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南京理工大学硕士学位论文 电力系统远动通讯规约辅助分析 摘要 目前在电力系统远动通讯领域，通讯规约的调整和修改是十分重要的一环，然而 调试工作繁琐，调试不当还会出现严重的错误；同时纷繁复杂的通讯规约使得使用者 难以对整个电力远动通讯系统实时、正确地加以监测控制，更阻碍了电力系统远动通 讯领域的初学者对远动规约行业标准的学习。 本文基于电力系统o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统中远动通讯系统部分，对其用到的 典型电力通讯规约做出分析与解释，并按照软件工程步骤，运用面向对象的软件设计 方法，完成了数据采集与处理中远动规约模拟仿真软件的设计与开发。 本文所作的规约分析解释有助于初学者较快地涉入到电力通讯规约领域，规约模 拟软件的设计与进一步完善将成为舰约研发的有力工具。 关键词：电力系统，远动，通讯规约，面向对象设计 硕士论文 n o w a d a y s ，t h ea d j u s t m e n ta n dr e c t i f i c a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sp l a ya l l i m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m st e l e c o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , t h e t a s ko fd e b u g g i n gi ss of u s s ya n ds o n l em i s t a k e sw i l lb em a d e w h e n d e b u g g i n gi si m p r o p e r a tt h es a m et i m e ，i ti sd i f f i c u l tf o ru s e r st os u p e r v i s ea n dc o n t r o lt h et e l e c o m m u n i c a t i o n s o ft h ew h o l ee l e c t r i cp o w e rs y s t e ma c c u r a t e l ya n di nt i m eb e c a u s eo ft h en u m e r o u sa n d c o m p l i c a t e dt e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s m o r e o v e r , t h es t u d e n t si nt h ef i e l do fe l e c t r i c p o w e rs y s t e mw i l lb eh i n d e r e dt ol e a r nt h et e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sf a t h e r l y t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e du p o nt h ep mo ft e l e c o m m u n i c a t i o ni no p e n 2 0 0 0 ew h i c hi s a1 ( i n do fe l e c t r i cp o w e re n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n at y p i c a l t e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i l lb ea n a l y z e da n de x p l a i n e d a c c o r d i n gt ot h es t e p so f s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d sa r e 印p n e di nt h ew h o l ed i s s e r t a t i o nt o d e s i g nt h es o f t w a r ea n df i n i s ht h et a s ko fd e s i g n i n ga n de x p l o i t i n gt h es o f t w a r ec o n c e r n i n g t e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s e x p l a n a t i o na n ds i m u l a t i o n 1 1 l ea n a l y s i sa n de x p l a n a t i o no ft