控的协调是一个典型的风险型决策问题。若上阶段的管控工作不够充分,将增加下阶段管控的难度;若上阶段风险预控措施过于严苛,则会大大提高系统运行成本。本文认为,日前的运行风险管控工作必须兼顾系统经济性指标,侧重于粗略地掌控电网未来数日运行风险的整体情况,把遗留和未知风险转移给小时前和分钟前的风险管控处理;小时前的风险管控则是一个对运行风险指标进行持续滚动优化控制的过程,要合理选择预控场景集和控制措施,避免忽略小概率高风险事件,并尽可能实现经济与风险的优化协调;分钟前的风险管控是风险管控体系的最后一道防线,其目的是对当前已经暴露出来的安全问题以及预测时刻的潜在高概率高风险事件进行紧急预控,维持系统稳定运行,最大限度地降低调度员在运行时刻的工作压力。
2 SRMS的设计
2.1 软件架构设计
SRMS是调度中心实施风险可视化会商以及管控、监督工作的决策支持平台。图2给出了SRMS的软件架构,系统自底向上分为数据源层、数据接口层、数据平台层和系统应用层4层。
数据源层包括SCADA/EMS、暂态稳定分析(TSA)、广域测量系统(WAMS)、调度管理系统(OMS)、生产管理系统(PMS)、综合数据平台(IDP)、雷电定位、覆冰监测等应用系统,为SRMS提供各类风险源数据与电网参数。
数据接口层的关键是设计和开发不同的接口适配器,以采集数据源层的各种与电网安全风险相关的数据,并基于交互数据规约及业务标准规则对数据进行清洗、加工、转化为可用的数据格式后存入SRMS的系统数据库。
数据平台的业务中心存储了预测时刻的风险源数据、评估结果及风险控制辅助决策预案,且定期将历史风险数据进行归档处理。规则库存储了大量的专家经验、知识及风险定级/预警规则。图形中心存储了电网的电气/地理接线图,并与模型中心基于公共信息模型(CIM)的扩展模型相映射,实现SRMS的图模一体化。系统管理模块中提供用户管理、任务调度、安全机制、系统配置等基本的平台维护功能。
系统应用层是电网安全风险管控体系的具体实现,不仅包括风险辨识、评估、定级和预警等基础功能,而且包括可视化展示、预警控制和应急管理等高级应用功能。在通过SRMS底层数据支撑平台自动收集风险数据源信息的基础上,应用层借助先进的风险辨识与评估算法,快速、智能地对各类风险进行可视化预警,当风险水平超过阈值时,能够有针对性地给出辅助决策预案。
2.2 系统主要功能设计
2.2.1 风险数据收集
由于SRMS融合了电网调度运行信息、管理信息及公共安全信息,必须能够实现调度中心与气象、生产、物资等部门的协同。对于气象信息,基于Java开发平台和Oracle数据库研制数据传输软件,通过专用光缆或Internet网从气象部门获取电网调度气象预警预报服务数据[30];对于生产和物资信息,基于IEC 61970/61968标准,制定接入数据与CIM之间的适配策略和协调方法,研制开放式的元数据接口,实现SRMS数据平台与不同分区应用系统的数据交换[31]。
2.2.2 安全风险评估
安全风险评估应当从电网、设备、人员、管理、环境等多个角度出发,综合考虑系统面临的不确定因素,动态生成预想故障集,通过静态安全分析和动态安全分析计算严重程度,并结合风险规则库,得到各类风险指标。
电力设备在运行过程中面临许多的不确定因素,且这些不确定因素常表现为随机、模糊及多重不确定的形式[32]。由于恒定的平均故障率无法描述预测时刻不确定因素对于设备强迫停运的影响,需采用概率论与数理统计、不确定理论等方法对这些因素进行表征和计算。建立考虑微气象、灾害和设备健康状态的可切换时变设备停运模型是运行风险评估的难点和核心技术。
为提高计算效率,根据风险评估预测时间的尺度大小,采用相应的系统状态选择方法动态生成系统的预想故障集及其发生的概率。对于在线风险评估(预测时段为未来数分钟或数小时),需要满足实时性要求,预想故障的数量必须控制在合理的范围内,采用快速排序技术[33]或可信故障集选择满足评估精度的关键系统状态;对于离线的风险评估(预测时段为未来数日),为提高评估结果的准确性,采用蒙特卡洛抽样方法[34]确定系统的预想故障集,以对系统风险状况进行深度评估。此外,由于继电保护、安全自动装置等二次设备存在误动或拒动的可能,可根据需要考虑其隐性故障,基于事件树方法[35]建立系统的连锁故障模型,从而全面评估系统的运行风险。
2.2.3 风险定级
英国健康与安全委员会的风险定级标准——ALARP原则[36]已被广泛应用于工业部门,本文采用该原则制定了电网安全风险定级的框架体系,依据严重程度的大小将风险定义为可接受风险、可容忍风险和不可容忍风险(如图3所示)。可接受风险是时刻存在的,且一般不对电网的安全运行构成直接威胁,通常不需要采取进一步措施来减轻风险。不可容忍风险是电网安全运行的重大隐患,风险事件一旦发生,将引起大面积停电,给社会经济带来巨大的损失,因而必须采取强制措施减少风险。可容忍风险介于两者之间,在这一区域内,风险水平不太高且电网运行仍可获得一定的经济性。不同风险水平分界线的具体数值需要结合专家知识与大量的仿真分析计算确定。
2.2.4 风险预警机制
得出各类电网安全风险指标的风险等级后,利用可视化技术对实时态和预测态电网运行状态下的潜在安全问题发出预警,分类给出风险评估结果,并在电网地理接线图(GIS)上自动识别和定位各类风险源(如全网煤水、覆冰、山火等分布情况),以“红”(紧急)、“橙”(严重)、“黄”(警戒)、“绿”(正常)等表示不同级别的警报。可从应急指挥中心大屏上清晰纵览全网安全风险态势,并分配责任部门提前做好安全防范。
2.2.5 融入风险控制的辅助决策
