（通信与信息系统专业论文）scada系统与图像监控系统互联的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 为了提高电力系统的自动化水平，本论文设计并实现了s c a d a 系统与图像监控 系统互联的技术方案。在分析几种系统互联方法的基础之上，对系统之间信息接口 的确定和远动数据的协议解析等关键性技术问题进行了深入的研究，得出了实现系 统互联的最优方案。结合工程实际，论文对模拟屏通信规约的远动数据进行了协议 解析，最后基于r s 一2 3 2 串行接口实现了s c a d a 系统和图像监控系统的互联。该系 统互联软件对两个子系统的依附性弱，具有较强的独立性。现场测试表明，系统能 够对s c a d a 系统的遥信变位信息实现图像联动功能。课题在理论研究的基础之上， 实现了图像监控系统的遥信联动功能，将s c a d a 系统和图像监控系统有机地融合在 一起。本系统对s c a d a 系统的遥信信息提供了视频验证。 关键字：互联，无人值班变电站，图像监控，联动， s c a d a a b s t r a c t i n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i c a ls c h e m eo fs c a d a s y s t e ma n d v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i sd e s i g n e da n dr e a l i z e df o ri m p r o v i n gt h ea u t o m a t i o nl e v e lo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m s b a s e do n a n a l y z i n g s o m ek i n d so fm e t h o d sa b o u t s y s t e mi n t e r e o n n e e t i o n ，s t u d y e s t a b l i s h i n gi n t e r f a c eo f t h et w os y s t e m s ，p a r s i n gp r o t o c o lo ft e l e c o n t r o ld a t aa n do t h e r k e yt e c h n o l o g i e st h o r o u g h l y , a n dg e tt h e f i r s t r a n ks c h e m eo fi n t e r c o n n e c t i o n c o n n e c t e d w i t ha na c t u a le n g i n e e r i n g ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fs i m u l a t i v es c r e e ni s a n a l y s e d ， a n df i n a l l yt h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma n ds c a d a s y s t e m i sa c h i e v e db a s e do nr s - 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e s o f t w a r eo fi n t e r c o n n e c t i o ns y s t e ma d h e r e w e a k l yt o t h et w os u b s y s t e m s ，a n di ti s q u i t ei n d e p e n d e n t i tm a k e sc l e a rt h a tt h i s s y s t e mi m p l e m e n t sf u n c t i o no fi m a g ea c t i o nt ot e l e s i g n a l l i n gd a t ao fs c a d as y s t e m t h r o u g hs p o tt e s t b a s e do nt h e o r yr e s e a r c h ，t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mp r o v i d e st h e f u n c t i o no f i m a g ea c t i o nt ot e l e s i g n a l l i n gd a t a ，w h i c hm a k e ss c a d as y s t e ma n dv i d e o s u r v e i l l a n c e s y s t e ms y n c r e t i z eo r g a n i c a l l y w h a t i s m o r e ，t h i ss y s t e mo f f e r s v i d e o v a l i d a t i o nf o rt e l e s i g n a