e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt h ed i s s e r t a t i o na r e h e l p f u lf o rt h es t u d e n t st ol e a r nt h ek n o w l e d g eo fp o w e rc o m m u n i c a t i o nm o r eq u i c k l y , a n d t h es o f t w a r eo ft h ep r o t o c o ls i m u l a t i o ni sa l s oap o w e r f u lt o o lo ft e l e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li n v e s t i g a t i o n k e y w o r d s ：e l e c 仃i cp o w e rs y s t e m , r e m o t es u p e r v i s e - a n dc o n t r o l ，t e l e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下：取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： ；稚量 知睥z 月i ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： i ! 坚!r 年。月- 日 南京理工大学硕士学位论文电力系统远动通讯规约辅助分折 1 绪论 1 。1 课题背景与研究内容 本课题是为南京理工大学与国电南瑞科技股份有限公司合作培养硕士研究生而 设定的研究课题，属电力系统远动通讯研究领域，课题源于国电南瑞科技股份有限公 司的o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，即e m s ) 中的前置机系统 ( 远动通讯系统) 。o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统是一个大型开放的分布式能量管理系统， 它是在总结国内外同类产品成功经验的基础上，采用新思想、新技术和新标准，与各 级各类调度特别是网调、省调及地调度密切配合开发研制的新一代e m s 系统，前置机 系统作为整个0 p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统中对内对外的实时数据接口中心，由接口转换 模块、规约转换模块、数据采集与处理模块、通道值班权的分配模块、冗余设备的切 换模块、通道质量的评估模块及异常报警模块等重要模块组成【z l 。 基于这一工程背景，本课题的主要任务是对o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统中远动通讯 部分的数据传输过程进行建模并加以简单仿真实现。具体来说，就是按照软件工程步 骤，运用面向对象的软件设计方法，对系统网络中任意两个厂站间按典型电力系统远 动通讯规约( 如i e c8 7 0 - 5 - 1 0 1 规约，部颁c d r r 规约) 标准执行的数据采集与处理过 程进行建模和仿真，同时对通信过程中传输的通讯报文给出解释分析。在此过程中， 用到了不同类型规约的c r c 校验方法和利用w i n d o w sa p i 串口通信技术进行数据传 输。此外，在规约转换方面，本课题还研究了基于c o m 技术的规约转换组件的设计方 法。 1 2 理论意义及应用价值 目前在电力系统远动通讯领域，有时要根据实际需要对既定的通讯规约进行调整 和修改，调试工程师会觉得这项工作很繁琐，调试不易，如不仔细，还会出现严重的 错误；远动系统的使用者也会因为不能对纷繁复杂的通讯规约都熟悉掌握，而难以对 整个电力远动系统适时、正确地加以监测控制；此外，对于电力系统远动通 人员而言，严谨、晦涩的规约行业标准并不是很好的入门材料，甚至可能阻 进的脚步在这种情况下，本课题研究的内容应运而生。 在本课题中，作者对电力系统远动通讯过程中发送和接收的报文进行 释，这尤其对学习人员甚有帮助。本课题中的规约分析解释部分，针对实际 文逐条逐点分析，对现实中使用的规约有感性认识，知道主、子站该在何时 硕士论文 当的报文这样将原本复杂烦琐的规约标准与实际使用相结合，易于学习人员尽快掌 握。 7 然而，仅仅对规约分析解释还是不够的，更能对学习人员和规约开发者有帮助的 就是规约仿真规约仿真就是在简洁的画面上以简单操作模拟现实规约的使用过程。 它可以根据学习者或规约开发者的意愿。模拟主、子厂站发收报文这简单的仿真过 程可以将被动地分析报文过程转化为主动地书写过程，使得学习人员更加清楚通讯规 约中每个关键字，符号位的意义这种形象的展示过程不仅大大简化了学习和开发规 约的难度，更提高了处理通讯故障的效率和工作人员的水平。 在数据存储和数据通讯领域，为了保证数据的正确，就不得不采用检错的手段。 