不同的电网运行方式所对应的运行成本和安全风险均不同,运行成本与安全风险之间大致满足图3所示关系[37]。传统的预控机制由于没有考虑随机扰动事件发生的可能性,调度决策往往偏于激进或者保守[5],造成在获得低运行成本的同时,系统风险水平却偏大(图中区域A),或者在保证系统低风险运行的同时,却又大大增加了运行成本(图中区域B)。鉴于此,需要将风险控制思想融入预警控制、应急管理等辅助决策功能模块,并针对研究问题的不同时长(离线和在线)分别建立优化数学模型,以制定安全经济协调的最优方案。
基于风险的机组组合、发电调度、检修计划等离线模式下的风险预警控制功能,以及应急物资安排、停电计划等应急管理功能,均需充分考虑运行成本和安全风险两者的冲突关系,并维持风险水平在可容忍的范围内,实现运行成本与安全风险的折中。采用多目标优化方法分别对上述问题进行建模,考虑决策者所持风险态度(风险规避型、风险稳健型或风险偏好型)与激励效应、约束效应的关系[16],以决策者效用函数最大化为准则,从得到的一系列Pareto最优解中选择最佳运行策略,以获得期望的发电成本和运行风险水平。
通过风险灵敏度分析,得出描述控制变量与各类静态/动态安全风险指标间映射关系的风险灵敏度矩阵,以提高在线模式下风险决策模型的解算效率。当预测时间内出现高风险事件(如过载风险、电压越限风险等指标超出预先设定的可容忍风险上限)时,SRMS将自动调用在线风险决策模型进行快速求解,通过调整系统的运行方式等控制策略,使系统由一个预警状态快速转移到另一个风险值较低的运行形态。
3 应用实例
本文所设计的SRMS已在湖南省电力公司调度通信局得到初步应用。系统基于C++和JAVA编程,采用C/S+B/S混合架构,目前已实现从SCADA/EMS,TSA,IDP,OMS等系统自动收集风险数据源,定期进行风险指标的评估与定级,并具备了初步的离线预警控制功能(系统界面见附录A)。
湖南电网管辖范围内易发雷雨、山火、冰冻等自然灾害,且全省资源相对匮乏,发电部分用煤及全部用油和用气均需由外省供应,水力蕴藏丰富但季节性水位变化明显。针对湖南电网这些特点,设计了如图4所示的多维度电网安全风险管控体系。在目标维度上,建立了输电线路停运率与微气象及山火、覆冰等极端恶劣天气相关的时变停运模型,构建了以风险评估、预警控制、应急管理为核心的全面风险管理框架;在时间维度上,动态跟踪电厂存煤、水库来水、灾害预报、网络拓扑变更、负荷异常波动等不确定因素对电网安全运行的影响,实现日前(3d内)、小时前(1h)、分钟前(15min)等不断向前滚动修正的电网安全风险管控体系。
以某时刻SRMS的运行情况为例说明系统的有效性。在预测时刻,湖南全网静态安全风险指标(线路过载风险、母线电压越限风险)明显偏大,风险预警模块发布了橙色风险预警,可视化展示模块显示最大的风险源为同时开工了多个检修现场(群豹线、民丰1号主变压器),次大的风险源为多个设备存在异常情况。离线预警控制模块针对这些风险因素制定了初步的预控策略。
在群豹线重叠民早Ⅲ线及民丰1号主变压器停电期间,民豹Ⅲ线潮流将加重,出现跳闸时将导致鹤岭、长阳铺主变压器、鹤西Ⅲ线与鹤肖断面等多条线路和断面潮流越限。对于该高风险的检修方式,预控措施为加大金竹山电厂3号机、涟源电厂机组或柘溪老厂机组出力,并控制长阳铺主变压器下网及鹤西Ⅲ线与鹤肖断面潮流。调控前后全网静态安全风险指标的变化情况如表2所示。表中:F1和F2分别为控制前后的风险值;Fmax为风险指标的可容忍值上限。
可见,若采取预控措施,线路过载风险和母线电压越限风险的数值将分别降低至原来风险值的78.6%和86.1%,说明该控制措施对于减缓风险有一定作用。
此外,SRMS提示220kV长平Ⅰ线、220kV荷茶Ⅲ线、220kV肖泉Ⅱ线断路器、大唐石门电厂2号机组等多个设备存在异常情况,且有些持续时间已达1个月以上,导致设备故障概率增加,系统提示调度员应对这些高危设备给予持续关注,有利于责成生产技术部门采取有效措施对异常设备进行消缺处理。
4 结语
基于风险管理方法,本文提出了一种面向调度运行的SRMS实现方案,提出了电网安全风险管控体系的构建思想,并设计了系统的软件架构和关键功能。在湖南省电力公司的初步应用实践表明,SRMS可实现电网安全管理从传统的基于最严重情况的决策模式过渡到基于风险的预警控制模式,有望成为电力安全保障体系的重要组成部分,为大电网的一体化智能调度提供技术支撑。
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇3
【摘要】随着科学技术的不断更新和发展，光纤技术正在大力进行推广，目前来看，在电网调度中存在着图形化的“四遥”模式，这种模式对于电网调度自动化水平的提升具有十分重要的作用。文章以电网调度控制一体化以及视频监控为设计目标，针对电网当前的现状，以人员出入信息以及火灾报警信息为功能需求，将所采集到的信息传输到调控中心。该系统结合了当前最为先进的视频监控技术以及各种环境监测技术，实现了电网调度的高度信息化。
【关键词】智能化；电网调度系统；监控平台；设计
一、引言
随着电力市场化的发展，业务流程敏捷性的要求逐渐提高，同时随着智能电网战略的实施，电网一体化特征日益明显，电网调度控制复杂性大大增加，这些都对调度技术支持手段提出了更高的要求。各调度中心必须通过技术手段实现调度中心之间以及调控中心内部信息集成与共享，为电网调度运行人员提供全面细致的电网状态，并提供相应的辅助决策支持、控制方案和应急预案等，实现多维度全景监视、综合智能预警和大电网协调控制。
二、传统电网调度环节存在不足
智能电网调度自动化的出現可以有效的弥补传统电网调度工作存在的不足。传统电网调度主要存在下面四个方面的缺陷：①缺乏相关技术标准，还需要补充制定电力系统安全稳定分析和控制方面的标准，如大规模分布式电源接入和特高压运行特征方面的；②电网调度技术水平低下，无法满足今后电网运行发展的要求，还需要不断的完善并且提高电网在线分析和控制技术，并且还要提高保护装置的数字化、信息化和集成化；③还没有足够的能力对大容量的风电以及太阳能等间歇性电源的出力进行预测和调控，还需要不断的传统电网调度节能环保能力进行提高。
三、监控体系架构
变电站接入智能电网调度控制系统集中监控的体系架构主要包括两大部分，即调度控制系统基础平台、电网运行稳态监控系统，其中还包括AVC（自动电压控制）、WAMS（广域测量系统）和二次设备在线监视等模块。调度控制系统基础平台主要是以电网运行数据为基础，通过服务总线、消息总线提供公共服务与调控一体的警告服务、权限服务，它能实现数据采集、模型和权限管理、人机界面控等调控业务的一体化采集、处理和展示。
在调度控制系统基础平台变电站集中监控的过程中，调控一体模型管理是整个管理的基础，主要包括一次模型和二次模型，前者涉及电网参数、一次参数等内容，后者有保护、测控等二次装置的信息。同时，通过设置权限和责任区可以实现对不同用户的“隔离”，避免出现越限使用、操作的情况，而且还能够减轻监控人员的工作负担。
智能电网调度控制系统基础平台变电站集中监控的作用有以下几点：①通过对运行数据的遥测、实时接收，利用相关逻辑完成遥信、遥测数据的处理，以得到准确、可靠的实时信息；②完成电网设备的操作、控制，在保证电网运行安全的基础上，利用集中监控系统实现电网调度控制中心对电网断路器、档位等设备的远程遥控操作；③完成信息的分析、处理，根据得到的实时数据信息，准确判断一、二次设备的运行状态，并以此作为调度控制的依据，有效提高调度控制的可靠性。
四、电网调度集控一体化技术支持
（一）智能监控技术
当前电力系统中应用了多种监控技术，但是不同监控技术之间主要是独立完成系统监控，例如电网高级应用模块通过分析状态信息和数据信息，可以得出电网的故障点或者异常点；SCADA系统实现了对抖动、异常波动、跳变等异常情况的实时监测。这两个系统之间缺少关联性，并且运行效率较低。随着电网的快速发展，在未来应加大对PAS、SCADA、FES等模块的分析研究，例如，PAS用于分析电网系统的异常点状态，SCADA可以利用跨厂或者全厂分析和计算系统薄弱量，FES主要用于分析单个点异常量。通过全面综合的分析，向电网调度人员提供更加全面、准确的分析结果，便于运行维护人员有针对性地进行管理和处理。
（二）运行管理技术
电网调度集控一体化系统的应用，需要满足运行维护人员、集控人员、调度人员的工作需求。当前，我国电力系统中，不同专业工作人员对电力系统进行调度、操作、监视和维护，主要是利用责任分区技术，按照信号位置、间隔或者电厂将电力设备划分为不同责任区，实现对电力系统设备的控制和监视。
五、智能电网调度自动化系统建设面临的挑战
智能电网调度自动化系统在建设过程中，主要受到以下五个方面的业务方面的挑战：①需要提高调度资源优化配置能力，从而使用节能发电调度和资源优化配置的需要；②提高调度驾驭大电网的能力，从而满足电网快速发展和安全运行稳定的要求；③建设备用调度体系，从而可以从容面对自然灾害的巨大影响；④完善二次系统纵深安全防护体系，有效的应对日益严峻的网络信息安全威胁对电网运行的影响。
六、结束语
综上所述，在电力系统中，电力电网的调度环节是非常重要的，对电力系统的安全可靠运行有着直接的影响。智能电网调度自动化是一个实时动态系统，能够对电力系统进行有效的分析和调控。一旦电力系统存在某些故障，那么智能电网调度自动化系统就能够及时并且准确地对发生的故障进行详细的分析和处理，保证事故处理的及时性，并且能够对电力电网的运行状况有着更加全面的了解。上文主要对智能电网调度自动化的内涵以及智能电网调度自动化技术进行了简单阐述，希望可以给其他电力工作者的对智能电网调度自动化的研究带来一定的参考，从而使得智能电网调度自动化系统变得更加完善，更好的发挥在电力系统中的作用。
参考文献
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇4
不同行业或同一行业不同企业，其业务特点和业务处理流程，以及自身实际情况都存在较大差异，所以在社会活动过程中所产生的信息量和信息内容差异较大，对信息管理系统功能要求也会有较大出入。想要避免一些具体业务在软件上没有提供相应服务或一些功能不能满足企业业务流程需要，就必须做好系统功能分析，然后结合总体设计目标和设计思路进行设计。所以要先了解项目设计目标，确定信息管理系统适用范围、开发规模、性能要求、使用要求等。下一步就是进行细致的区分。通常我们可以分四个板块，即：中心管理、标的管理、数据库管理与日程管理。通过这几个模块的细致划分达到资源的合理应用。中心管理模块负责个人日常工作中产生的信息交流和记录，并对这些信息进行处理和分析。项目管理模块则负责对相关信息资源的创建、维护、删除、查询等操作。管理员模块则能够进行公告维护、会议安排。日报管理模块则能够进行日报添加、审核、统计，是整个系统的核心模块。系统管理模块则负责系统基本信息维护和管理，能够对系统功能进行调整。此外，具体管理功能要涉及：后台管理、信息管理、多媒体管理、栏目管理、专题管理、信息采编管理、信息审核流程管理、日志管理等内容。栏目管理中栏目应可排序，能够控制栏目访问权限，可设置显示模块和隐藏模块，可控制信息显示状态和方式，例如，动态显示或静态显示。系统的信息管理应具有可变性，即一方面能够对原有信息进行储存于淘汰，另一方面可以对信息的编辑进行图形化处理。一旦将信息系统的数据进行图形化处理后，我们就可以清晰的得出各种信息类型与信息数据。信息审核流程管理中，必须有合理、有序、科学的管理机制。信息审核机制要严格完整，遵循二级审核机制，能够明确信息发布人信息，以便于信息审核与提交。信息审核模块要包括具体具体审核流程、审核方式、审核范围、审核人姓名、审核时间、审核状态，若未通过审核应可显示未通过原因。只有保障每一个模块的合理性、科学性、完整性，才能使整个系统安全、稳定、合理.