c r c 就是其中一种著名的检错手段，在数据存储和数据通讯领域，c r c 无处不在： 著名的通讯协议x 2 5 的f c s ( 帧检错序列) 采用的是c r c c c i t r ，a p d 、l h a 等压 缩工具软件采用的是c r c 3 2 ，磁盘驱动器的读写采用了c r c l 6 ，通用的图像存储格 式g i f 、t i f f 等也都用c r c 作为检错手段。在本课题中对i e c8 7 0 5 - 1 0 1 和部颁c d t 两种不同类型规约的c r c 校验作了详细介绍说明，并在不断寻找改进的实现方法， 以求更为简单准确地进行数据传输检错口n 。 在实际工作环境中，进行数据传输的各个厂站的传输终端来自于不同的厂家，遵 循不同的通讯规约，造成同一系统内通讯规约的不统一所以在传输命令( 数据) 时 需要进行准确的规约转换。目前一般的处理方法是，把系统支持的各种通信规约全部 封装在通信处理程序的内部，由用户通过配置程序选择适用的规约。然而大量程序冗 余，调试困难，系统动态性差等等缺陷却始终困扰着电力系统通讯领域的工作者们。 在本课题中，对i e c8 7 0 - 5 1 0 1 和部颁c d t 两种不同规约间转换作出了分析，然后对 基于c o m 插件的规约转换技术稍作研究，主要是对其进行了功能性设计、建模和初 步实现等。 经过作者一段时间的研究和调查，发现在国内外也已经研制出多种相关的通讯规 约仿真软件，它们已能将电力通讯过程模拟仿真得比较成功，然而一旦将其具体用于 国电南瑞的o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统，由于这些成熟的仿真软件过于复杂，针对性 不强，增加了学习人员对电力系统远动通讯规约的学习、熟悉的难度，延长了操作者 熟练掌握仿真软件的时间。本课题设计的这个软件能较好得解决这个问题，真真正正 能为软件使用者对o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统电力通讯方面的学习和技术改进提供一 些助益。在将来的一段时间内本课题所做的软件还将随着用户和软件使用者对系统要 求的变化而被不断改进，以期能最大限度地满足用户的要求，为公司获得更大的利润。 2 南京理工大学硕士学位论文电力系统远动通讯规约辅助分析 1 3 课题相关的国内外发展现状 目前，国内许多电网公司从国外引进了调度自动化系统，如e i i s ( 能量管理系统) 。 一直以来，无论是国家电力机构，还是国内电力厂家，在通信规约( 通信协议) 的开 发和制定工作上所花的入力和物力都是十分巨大的。在全球经济一体化的过程中，特 别是通信技术的飞速发展、计算机技术的日新月异的前提下，以欧洲大的电力巨头公 司( a b b ，s i e m e n s ，a l s t o m ) 为首的i e c 国际电工委员会感到以前各个厂家自己所制 定的通信协议已经不能完全满足当前电力通信的发展了。而各大厂家在互连时所花费 的人力和物力，也变得越来越大。为了将当前无序的通信协议( 比如：l o n ，c a n ， p r o f i b u s ，i e c 6 0 8 7 0 - 5 ) 等规范化，三大巨头提出了“o n ew o r l d ，o n et e c h n o l o g y ， o n es t a n d a r d ”的i e c 6 1 8 5 0 通信协议。1 9 9 5 年i e c 5 7 技术委员会0 3 工作组制定了 “基本远动任务配套标准”即1 e c8 7 0 - 5 - 1 0 1 ，该标准被称为远动通信规约的官方国 际标准。我国自1 9 9 8 年将此标准定为电力系统远动规约标准，和国际标准接轨i l o 】。 早在6 0 年代，我国就开始了离线潮流和经济调度程序的研制。1 9 8 5 年，科研部 门和高等院校为我国电网开发的负荷预计、交换计划、火电分配及水火电分配、状态 估计、调度员潮流、安全分析、故障分析等一系列e m s 软件包已在少数网、省调系统 投入应用。但由于受支撑软件的制约，构成系统时显示出其固有缺陷，应用效果不理一 想。不能达到实用水平。“八五”期间，部分电网与科研部门或高等院校合作开发了 调度员培训系统s ) 、状态估计、最优潮流等应用软件。由于d t s 未与实时系统实 现理想的结合，存在维护工作量过大的弊病；最优潮流由于入口数据不准确、网络基。4 础参数不准确、计算结果可信度差，即使算出了最佳策略也不敢就此在电网中实施， 使用效果不够理想。而后续开发的静态安全分析软件在技术上可直接采用s c a d a 实时 数据库断面，实用效果就理想得多。 从“四大网”( 华中、华北、华东、东北) 引进工程开始，我国科研和生产单位 才真正较为系统和全面地掌握了e m s 网络分析功能应用技术，采用系统设计思想，“自 上而下”地设计了各个软件模块并投入应用。 由于计算机技术( 包括硬、软件) 和计算方法的进步，电力系统动态安全分析的 在线应用已经开始。随着其进一步完善化和推广，必将对电力系统的安全运行发挥愈 来愈大的作用。中国东北电网采用了e e a c 法；美国n o r t h e r n s t a t e s 电网采用了b c u 与时域仿真相结合的方法；中国华中电网采用了p e b s 法与时域仿真相结合的方法； 第4 个即将实现动态安全分析在线运行的电网是加拿大b c h y d r o 电网，采用e e a c 法与时域仿真相结合的方法；美国c e g e l e ce s c a 公司提出的“混合法”在“二次反 冲。( s e c o n dk i c k ) 法的基础上做了改进。各种直接法理论的互相渗透和互相结合的 新的“混合法。的出现是当前动态安全分析研究的发展趋势。 3 绪论 硕士论文 总之，电网调度自动化从发展过程看，除了各功能的算法和软件的开发及完善外， 总体趋势是不断地综合，而有机综合的结果带来的是质的飞跃，这是更好地保证大电 网安全经济运行的需要，丽不是单纯地为共享资源其中，最主要的是三化：主站功 能一体化、由局部的自动化到全网的自动化互联网络化、支撑平台及体系结构开 放化和标准化 ( 1 ) 主站功能一体化 9 0 年代调度自动化的方向之一将是各级主站以翻s d 崛为基础的全局自动化， 以保证电网的安全经济运行，提高整体工作效率 ( 2 ) 由局部的自动化到全网的自动化互联网络化 上述的主站功能一体化是通过主站局域网( l a n ) 进行的综合，而电网各层之间 的信息交换则通过广域网( w a n ) 进行，这将是9 0 年代电网自动化发展的第2 个特征 互联网络化。 ( 3 ) 支撑平台及体系结构开放化和标准化 9 0 年代e 淞领域的热门话题是开放化。虽然现在国外备大系统工程公司所谓完 全开放式e m s 实际还是商业宣传，但开放式e m s 终究是9 0 年代e m s 构成的发展方向。 开放化主要是软件的开放化，不同厂商的系统要做到开放必须在软件上遵循下列标 准：操作系统接口标准； 图形界面标准；数据库访问标准；网络通信标准： 语言标准；文件标准。一个i b i s 符合这些标准，则在系统中任一部件或子系统更 换时，就不致引起整个系统的变动，而整个系统更换时，应用软件也不受影响【1 7 1 电力系统于1 9 9 8 年开始推行新的电力系统远动规约标准i e c8 7 0 5 - 1 0 1 。新规 约的推行还有一个适应过程，为了加速i e c8 7 0 5 - 1 0 1 标准的尽快推广执行。有必 要建立起该标准的模型。帮助软件专业人员在短时间内掌握规约的基本情况和关键 问题，开发出高效可靠的软件实现规约。为了便于该规约的推广应用，编写较好的应 用软件，本课题利用面向对象分析方法，给出了i e c8 7 0 - 5 - 1 0 1 的面向对象的模型。 包括：需求模型，分析模型，设计模型和编码实现。这些模型简单、易懂，易于实现。 计算机技术在电力系统中得到了越来越广泛的应用。应用先进的计算机控制技术 和可靠的通信技术，实现电力系统调度自动化，对保证电力系统安全、稳定和经济运 行具有十分重要的意义。8 0 年代初以来，面向对象( o b j e c t - o r i e n 缸x i ) 技术在计算机 开发技术研究和应用领域十分活跃，这种技术将从认识论、方法( 建模) 论、系统分 析与设计、测试方法与策略等领域强烈地影响和推动一系列计算机高技术的发展，并 将有力地促进多学科的综合应用。o o ( o b j e c t - o r i e n t e d ) 技术不仅已经在计算机学科 的传统领域，如程序设计语言、数据库、程序设计方法等方面取得成功，而且在 c a s e ( 计算机辅助软件工程) 、c a d ( 计算机辅助设计) 、c a i ( 计算机辅助教育) 、多 媒体、超文本、超媒体等新领域中得到广泛应用。o o 技术的成功应用已经走到了基 4 南京理工大学硕士学位论文 电力系统远动通讯规约辅助分折 本理论、基本方法和技术研究的前面，这将加速0 0 技术基础研究的发展”3 1 当今，0 0 技术研究的主要领域有四个方面： 1 新一代操作系统的研究 采用0 0 技术描述操作系统所管理的各类资源，如文件( 字符文件、图形图像 文件、声频、视频文件) 、打印机、处理机、各类外设( 磁盘、磁带、光盘) 等更为 自然； 引入0 0 技术来处理操作系统的诸多事务，如命名、同步、保护、管理等，会 更易于实现与维护； 0 0 技术对于多机、并发控制可提供更自然的支持，并能为网络管理提供更丰 富、更协调的控制。w i n d o w s 操作系统是一个成功尝试的面向对象的操作系统。 2 研究更规范、更完善的面向对象分析、面向对象设计、面向对象编程、面向 对象测试与维护的软件工程技术。 3 学科的综合研究 当前，知识工程、数据库、程序设计语言研究有汇合的趋势。例如，在研究新一 代数据库系统中，能否采用人工智能思想与0 0 技术建立描述功能更强的数据库模 型，能否将数据库语言与其它计算机编程语言融合为一体，以实现多学科的综合。 0 0 技术是一个最有希望的汇聚点。 4 新一代面向对象的硬件系统的研究 要支持采用0 0 技术设计和实现软件系统的运行，必须建立更理想的能支持0 0 技术的硬件环境。目前采用松散耦合结构的多处理机系统更接近于0 0 技术的思想。 另外，最新出现的神经网络计算机的体系结构与0 0 技术的体系结构具有相似之 处，可以设想，将0 0 技术与神经网络研究相结合，必然可以研制出功能更强、更有 效的新一代计算机系统。