5结束语
21世界人类社会正在逐步进入信息时代，社会活动中产生的信息量越来越大，内容越来越多，传统的人工信息管理模式已经不能适应时代发展需求。因此，在信息管理工作中应积极融入信息管理系统，通过信息管理系统提供信息管理效率，提升信息利用率，发挥信息资源职能。
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇5
息管理平台的设计与实现
摘 要:基于GPRS网络的嵌入式系统平台具有低成本、高效率的特性,论文介绍了针对小规模酒店信息管理平台基于GPRS网络和嵌入式系统的软件、硬件的设计和实现。
关键词:GPRS;嵌入式系统;Qt Embedded;TCP/IP;sqlite 1 酒店信息化发展趋势以及本技术的应用场景随着全球经济一体化的深入发展,酒店业的客源结构更加丰富并呈现出多样化趋势,客源市场也变得更加广阔。同时,酒店业也将面临日趋激烈的竞争环境和不断提高的客户期望,这迫使酒店业内人士进一步寻求扩大酒店销售、改进服务质量、降低管理成本和提升客户满意度的新方法,以便增强酒店的核心竞争力。及时地共享客人的信息,给客人提供人性化的服务业已成为酒店管理的目标与方向,而酒店装潢、客房数量、房间设施等质量竞争和价格竞争将退居二线。可以预见的是,未来酒店的竞争将主要在智能化、信息化方面展开。小型旅馆或家庭酒店在智能化、信息化方面仍与星级酒店存在着明显弱势,这是由资金、人力、品牌等多方面的因素导致的。笔者提出的酒店信息管理平台主要针对规模较小的酒店提供信息化服务,解决酒店规模和信息化需求之间的矛盾。本技术基于嵌入式系统实现,利用可视化的操作方式轻松实现,并且通过GPRS网络,将客房信息发布到统一的信息平台以便查询预定。酒店信息管理平台框架设计总体来讲,本系统属于C/S模式,客户端指处理终端,用于处理酒店信息的本地管理,服务器端指Web服务器,用于系统内酒店的客房信息和其他酒店信息的发布,以及客户的远程查询和预定。此外,客户也可以通过电话网络直接与酒店终端联系完成业务流程。主要功能模块本系统基于嵌入式系统方式,所以它的特点是体积小、功耗小、全触摸屏操作、方便安装和移动,同时它涵盖了小型酒店管理的各个方面(见图2),主要功能模块包括:(1)系统设置:设置系统登录密码、屏幕保护、电源管理、系统时间等。(2)客户管理:记录和管理客户信息,包括姓名、性别、电话,以及自定义的客户信息,支持客户信息的快速查询、分组管理,并为其他模块提供客户信息支持。(3)职员管理:管理酒店职员信息,包括姓名、性别、职务、薪金、权限等。(4)短信服务:该模块主要用于客户的个性化服务,如预定确认、订单提醒、生日祝福、优惠信息等。(5)客房预定:支持本地预定和远程预定。本地预定即客户直接与酒店联系产生的订单,远程预定是客户通过网络信息平台产生的订单,通过GPRS同步到本地。(6)数据备份:系统可以根据设置,定期将终端数据备份到U盘等存储设备上,防止设,避免给酒店带来损失。(7)统计分析:对客户订单信息、职员业务信息等进行统计分析,生成业务报表。此外,该模块可以扩展为酒店管理的高级应用,随着客户和订单等信息数据的积累,可以引入数据挖掘技术,对酒店日常经营提供决策支持。(8)信息同步:利用GPRS技术,同步本地终端和Web平台的数据,包括客房情况、客户预定信息、酒店促销信息等,便于客户通过网络平台远程预定客房。通信模块采用展迅SM5100,它是专为数据传输设计的GSM/GPRS无线通信模块,集成了完善的协议栈及应用层软件,具有尺寸小、性能好、开发简便等优点。Intel pxa310通过RS232控制SM5100,完成GPRS网络数据传输和短信、通话等功能。终端采用64M SDRAM和128NAND Flash,用于保存操作图3 终端硬件设计图系统、上层应用、用户数据等,并提供足够的数据存取性能。为了方便用户操作,采用640×480分辨率的大尺寸触摸屏,使得所有操作通过触屏方式完成,同时进一步缩小了终端的物理尺寸。USB接口用于连接U盘等外部存储设备和打印设备,并可用于后期的软件升级等功能。在终端的软件设计方面,采用Linux操作系统控制整个系统的运行。Linux操作系统包含了完整的TCP/IP协议栈、PPP协议栈,所以不需要添加TCP/IP协议硬件转换芯片,有利于减少硬件体积和成本,SM5100作为Modem,用于连接设备和
网络。利用GPRS网络与分组数据网络互联互通的特性,实现了将设备接入最大的PDN网络Internet。设备与SM5100模块之间采用串行接口通讯,在SM5100连接上网络后,设备即可以通过其来实现与Internet上的主机进行数据通讯,SM5100透明收发数据。这种实现方法类似于使用家用PC做代理接入的方式,只是这里采用了无线方式,网关改为SM5100模块。上层应用软件基于Qt Embedded实现可视化界面操作风格,由于pxa310强大的处理能力,保证了界面操作非常流畅的操作速度。此外,我们集成了sqlite数据库,实现客户数据等的灵活存储和查询。结论
本系统将嵌入式操作系统、GRPS技术有机地结合在一起,利用sqlite数据库实现灵活的数据处理,并实现基于Qt Embedded的可视化操作界面,借助于嵌入式硬件平台的强大处理能力和Internet网络,实现了集本地酒店管理和远程客房预定于一身的嵌入式酒店管理平台,针对小规模酒店管理的信息化需求,有效地解决了信息化管理和资金投入的矛盾。
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇6
电网可视化系统是为电网调度自动化设计的一套监视系统 , 是一套外 挂的系统 , 它的实时 数据来源 于SCADA系统或EMS仿真计算结果, 通过标准的通讯规约或数据库进行数据交换, 并以设备为单位, 采用面向对象设计, 借助于计算机图形理论和技术, 形象生动地显示电网运行参数, 并溶入优化控制策略, 是电网调度自动化的创新实践, 具有广阔的应用前景和社会经济效益。
2 技术原理
电网可视化系统是专门为电网调度自动化设计的监视程序, 它采用可视化的手段显示电网调度运行的参数, 为调度员进行调度提供直观的可视化图形, 它将电网运行枯燥的数据用动态的方式, 借助计算机图形显示技术进行显示, 充分发挥了人脑的模糊识别功能, 为调度自动化系统提供前所未有的技术手段。
系统的建立将帮助调度人员掌握电网实时运行态势, 直观分析电网供需平衡关系, 为电网优化控制提供辅助决策依据。
系统主要可以实现几项功能。1) 在系统上实现电网实时数据的收集, 利用动态显示及二维图像对电网线路、节点电压无功的实时信息进行形象表达。2) 利用动态三维图像对有功、无功备用、变压器负载、主变温度的实时信息进行形象表达。3) 线路任意组合功率总加表示等功能。4) 大用户负荷的实时监视。5) 变电站电压无功控制策略及实时状态监视。6) 对历史数据的可视化回放、重演。