面向对象的研究遍及计算机硬件的各个领域，在不久的将来， 面向对象方法和编程语言将占据支配地位【l 卸 5 远动通讯规约辅助分析的支捧系统 硕士论文 2 远动通讯规约辅助分析的支撑系统 本课题研究的是电力系统远动通讯规约辅助分析，它来源于南瑞科技股份有限公 司的o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统中的数据通讯部分本章将对本课题所依托的这个复 杂的支撑系统作简单介绍在介绍此系统之前，先对涉及到的部分电力系统远动基本 知识稍作说明。 2 1 本课题涉及专业知识简介 本课题是对国电南瑞科技股份有限公司的o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统中的前置机 系统的数据通讯过程的分析建模和仿真实现。前置机系统是整个0 p e n 2 0 0 0 e 能量管理 系统中对内对外的实时数据接口中心，接口转换、规约转换、数据采集与处理、通道 值班权的分配、冗余设备的切换、通道质量的评估及异常报警等都是它的重要组成部 分。o p e n 2 0 0 0 e 的前置机采用高性能的服务器作为硬件平台，多任务多线程的u n i x 操作系统作为软件环境，可以接入与处理1 - 1 0 2 4 个厂站信息，系统配置灵活，裁剪 方便f 6 l 。其主要特点有： “ l 、采用终端服务器，实现分布式串口接入； 2 、多种通信介质、多种通信规约、多种通信方式互为热备用； 3 、高可靠性设计、按口值班； 4 、配置灵活、扩充方便、适应性强； 5 、统一软件支持平台，人性化界面； 6 、基于“即插即用”构件方式的通信规约库； 7 、远程诊断。 在进入开发工作之前，简单介绍一些电力通讯信息中的测量量和状态量： s c a d a ( s u r v e i l l a n tc o n t r o la n dd a t aa m a s s m e n t ) 指的是电网数据采集和监视控制系 统，r t u ( r e m o t et r a n s m i s s i o nu n i t ) 是电力远动通信的终端，通常是变电厂、发电 站等e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 是能量管理系统，它对电力系统领域里的能 量分配使用情况进行综合控制管理。用远程通信技术传送被测参量的测量值称为远程 测量，简称遥测，简写为y c 对状态量进行远程监视称为远程信号，简称遥信，简 写为y x 。当调度控制中心需要直接控制发电厂、变电所中的某些设备，就回发出相 应的控制命令，这种对具有两个确定状态的运行设备进行操作的远程命令称为远程控 制，简称遥控，简写成y k 。当调度控制中心需要对发电厂、变电所中的某些设备进 行调节，这种对于具有两个以上状态的运行设备发出的远程命令称为远程调节，简称 6 南京理工大学硕士学位论文 电力系统远动通讯规约辅助分析 遥调，简写为y r “。 远动是变电站综合自动化系统的重要组成部分，用于实现调度中心( 如县调自动 化系统) 对远方变电所的四遥( 遥测、遥信、遥控与遥调) 和信息交换，对电网调度自动 化、尤其是配电网自动化的实施具有重要的意义。远动规约是进行远动通讯时。收发 、 双方数据传达的格式。远动系统为调度控制中心提供实时数据，实现对远方运行设备 的监视和控制；远动规约是为了确保数据信息能够有效准确且可靠地在远动通道上传 输而制定的。远动系统把调度控制中心与发电厂、变电所联系了起来。按我国的习惯， 一侧称为调度端，另一侧称为厂站端从监控的角度来看，一侧是监控端，而另一侧 是被监控端。广义而言，对其他站实现远程监控的站称为控制站或主站，而受主站监 控的站称为被控站或分站、子站。在被控站内按规约完成远动数据采集、处理、发送、 接收以及输出执行等功能的设备称为远动终端，也就是r t u 。习惯上还把由被控站 发往控制站的信息，如遥测信息、遥信信息等，称为上行信息，所用的信道称为上行 信道。把控制站发往被控站的信息，如遥控信息、遥调信息等，称为下行信息，所用 的信道称为下行信道。远动系统是由控制站、被控站及信道等组成。， 。从监控的角度，由控制站、被控制站及信道等组成的数字式远动系统，有两个基 本事件：遥测遥信通信和遥控遥调通信。数字式远动系统的基本结构如图2 1 1 和2 1 2 所示： 。 图2 1 i 遥测遥信通信过程 7 远动通讯规约辅助分析的支撑系统硕士论文 图2 1 2 遥控遥调通信过程 在数字式远动系统中，传送的遥测量和遥信量都以数字方式表示图2 1 1 是遥 测遥信部分。有功功率、无功功率、电压，电流等被测量先由电量变送器变换为与之 成正比的直流模拟电量，然后进入远动装置，由遥测编码器将模拟量转换为数字量， 按一定的格式进行编码，为了提高传输的可靠性，由信道编码器为遥测数据添加监督 码元，进行抗干扰编码。数字信号在信道中以串行方式传送，故需经并串变换。为了 使数字信号适合于在信道上传送，经调制器把要传送的数字序列调制成交流电的频率 或相位等。调制后的信号就沿着信道传送到对方 遥信的情况与遥测类似，但遥信传送的是状态星。一位二元制数可表示一个开关 位置状态。一组遥信数据有若干位，可以表示若干个开关位置状态。遥信编码器负责 将状态量采集编码。其余环节则与遥测相同。 在接收端，把收到的已经调制好的信号解调，变换回数字序列，经串并变换成为 并行数据，再由信道译码器译码，按约定的抗干扰规则检验。如未发现差错，就将遥 测遥信数据分别输出给显示器或计算机等。 图2 1 2 是遥控遥调部分。当控制站需要控制时，就发出遥控命令，指定被控对 象的代号及要进行的操作遥控命令由遥控编码器编码后，经过信道编码器编码、并 串变换和调制再送往信道。被控站将收到的信号解调，经串并变换后由信道译码器译 码检验。由于遥控要操作断路器，关系重大，为了保证遥控的高度可靠性，通常都采 用返送校核的两步操作法，即控制站将遥控命令发给被控站，被控站收到此命令经抗 干扰检验无误后并不立即执行，而是将遥控命令暂存，同时将该命令返送该控制站。 经控制站核对与原发送的遥控命令完全一致时再发遥控执行命令。被控站只有在收到 遥控执行命令后，才将原收到的遥控命令付诸执行。 当控制站需要遥调时，就发遥调命令，由遥调编码器编码。遥调通常是给被调节 的对象设置整定值，再由被调节对象的调节器按整定值的要求进行调节。遥调命令中 8 南京理工大学硬士学位论文电力系统远动通讯规约辅助分析 应指定被调节对象的代号以及整定值的数据。在被控站，如整定值需要以模拟量形式 送给调节器，则对收到的数字式整定值进行数模转换。 遥调命令的发送和接收过程与遥控相似，但一般认为遥调对可靠性的要求不如遥 控高。所以，遥调大多不用返送校核，而是一步操作，即被控站收到遥调命令，经检 验无误后立即执行。 2 2 本软件的支撑系统 0 p e n 2 0 0 0 e 系统是功能强大的综合能量管理系统，其选用的高性能工作站可实现 多种功能驻留在一台机器上而不会出现“瓶颈”问题，完全满足“一机多用”的要求， 这就为系统的硬件配置提供了很大的灵活性，用户可根据自己的系统规模和功能要 求，配置自己的系统和所需要的功能，同时o p e n 2 0 0 0 e 系统软件的高度模块化以及基 于c 1 i e n t s e r v e r 模式的程序结构，也为这种灵活配置提供了技术上的保证，并为以 后子系统的功能扩展和系统升级提供良好的支持，主站基本配置如图2 2 1 所示： 岛 ： ， 。一。 图2 2 1o p e n 2 0 0 0 e 系统主站基本配置 上图中，从硬件结构来看，整个系统分布在三个安全区中，分别为安全i 、安全 区i i 、安全区i i i 。主系统包括双冗余局域网子系统、数据采集与通讯子系统、各种 应用服务器与工作站。整个系统是基于多态的思想来设计的。主系统位于安全区i ， 此区处于实时态，即在此区中的数据都要进行实时处理的首先，远端数据信息由路 由器或由电力专线经串行通讯设备送到局域网3 号和4 号网段上，再由有多块网卡的 9 远动通讯规约辅助分折的支撑系统 磺士论文 前置机工作站把数据采集到局域网的l 号和2 号网段上，以供其它的维护工作站如调 度台以及一些服务器进行数据操作。其中数据服务器主要存放一些历史数据， a g c ( a u t o m a t i cg e n e r a t o rc o n t r 0 1 ) 服务器是发动机的自动控制用来根据电网的不同 情况调整发电机的各种参数p a s ( p o w e ra p p l i c a t i o ns y s t e m ) 服务器是一些高级 应用，做一些实时的暂态分析和状态估计。安全区i i 中的是d t s 子系统，它处于确 定态，是对一些历史数据做一定的处理，如进行电网性能评估，未来状态估计等在 安全区i i i 是w e b 子系统，从这里可以通过网络远程得到安全区l 的一些数据，也可 以离线进行一些相应的操作。在安全区i 与安全区i i 使用网络防火墙，但因为安全 区i i i 相对于安全区i i 的安全级别要高，所以安全区i 与安全区i i i 之间设置正向 与反向电力专用隔离装置隔离【2 】。 o p e n 2 0 0 0 e 系统中数据流动的基本流程为： 图2 2 2 远动通讯系统数据流动图 在图2 2 2 中，远程通信终端先将采集来的数据( 遥测量、遥信量等) 通过远动 通信电缆传输到前置机柜，然后前置机柜将数据经过终端服务器转换为网络信号传给 前置机工作站，在工作站中数据将被作些简单处理，将生数据转换后的熟数据传给后 台服务器。 ， 其中，前置机内部较详细的数据流程为： 南京理工大学硬士学位论文 电力系统远动通讯规约辅助分析 ii _ 。斟一圉圉 n = 了 国 数逛一 圊 8 创 f 习 il e 二= j 切换扳 8 n u t l t n l l j 圄一 工作站艉务嚣 图2 。2 。3 系统详细数据流程图 在图2 2 3 中，远程通信终端将要上送的数据通过远动通信电缆进行传输，由前 置机柜后部的端子排负责接收，然后根据信号的不同( 模拟信号或数字信号) 分别进 行处理，如果是数字信号就进行光电隔离，如果是模拟信号就通过调制解调器进行调 制解调，然后将处理过的信号经过切换板送到1 6 口终端服务器，切换板是用来控制 主备机切换的，终端服务器是一种串口转网络的设备，常用的型号有m o 矾c h a s e 等，终端服务器的1 6 个端1 ：3 共用一个口地址，然后再采取口地址+ 端1 ：3 号的方式得 到每个端1 ：3 的地址。