3 采用的主要理论和算法
3.1 节点等高线可视化实现方法
电力系统运行数据可视化可以是基于主接线图, 也可以是基于地理接线图。支路运行数据的可视化采用箭头方向表示功率的方向, 箭头大小表示功率的数值, 或用饼图的直径表示功率的数值, 饼内的扇形表示受载率等。节点运行数据如节点电压、负荷和节点电价等的可视化方法有温度计法、直方图法等。温度计法和直方图法是对单一节点数据的二维可视化, 实践表明这种可视化方法不但显示效果不明显, 尤其是对于大型网络, 更重要的是它不能给出参数的区域分布概况, 而后者却往往能揭示现象的本质。等高线的可视化方法很好的解决了这一问题。
3.2 节点运行数据等高线可视化的原理
等高线是地面上高程相同的各相邻点所连接成的封闭曲线垂直投影到平面上的图形。一组等高线不仅可以显示地面的高低起伏, 而且还可以根据等高线的疏密和图形判断地貌的形态类型和斜坡的坡度陡缓。
在绘有等高线和等深线的地图上, 按照不同的高度和深度着上深浅不同的褐色、黄色、绿色、蓝色等颜色, 以鲜明地表示地面和海底起伏的形态。这种地图叫分层设色地形图。分层设色地形图的立体感强, 它既能表示海拔, 又能表示相对高度, 所以它既能表示地势, 又能在一定程度上表示各种地形类型。分层设色地形图上各种颜色表示的高度范围, 可以查看图上所附的等高线分层设色表。
3.3 节点运行数据等高线可视化的实现算法
由三维向量空间R3中的不规则、离散的电网节点Pi生成节点运行数据等高线 , 要经过对电网节点剖分构建三角形网、优化三角形网形成Delaunay-TIN、在三角形边上内插同一运行数据等值点、搜索同一运行数据的所有等值点、根据邻近关系追踪等值点以及通过对等值点进行曲线拟合最后生成等高线和填充色块。
4 系统结构设计
4.1 硬件结构
电网可视化系统由两台高性能服务器、两台工作站和多台客户终端构成, 支持网络与外部交换数据。系统具有开 放型和通 用型的数 据接口 , 即不仅可 与现有SCADA平台连接, 还可以实现其他数据源的量身定制 , 集成调度人员关注的信息, 具备多种功能接口。
4.2 软件结构
电网可视化预警系统的所有软件是面向数据库进行设计和开发。软件系统包括支撑系统、EMS高级应用软件运行状态可视化系统。其中, 支撑系统由实时数据库管理系统、图形和人机交互系统和网络通讯系统等四个子系统组成。图形和人机交互系统又由工作平台和维护平台两部分组成, 其中, 工作平台是EMS高级应用软件和可视化系统使用人员所使用的人机交互环境, 而维护平台是系统维护人员用于建立和维护系统所使用的图形数据库工具。
4.3 实时数据库管理系统的设计
实时数据库是一个数据库管理系统, 它具有一般数据库管理系统DBMS的基本功能:永久数据管理, 包括数据库的定义、存储和维护等;有效的数据存取, 包括各种数据库操作、查询处理、存取方法和完整性检查;任务的调度与并发控制;存取控制和安全性检查;数据库恢复机制, 增强数据库的可靠性。
为了支持以上功能, 设计的数据库还采用了传统关系型数据库与内存数据库集成的方案。具有开放性好、数据处理能力强等特点, 在系统中作为与第三方交互以及提供用户二次开发的接口, 以及作为内存数据库的转储介质存在。
4.4 与基础系统的集成
4.4.1 硬件接口方式
可视化系统通过增加网络交换机, 组成专用的小型网络。经过原SCADA/EMS系统的内网交换机直接通过网络与此专用小型网络连接。
4.4.2 软件接口方式
软件接口方式采用标准104规约网络通讯或E格式FTP文件传输方式, 原SCADA/EMS系统周期性将系统接口需要的数据以双方商定的标准规约传输到可视化通讯机, 或以E格式文本文件的形式上传到一台指定FTP服务器, 可视化软件系统直接接收规约定时读取此FTP服务器上的数据文件。对于此种两种接口方式, 原SCADA/EMS厂商必须保证实时性及稳定性。
4.4.3 系统数据接口
通过接口方式实现对于SCADA/EMS系统数据的接入, 能够满足可视化系统监视运行的需要, 系统主要包含几类数据。
SCADA实时数据 :同步显示系统实时状态 ;拓扑关系的读取: 抽取因结构改变而引起的网络变化数据;静态信息的读取:实现各种静态参数的读取, 避免同一数据的重复录入。
5 结束语
可视化系统是电力SCADA/EMS系统的应用子系统, 系统的开发与应用为调度人员提供了电网实时数据的分类管理, 对于重要数据实现了自动化的监视, 为智能调度优化提供了技术支持, 系统的建立将帮助调度人员掌握电网实时运行态势, 直观分析电网供需平衡关系, 为电网优化控制提供辅助决策依据。
摘要：电力系统是一个大型的网络, 在运行中产生大量诸如电压、电流、功率等实时数据, 这些数据通常以数字的形式在电力系统主接线图或地理接线图上显示。对于运行管理人员来说, 维护的难度非常大, 不便于及时发现和处理故障。因此, 对于电网调度可视化分析预警系统的研究和设计具有十分重要的价值。
关键词：电网,可视化,预警系统
参考文献
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基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇7
关键词：调度自动化,前置通信,实时数据库,实时数据缓冲区,统一建模语言
0 引言
电网调度自动化系统[1,2,3]对电力系统的安全经济运行发挥着越来越重要的作用。开发出第4代调度自动化系统是一套支持EMS[4,5]、集控中心系统[6,7]、配电网管理(DMS)系统[8,9]、广域监测预警系统[10](WAMS)和公共信息平台[11]等多种应用的电网调度集成系统[12]。作为调度自动化系统的数据源和通信枢纽，前置通信子系统始终是各种应用不可或缺的重要组成部分[13,14]，其内涵和外延都有了较大变化。研制和开发适合多种应用的、开放的前置通信子系统，为多种应用提供统一的数据采集和数据通信服务是调度自动化系统的重要课题。
前置通信子系统硬件通常采用标准化、商用化设备，不同厂家系统差别不大。而前置应用软件却有所不同，反映出不同厂家前置通信子系统在功能和性能上的较大差异。前置应用的核心是前置实时库，一个设计合理、访问高效的前置实时库可以优化前置应用软件流程，丰富前置应用软件功能，提高程序运行效率，在很大程度上决定了前置通信子系统的功能和性能。本文主要讨论调度自动化前置通信子系统实时库的设计和实现方法。
1 前置实时库的设计
1.1 概述
电网调度自动化系统有多种应用，如EMS、集控中心系统、DMS、WAMS和公共信息平台等，它们的前置通信子系统却有相似之处，数据处理流程可以归结为图1所示。
链路通信模块负责和各种硬件设备进行数据通信及通信路由的选择，协议处理模块对各种通信协议进行解释和数据预处理，数据服务模块则为后台各应用发布数据采集信息和提供数据通信服务。前置实时库数据结构设计应面向数据采集和通信，优化数据预处理流程，最大限度地满足前置通信子系统功能和性能的需求。
1.2 数据建模
根据前置通信子系统功能特点，前置应用数据模型划分为5个包，每个包又由若干个类组成，包图如图2所示。
a.设备包，包含服务器配置、设备配置2个类。
b.厂站包，包含厂站、通道2个类。
c.协议包，包含多个通信协议类。
d.量测包，包含前置遥信定义、前置遥测定义、前置遥脉定义、前置遥信转发、前置遥测转发5个量测类。
e.注册包，包含注册厂站、注册遥测、注册遥信、注册计划值4个注册类。
1.3 类的设计
类的数据成员包括静态参数和动态数据。静态参数是指用户一旦设置后就保持不变的信息，而动态数据则是在系统运行期间反映系统内部活动状态的信息。
1.3.1 设备包
描述前置通信子系统赖以运行和通信的硬件设备。如服务器配置类静态参数包括集群方式(单机、双机、3机、4机)、网络配置(单网、双网、3网、4网);动态数据包括前置工况(在线、离线)等。
1.3.2 厂站包
描述前置通信目标对象和路径。厂站既是调度自动化系统的信息源头，又是调度自动化系统控制的终极目标。厂站类静态参数包括厂站类型(RTU、变电站、控制中心、保护子站(装置)、配网子站(装置)、相量测量单元等)、容量(遥测、遥信、遥控等);动态数据包括厂站工况(投入、故障、退出)、值班机ID(值班通信端口所在服务器名)等。
通道类继承了厂站类容量等属性，静态参数包括厂站ID(所属厂站名)、通道类型(专线、网络、虚拟、天文钟、电话拨号)、通信方式(客户、服务器)、IP地址(支持双网的目标网络终端有2个IP)、协议类型;动态数据包括通道工况(投入、故障、退出)、值班标志(值班、备用)等。
1.3.3 协议包
协议解析和转换是前置通信子系统的中心任务。采取抽取通信协议互操作特征，为每种协议定义一个类，如IEC101协议类静态参数包括通道ID(所属通道名称)、遥信起始地址、遥测起始地址、遥控起始地址、遥调起始地址、源地址字节数、公共地址字节数、信息体地址字节数等。
当一个通道选用IEC101协议后，便为该通道复制一个采用国家标准的IEC101协议对象。在与不同厂家产品互联时，通过调整协议对象表里的参数来解决互操作性问题，而不必修改协议处理程序。
协议包集成了IEC系列、CDT、DL476-92、IEEE1344等众多国内外流行的远动和计算机通信协议类。
1.3.4 量测包
描述了与目标对象进行双边数据通信及数据预处理时所需要的参数。如遥测类静态参数包括通道ID(所属通道名，可以同时属于多个通道)、分发通道ID、点号、TASE.2网络名、死区值、归零值、是否过滤突变、基值、系数、满度值、满码值等。
1.3.5 注册包
作为第三方系统TASE.2通信网关机时采用的一种“按名通信”接口方式[15]，即前置子系统通过自动或手动方式从第三方系统读取可选通信对象名称，生成注册界面供用户按名注册，并将注册后生成的本地数据库记录ID自动返回给第三方系统。双方按注册ID传送信息，在低层采用扩充的DL476-92协议进行通信，在高层则提供给用户按名通信的界面，通信过程对用户透明。第三方系统侧用户免维护。
1.4 类的关联
类的关联如图3所示。虚拟通道不涉及通信设备和协议，其量测对象来自于其他通道分发[14]。
2 前置实时库的实现
2.1 概述
前置通信过程一方面要求有很强的时效性，即必须在一定的时间内完成数据的传输和预处理;另一方面还要求有很强的可靠性和吞吐性能，即使在流量很大时，也不能丢失数据。
前置向后台应用提供预处理后的数据，极大减轻了后台CPU的负担。“雪崩”试验表明，按名(比较数据库关键字)访问、基于文件映射方式的平台实时数据库管理系统可以较好地支持后台应用，但对前置应用的支持却捉襟见肘，存在效率缺陷;而按地址直接访问的前置共享内存库(共享内存数据缓冲区)虽然在一定程度上牺牲了灵活性和方便性，却可以大幅降低CPU负载。
共享内存是最快的可用进程间通信(IPC)形式，按地址直接访问数据是效率最高的访问方法。基于这一思想，在共享内存构建按地址(指针)直接访问数据的前置实时库(实时数据缓冲区)，以满足前置通信子系统实时性和可靠性的需求。
利用商用数据库管理系统(如Oracle)通用、灵活等诸多优点定义和保存前置应用数据模型。系统初始化时，通过数据库服务器下装或磁盘文件映射生成由平台实时数据库管理系统支撑的数据库(简称平台实时库)，再根据平台实时库内容创建前置共享内存实时库。
2.2 实时数据通信模型
在共享内存构造实时数据通信模型就是把用数据库关键字表达类间(具体讲是对象实例间)的关联(关系)转变为用指针表达。指针充分利用了“预先”查询的结果，提高了应用程序访问前置实时库的效率。实时数据通信模型如图4所示。
一个厂站可能有多个通道，每个通道有多个量测对象，通信介质和通信协议也不尽相同。系统初始化时，根据数据库定义在共享内存创建厂站对象通道对象设备对象、协议对象、量测对象的正向关联指针，同时也建立反向指针，方便检索和回溯。在系统运行期间，当前置共享内存管理进程从消息总线上读到数据库设置变化的信息后，及时更新实时数据通信模型的相关部分，保证实时数据通信模型和数据库定义一致。
2.3 实时数据缓冲区
2.3.1 生产者与消费者问题
通信收发、报文显示、变化数据、保护事件、下行命令(如遥控、遥调、召唤数据)等公共数据缓冲区虽然涉及的数据对象不同，但都反映了前置应用数据动态传递的过程，不需要用户定义。进程分别通过读写指针直接访问数据对象，并根据访问的结果移动读写指针，采用信号量技术同步多个进程对读写指针的并发操作。从抽象数据结构的观点看，都属于生产者与消费者问题。
a.一个生产者和多个消费者。如一个通信进程往通道接收缓冲区里写通信源码，协议处理进程从接收缓冲区里取数进行解析和数据预处理，同时又可能有多个显示进程从接收缓冲区里取数显示，接收缓冲区管理类库为每一个取数进程都分配了一个独立的读指针，各进程取数互不干扰。
b.多个生产者和一个消费者。如多个协议处理进程将变化数据对象写入主/备变化数据缓冲区，前置发布信息进程从主变化数据缓冲区读取数据对象，并将备用变化数据缓冲区“超时”的数据对象发向后台。主/备变化数据缓冲区的双保险机制进一步保证了不丢失变化信息。
c.动态分配机制。报文显示数据缓冲区采用动态分配机制：当用户选定某个通道显示汉化报文后，显示进程首先查看是否已存在该通道报文显示数据缓冲区，若存在，则记下当前本进程的读指针，并开始读指针计数;若不存在，则新申请该通道报文显示数据缓冲区，协议处理进程开始汉化报文并放入该报文显示缓冲区，进行写指针计数;当该通道的所有报文显示窗口都关闭(手动或自动关闭)时，自动释放该报文显示缓冲区。