随后信号经过网络线送到前置机工作站作迸一步处理，最后把处 理好的熟数据送到后台服务器，写入数据库及根据需要做出相应操作l l 丑 数据采集与传送设备r t u 对电力系统二次模拟数据进行采样，并将它们处理成 为数字数据，通过各种通信渠道，将这种数字数据和各种现场运行信息，按一定的规 1 1 兹? ：! 远动通讯规约辅助分析的支撑系统 硕士论文 约编码送到收端的调度中心在调度中心一端，采用特定的数据接收设备一前置机， 将各通道送来的数据与信息进行处理，并负责将它们按特定的方式传给s c a d a 主 机，s c a d a 主机是整个数据采集与通讯系统中的核心。 前置系统作为s c a d a e m s 系统的基础和桥梁，肩负着与厂站及各分局的数据 通信和规约解释的任务前置机一般为双机配置，一台为主机，一台为备用机。值班 主机担负的任务是：l 、与服务器、s c a d a 工作站通信；2 、与舢通信及规约处理： 3 、控制切换装置的切换动作；4 、设置终端服务器参数。国内外标准和常见的规约在 前置机规约库里都可以找到，且对可能的规约变异，有应对的策略，可以灵活配备， 无需要重新开发。前置机系统中的规约处理解释进程模块将上送的数据处理后，以统 一而合理的格式存放于相应的数据库中，再将需要下行的控制命令组装成各种规约的 格式下发 3 0 1 。 2 3 本章小结 在本章里，首先介绍了电力系统远动通讯的一些专业知识，为下面的深入做个铺 垫，也便于不熟悉该领域者有一个大致的了解。然后，对本课题依托的o p e n 2 0 0 0 e 能量管理系统作了简单介绍，主要说明了该支撑系统的各部分组成，数据传输流向等。 南京理工大学硕士学位论文电力系统远动通讯规约辅助分析 3 远动通讯规约面向对象分析建模与实现 远动通讯规约是远动技术中的重要组成部分，是远动控制领域数据、命令得以正 确传送的依据和保障。在对电力系统远动规约进行分析时，比较了结构化分析方法和 面向对象分析方法。经过研究分析，认为采用面向对象分析方法分析远动规约更为有 利。一方面能够加强对被开发系统及其功能的理解，增进各类人员之间的交流，将软 件专家和问题域的专业人士知识充分结合：另一方面该方法对需求的变化具有较强的 适应性，可提高软件系统的稳定性，可维护性，并支持软件的复用。 本章将介绍i e c 8 7 0 5 一i 0 1 通讯规约和部颁c d t 规约的建模及其实现过程，并着 重对i e c 8 7 0 - 5 - 1 0 1 通讯规约的建模及其实现作详细说明，然后介绍两种不同类型通 讯规约中c r c 校验码的形成方法，最后说明本课题是如何利用w i n d o w sa p i 函数进行 串行通讯的。 3 i 面向对象远动通讯规约分析建模及实现 蔓 3 t 1 1 面向对象的技术 - 过程性语言倾向于采用自项向下的设计过程。首先在最高层次上研究所要解决的 问题，确定程序所要执行的功能。然后不断重复地把这些功能分成越来越小的功能， 直到获得易于管理和编程实现的函数。 面向对象的设计与此不同，它既不是自顶向下，也不是自底向上，解决问题的重 点放到了考虑类和对象上 ( 一) 面向对象方法基本思想介绍 众所周知，采用系统化的开发方法开发软件系统，特别是大规模软件系统，才可 获得好的效果。从使用者观点出发，需要系统具有易学易用、界面友好、当正确使用 时能快速给出正确结果、效率高等优点，还要系统安全可靠等等；从系统开发者和管 理者角度出发，要求系统易于修改和扩充、易于理解、易于测试和重用、易于与其他 系统兼容和管理等等。在众多的软件开发技术中，它们各自有各自的优缺点，都可能 开发出好的系统，问题在于是否真正按某种开发技术认真实施了整个开发过程。 同其他分析方法一样，面向对象分析的目的是为了获得对应用问题的理解。理解 的目的是确定系统的功能、性能要求。面向对象的开发技术可以有效地反映客观世界， 建立相应的概念去直接表现组成问题领域的事物及这些事物间的相互联系，它还建立 一套适应人们一般思维方式的描述模式。面向对象技术实际上是围绕组成问题领域的 1 3 ”* 。话 远动通讯规约面向对象分析建模与实现硕士论文 事物进行软件设计方法，它关心的是对象及其相互间联系。整个软件系统的执行是由 对象组成的，对象通过消息传递互相联系，协同完成某一活动 8 1 面向对象设计方法的基本思想是：对问题域进行自然分割，以更接近人类思维的 方式建立问题域模型，从而使设计出的软件尽可能直接地描述现实世界，构造出模块 化的、可重用的、可维护性好的软件，并能控制软件的复杂性和降低开发维护费用。 面向对象技术引入了对象( o b j e c t ) 来表现事物、用消息( m e s s a g e ) 传递建立事物 问的联系；类( c l a s s ) 和继承( i n h e r i t a n c e ) 性是适应人们一般思维方式的描述模型。从求 解问题的角度看是用对象描述子问题，对象簇( 类) 形成问题空间，对象间的消息传 递表示用户要求，从问题空间到求解空间的映射过程就是软件的开发过程。问题空间 到求解空间的映射应是一种自然的映射，应有直接的对应关系。整个软件系统的执行 是由对象组成的，对象通过消息传递相互联系，协同完成某一活动。类和继承用于描 述对象，建立问题领域的模型和描述软件系统即类是构造软件系统的最小单位，对 象是系统执行的最小单位。 面向对象分析方法与功触数据分析法之间的差别是前期的表达含义不同。功能 数据分析法分开考虑系统的功能要求和数据及其结构，面向对象分析法是将数据和功 能结合在一起作为一个综合对象来考虑。面向对象分析技术可以将系统的行为和信息 间的关系表示为迭代构造特征。按入手的步骤划分，面向对象分析包含以下内容： 寻找对象 组织对象 描述对象间的相互作用 定义对象的操作 定义对象的内部信息 采用面向对象方法进行软件开发主要有4 个阶段：面向对象的分析，面向对象的 设计，面向对象的实现，面向对象的调试。 面向对象设计的必不可少的步骤为： 1 ) 确定类 2 ) 定义属性和操作 3 ) 找出类间的关系 4 ) 把类安排成层次结构 对于一个给定的问题，上述各步骤可以反复应用，直到获得一个满意的方案。实 际上，面向对象的开发过程是由1 个大循环和4 个小循环组成的。大循环即指上述4 个阶段的不断求精，4 个小循环系指分析，设计、实现、调试各个阶段都是由不断往 复地确定对象和类以及确定对象、类之间的关系等步骤组成的1 2 4 1 ( 二) 面向对象建模方法在本课题中的运用 1 4 南京理工大学硕士学位论文电力系统远动通讯规约辅助分析 本课题主要任务是对远程控制系统中电力通讯的数据收发过程进行模拟仿真并 对其中用到的典型通讯规约稍做分析解释。传统方法将功能和数据分开处理，因为这 种功i i 皂，数据结构对修改十分敏感，所以这种方法常常导致维护方面的困难。本课题 若采取传统的软件设计方法，就不能直观形象地将远动通讯系统的数据采集与处理过 程展现出来。而面向对象的方法将功能和数据放在一起，作为一个综合整体来处理。 面向对象分析的基础是软件系统结构，它的一个优点是便于修改，早期阶段的修改容 易提高软件的可靠性。 在本课题所依托的大系统o p e n 2 0 0 0 e 中，着重建立模型，用模块化的思想分析 问题、实现需求。模型化技术用于开发模型，这些模型将有足够的能力构造系统，同 时还应具有易于学习、易于使用等特点。模型化技术的首要作用是帮助处理所建立系 统的复杂性。借助模型化技术的描述方法，也可以生成不同的系统模型。分析模块的 设计和实现是简单明了的，在最终系统中其目的是保存分析模块的逻辑结构。面向对 象分析有助于系统研制过程的理解和系统逻辑模块的构造，每个模块基于问题定义域 找到的自然对象。就所有对象保存的数据和具有的行为而言，可以表示整个系统的行 * 为，因为问题定义域中的对象是稳定的，所以系统的整体结构自然也是十分稳定的。 譬 面向对象开发软件的一个重要特性是可跟踪构造过程。分析期间的对象标识必须在代 码中出现，所以容易修改。 节 4 ： 在对此规约进行分析时，比较了结构化分析方法和面向对象分析方法。经过实验 研究和在其他领域中的印证，认为采用面向对象分析方法分析此规约更为有利。一方 面能够加强对被开发系统及其功能的理解，增进各类人员之间的交流，将软件专家和 问题域的专业人士知识充分结合：另一方面该方法对需求的变化具有较强的适应性， 可提高软件系统的稳定性，可维护性，并支持软件的复用。本文中采用了面向对象方 法，对i e c8 7 0 - 5 - 1 0 1 标准进行了详细的分析，建立起一个简单、易懂和便于实现的 实际应用模型。为规约的应用、实现、测试和维护奠定了良好的基础。 鉴于传统的软件设计方法仍存在一些缺点和不足，考虑到软件工程的发展趋势， 以及系统在实际工作中的确需要面向对象的软件设计方法来建立系统模型，故本课题 采用面向对象方法来设计远动通讯规约辅助分析软件。 3 i 2i e c 8 7 0 - 5 - 1 0 1 规约的系统建模及实现 本课题采用了面向对象方法，对典型远动通讯规约( i e c 8 7 0 - 5 1 0 1 规约和部颁 c i ) t 规约) 进行了分析，建立了简单、易懂和便于实现的实际应用模型由于这两种 规约建立的模型基本上是类似的，下面将以i e c 8 7 0 - 5 1 0 1 远动规约为例，较详细地 介绍该规约建模的过程，并给出其模型的具体实现方法。然后，再从多线程技术的角 远动通讯规约面向对象分析建模与实现硕士论文 度出发，说明部颁c d t 规约的命令处理方法 ( 一) i e c8 7 0 - 5 1 0 1 规约简介 在远动系统中，数据的传送必须按照约定的格式进行，收发双方应对传送速率、 同步方式、数据结构等相互约定，共同遵守这些约定称为通信协议按通讯传输模 式的不同，远动规约分为以下几种： a ) 循环式远动规约( c d t ) 的特点是以r t u 为主动方，循环不断的向调度端 发送遥测、遥信等远动数据 b ) 问答式远动规约中调度端掌握通信的主动权，r t u 按照调度端的要求进行 发送，调度端可以按需要指定r t u 发送某一个或某种类型的远动数据。 c ) m o d b u s 通讯协议：应用于电子控制器上的通用语言。具有网络通讯协议的 格式，正在成为通用的工业标准。 下面以问答式( p o l l i n g ) 远动规约中最典型的i e c8 7 0 - 5 1 0 1 规约为例进行介绍。 1 ) i e c8 7 0 - 5 - 1 0 1 规约传输规则