2.3.2 数据预处理
厂站、通道、通信设备、服务器工况等动态数据都是反映系统运行状态的统计值，数据访问周期可以控制，将这类动态数据保存在平台实时库以便充分利用支撑平台所提供强大的基于平台实时库的通用画面功能。而实时通信数据预处理量大而频繁、时效性强且不能丢失，故放入共享内存实时库，通过基于共享内存数据缓冲区的专用界面显示和操作。
预处理数据缓冲区里数据对象的数值和质量码是经过工程值转换和极性转换等遥测、遥信数据预处理后的结果，运算参数来源于数据库中定义的量测对象静态参数。前置发布信息进程定时(或响应召唤)从预处理数据缓冲区取数，向后台发布全数据信息。根据应用不同，预处理数据缓冲区有2种数据结构。
a.结构数组队列。对于EMS、集控中心、配电网管理、公共信息平台等系统，各厂站的通信对象数目不同，并经常发生变化。为了优化共享内存管理和控制，采用动态分配共享内存，即通过队列指针为各厂站的通道数据缓冲区链接不同数目的共享内存数据块(64个遥测数据结构为1遥测块，128个遥信数据结构为1遥信块)。当某厂站通信量发生变化后，通过队列指针增加或回收所属通道的数据块，各通道数据空间相互独立，互不影响。数据对象地址由通道号和记录号组成。协议处理进程在读取通道(信)源码时即可获得通道号，而记录号的生成方法按通信协议不同分为2种：按地址(功能码)传送信息对象协议，记录号=信息对象地址(功能码)-该类信息对象地址(功能码)起始值;按名称传送信息对象协议[16]，在建立实时数据通信模型时，将定义的量测对象放入对应通道结构数组里第1个keyid(关键字)为负1的数组元素，该数组元素下标即是记录号。在TASE.2通信初始化时，将TASE.2网络名和记录号定义在回调函数中的同一个数据结构里，前者用来进行数据通信，后者用做访问前置实时库，该过程对用户透明。
应用进程代入地址(通道号和记录号)参数来调用前置共享内存管理类库提供的API(Application Program Interface)访问预处理数据缓冲区。API数据访问过程对应用进程透明，API数据访问过程如图5所示。
b.二维数据表如图6所示。广域监测预警系统通过相量测量单元(PMU)对系统进行高密度的同步相量采集[10]，PMU采集的数据具有高密度(25～100帧/s)及带时标等特点，所以数据预处理缓冲区采用二维数据表。
图6 PMU二维数据表可以存储100条顺序记录，按照25帧/s计算，可以存储4 s的动态数据。YC*NUM、YX*NUM为存放NUM个相量测量(遥测)值、数字(遥信)量的数据对象结构。寻址方法采用哈希方程，即把关键码值直接映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找速度。哈希函数为记录号=(SOC%4)*(FNOM/PERIOD)+FRACSEC/(MEAS_RATE/(FNOM/PERIOD))
其中，SOC为世纪秒，FRACSEC为秒等分数，MEAS_RATE为等分秒数，FNOM为额定频率，PERI-OD为相量传送周期。
3 结语
基于LabVIEW的电网调度与运行管理信息系统设计与实现 篇8
电阻、电感、电容、品质因数和损耗因数等参数是电路的基本参量,其中阻抗参量在现代工程测量中拥有重要地位。常用的一般测量方法有伏安法、电桥法和谐振法。伏安法测量精度不高,电桥法平衡调节较困难,谐振法适合于高频元件,这三种方法都不能实现电路参量的自动化测量,不能及时完成测量数据的处理与分析。本文采用的数字化测量方法则克服了这种缺点,它主要依据矢量电流电压法,设计方案分为固定坐标轴法和自由轴法[1,2,3]两类,本文选择流行的自由轴法方案。对于传统的智能仪器而言,无论是固定坐标轴法还是自由轴法,对硬件电路要求都很严格,结构复杂,成本较高,不利于以后的功能扩展和维护。
随着计算机技术,电子技术以及数字信号处理技术的发展,智能仪器领域发生了巨大的变化,基于开放体系结构的虚拟仪器技术拥有强大的数据采集、分析、处理、显示和存储功能。与传统仪器相比,虚拟仪器具有开放性、模块化、互换性以及可重复使用等特点。
本文采用21世纪三大核心技术之一的虚拟技术[4,5],以LabVIEW为开发工具,利用阻抗的数字化测量方法设计一个基于虚拟仪器技术的电路参数测试系统,实现对电路参数的自动测量。该测试系统结构简单,有良好的人机交互界面,可靠性高。开放性、模块化的设计减少了开发成本,同时使系统维护更为方便,快捷。
1 系统总体设计
系统首先确定了采用上层软件和下层硬件分级工作的总体设计方案。在通用硬件平台搭建后,利用软件编程实现系统的相应功能与操作界面。上层软件使用图形化编程软件LabVIEW实现对硬件系统的控制以及数据的采集、分析、判断、处理、存储和显示等功能。下层硬件电路主要由FPGA,NI ELVIS和PCI总线实现硬件系统与PC机的通信。系统的测试过程是由FPGA产生正弦激励信号,通过前端测量电路测得参数元件的矢量电压,该矢量电压再经相敏检波器进行实虚分离通过PCI总线传输给PC机进行数据处理并显示结果。测试系统总体框图如下图1所示。
2 硬件电路设计
电路参数测试系统的硬件部分采用模块化的设计思想,分为3大核心模块,既方便了系统的研究进程,也有利于后期电路板的调试和检测。正弦信号发生器模块为系统提供激励信号和相位基准信号,前端测量电路模块用来获取参数元件的矢量电压,相敏检波器模块则对测得的矢量电压进行实部和虚部的分离。
2.1 正弦信号发生器模块
系统的前端测量电路需要一路正弦激励信号作为信号源作用于电路,从而得到被测参数元件两端的矢量电压。而且相敏检波器在对该矢量电压进行实部和虚部的分离时,需要二路严格保持正交的相位基准信号且激励信号源频率和相位基准信号的频率必须严格同步。根据以上要求,如果采用传统硬件实现,则电路结构复杂、调试困难、难以保证信号的同步性和正交性。因此本设计采用直接数字频率合成技术[6,7]设计正弦信号发生器,产生的激励信号源和基准信号源频率相同,同时两路基准信号相位相差90°,保证了正交性。
DDS是一种全数字化的频率合成技术,由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成,具有高频率分辨率,频率转换时间快,相位变化连续,相对带宽较宽,可产生宽带正交信号,频率稳定度高,相位噪声低,便于集成等特点。一个正弦波,虽然它的幅度不是线性的,但是它的相位却是线性增加的,DDS正是利用了这一特点来产生正弦信号。它的核心是相位累加器,可对频率控制字的二进制码进行累加运算,是典型的反馈电路。相位累加器在系统时钟的作用下通过反馈电路不断对频率控制数据进行线性相位累加,其值与相位控制字经加法器相加后作为正弦ROM查询表的地址。寻址的步长为频率控制字的长度,对应正弦ROM查询表的相位增量,改变步长即可改变输出信号的频率。正弦查询表实际上是一个波形存储器,根据DDS的频率控制字的位数N,把360°平均分成了2N次等份,每一等份对应正弦查询表的一个地址。查询表把输入的每个地址相位信息映射成相应相位的幅度值,从而得到代表幅度的二进制数字信号,实现相位到幅度的转换。信号经过D/A变换输出模拟量波形再通过低通滤波器即可得到正弦激励信号[8]。图2是正弦信号发生器模块的框图。
本模块采用FPGA来实现,使用Altera公司的DE2开发板。要得到2路相位相差90°的正弦基准信号,只需要使用DSP Builder设计好信号模型并通过SignalComplier功能生成VHDL[9]代码,在Quartus Ⅱ软件中进行编程,锁定器件引脚、编译与下载即可。
2.2 前端测量电路模块
前端测量电路主要是实现Z-V的变换,将被测阻抗转换为矢量电压,再送入相敏检波电路分离得到矢量电压的实部和虚部。
阻抗—电压变换电路原理图如图3所示。图中,Zx是被测阻抗,RN为标准电阻,运算放大器A1的放大倍数相当大,输入阻抗也相当高,A2为倒相器,则有
令
由式(3)可知,输出电压
由上述分析可知,电压
2.3 相敏检波器模块
相敏检波器模块包括乘法器和低通滤波器,可实现相敏检波器全波数字鉴相,完成对被测矢量电压的实部电压和虚部电压的分离,实现参数的数字化测量。
2.3.1 乘法器
本模块的核心器件是D/A转换芯片(采用AD7520),该芯片不仅可以完成D/A转换功能,还可以实现乘法器功能,用于实现数字鉴相。只要将FPGA产生的相位基准信号接入AD7520芯片的10 bit数字信号输入端,将被测矢量电压接入AD7520芯片的基准电压Vref输入端,就可以完成同步参考信号、同步正交信号分别与被测矢量电压的相乘,实现了相敏检波的功能。
假设被测矢量电压信号为x(t)=Vscos(ω0t+θ),1路相位基准信号为r(t)=Vrcos(ω0t),将此2路信号送入D/A转换器(AD7520),则D/A转换器(AD7520)的输出为
up(t)=x(t)·r(t)=Vscos(ω0t+θ)·Vrcos(ω0t)=
0.5VsVrcosθ+0.5VsVrcos(2ω0t+θ) (4)
式(4)中,第1项乘积为常数,为矢量电压的直流分量。第2项乘积不为常数,是矢量电压的交流分量。上述结果表明,经过D/A转换器(AD7520)后,输出的直流分量与前端测量电路输出的矢量电压的实部成正比,只要将D/A转换器(AD7520)的输出再通过低通滤波器即可消除交流分量,只留下直流分量ux=0.5VsVrcosθ,即得到被测矢量电压的实部。
同理,当将被测矢量电压信号x(t)=Vscos(ω0t+θ)和另一路相位基准信号r(t)=Vrcos(ω0t+π/2)送入相敏检波器时,低通滤波器输出为uy=0.5VsVrsinθ,输出的直流分量与前端测量电路输出的矢量电压的虚部成正比。
因为测试过程中参考信号的幅度Vr是固定不变的,则可以得出结论:当参考信号相位为0°,即同步参考信号时,乘法器输出的结果正比于被测矢量电压在x轴的实部分量投影;当参考信号相位为90°,即同步正交信号时,乘法器输出的结果正比于被测矢量电压在y轴的虚部分量投影。这样,通过LPF滤波后,得到了被测矢量电压的实部和虚部电压,进而通过计算得出被测阻抗的电阻值和电抗值,测得被测阻抗的参数大小,电抗项的极性可以判断被测元件是容性的还是感性的。
2.3.2 低通滤波器
低通滤波器采用技术成熟的巴特沃斯低通滤波器,巴特沃斯滤波器的特点是通频带没有起伏,非常平坦,而在阻频带则缓慢下降为零。巴特沃斯滤波器的衰减速度比切比雪夫滤波器,贝塞尔滤波器等其他类型滤波器慢,但通频带没有幅度变化,选频特性好,结构简单。为了数据的精确度与系统的稳定性,采用此低通滤波器。巴特沃思滤波器原理是将一组规定的设计要求转化为相应的模拟系统函数来逼近理想滤波器,其逼近程度与其阶数N有关,N越高则逼近程度越高,在阻频带衰减速度越快,效果越好,但是当阶次越高其结构就越复杂,成本也越高。在逼近程度和复杂程度及成本的综合考虑后,采用10 Hz4阶巴特沃斯滤波器,利用OPA2111双运放的高阻抗、低偏置电流的特点组成4阶有源滤波器,有效地滤除了信号中的高频分量,得到有用的直流信号。按图4所示元件参数,低通滤波器电路的截止频率为10 Hz,增益为2.6,斜率为-24 dB倍频程。
3 软件设计
LabVIEW[10]是一种基于图形化编程语言G的软件平台,使用图形化的符号来创建程序。它提供了一个非常丰富的控件函数库,具有十分强大的功能,如数据采集、串口控制、数值分析、GPIB、信号处理、输入/输出控制等等。用户利用这些函数控件可以很方便地设计出灵活,友好的应用程序界面。本设计利用LabVIEW开发了测试系统的软件部分,包括数据采集、波形显示、数据分析和数据处理以及测试结果显示等功能。系统测试流程如图5所示。
3.1 前面板设计
LabVIEW的前面板是用户与计算机交互的平台,相当于标准仪器的面板。根据系统需要,本设计界面上有输入控件和输出控件。输入控件包括数值输入、开关、按钮等。输出显示控件包括波形图、数值显示。前面板如图6所示。
3.2 框图设计
框图是程序的图形化源代码,相当于标准仪器内的功能部件。在框图中对软件编程的工作就是从前面板上的输入控件获得用户输入信息并传递给CPU进行运算和处理,然后反馈给输出控件进行显示。整个软件框图包括控件、函数、子VI、常量、结构以及连线,系统具体程序框图如图7所示。
4 结束语
提出了一种基于LabVIEW的电路参数测试系统方案,并搭建了实际硬件系统,实现了电路参数测试的功能。经实验测试,元件类型判断准确,测量误差范围-0.5%～+0.5%,且满足实时处理和分析电路参数的要求。系统操作简单,稳定性好,采用FPGA和虚拟仪器技术使系统具有功能可扩展性,可以重复利用硬件电路,节约了成本。高精度、低成本的特点将使本系统在实验教学和个人应用等方面得到广泛使用。
摘要：采用DDS数字合成技术,由FPGA产生测试系统的信号源,通过阻抗的数字化测量方法,设计一个基于虚拟仪器技术的参数测试系统,实现对电路参数的自动测量。该系统采用上层软件和下层硬件分级工作的总体设计方案,以当今测控领域最流行的虚拟仪器开发工具LabVIEW为软件平台,以NI ELVIS虚拟仪器套件,ALTERA公司的DE2开发板和PC机为硬件平台。系统成本较低,具有友好、灵活的人机界面,精度较高,使用方便。
关键词：LabVIEW,数字化测量方法,DDS,FPGA
参考文献
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