l l i n gd a t ao fs c a d a s y s t e m k e yw o r d s ：i n t e r c o n n e c t i o n ，n o n a t t e n d e ds u b s t a t i o n ，v i d e os u r v e i l l a n c e ，l i n k a g e s c a d a l ir a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f g a oh u i s h e n g 1 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文g s c a d a 系统与图像监控系统互联的研 究与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 缘丝 日 期：迦坐! 型日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日 期：型生! 兰：强 日期 1 节1 1 q 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 在变电站实施无人化管理的过程中，各级电网调度中心都配景了不同档次的 s c a d a 系统，实现了不同程度的“四遥( 遥测、遥信、遥控、遥调) ”功能。s c a d a 系统是电力系统调度自动化的基础，可为调度控制中心采集实时数据，实现对远方 设备的监测和控制【l 。】。然而s c a d a 系统只能获取远方电气数据，并不能反映变电 站运行的其它情况，例如：火情、盗况、丌关刀闸的变位情况，甚至r t u 遥控操作 时执行机构位置是否改变等。因此需要在传统“四遥”功能基础之上，增加第五遥 一一遥视功能，该项功能由远程图像监控系统完成。s c a d a 系统上报的数据是一个 抽象的概念不能直观地反映现场设备的运行状态，远程图像监控系统可以弥补这 项不足。“遥视”功能在电力系统中的实现，提高了实行无人值班或无人值守的变 电站安全水平川j 。 近年来多媒体技术和数字通信技术的高速发展为图像远程传输的实现创造了 必要的技术基础【5 1 ，同时在电力系统中实现“遥视”功能也成为现实。远程图像监 控作为一种新型的信息交流手段。不仅能使上级调度或监控中心的运行人员直接 “巡视”变电站的各种设备和各个角落，监视并记录变电站的安全以及设备的运行 情况，检测电力设备的发热程度，及时发现、处理事故，提高电力系统自动化的安 全性和可靠性，并提供事后分析事故的有关图像资料；还可以使主管领导加强安全 生产监督和管理，及时了解现场实况，实施更加科学的生产调度和决策，大大提高 了电网的调度管理水平，更高效地处理电力系统的突发事件，因此越来越多的供电 公司把图像监控系统作为自动化变电站管理的新手段。 然而，目前供电公司普遍采用s c a d a 系统和图像监控系统独立运行的工作方 式，这种运行方式不能满足电力系统调度自动化水平不断提高的需要。通过山西临 汾供电分公司远程图像监控系统的设计实践，提出了s c a d a 系统和图像监控系统 互联的构想。两套系统通过互联有机地结合在一起，图像监控系统可以利用s c a d a 系统提供的数据实现联动，s c a d a 系统的抽象数据信息也可以通过图像监控系统 直观地反映出来。本课题将针对电力行业的特点提供可行的系统互联解决方案。 1 2 多媒体s c a d a 系统发展概述 随着信息技术的发展，多媒体技术逐步应用于电力系统中。将应用一种或多种 多媒体技术的自动化系统称为变电站多媒体自动化系统6 1 ，现在多媒体技术在国内 电力系统中尚未大面积推广应用。语音、视频等多媒体技术在电力系统中的综合应 华北电力人学硕士学位论文 用，可以在变电站原有“四遥”功能的基础之上增加遥视等功能，从技术上为变电 站实现无人值班，直至无人值守创造条件。多媒体技术的不断发展及其在电力系统 中大范围的推广，逐步形成了变电站远程图像监控系统。 目前，图像监控系统在电力系统中采用独立运行方式。但是图像监控系统必须 与e m s 建立密切联系，图像监控系统融入e m s 而发展成为多媒体s c a d a 系统将是自 动化技术发展的方向1 6 1 o 多媒体s c a d a 系统是一个新的研究课题，课题开展的时间 还比较短。但是通过多方学者几年的研究和实践，这项课题取得了一定的成果。下 面简单介绍两项关于多媒体s c a d a 系统的代表性研究成果。 m s c a d a 系统 清华大学电机系网络规划组于1 9 9 7 年开始m s c a d a 系统的研究。m s c a d a 系统首 次将先进的多媒体技术和通信技术引入到传统的s c a d a 系统中，使视频监控、安全 防卫和设各噪声诊断等新技术与传统s c a d a 系统有机地融合在一起，实现真正意义 上的多媒体s c a d a 系统。m s c a d a 系统是由一个主站和多个子站( m n r t u ，多媒体网 络远动终端) 经高速数据通信网络构成的分布式系统。 m s c a d a 系统涉及到多媒体主站和多媒体r t u ( m n r t u ) 的设计和构造。多媒体 主站是多媒体s c a d a 系统在主站侧配置的软、硬件系统，其主要功能是：接收各子 站发送的传统r t u 信息和多媒体信息，并对子站进行控制。m n r t u 是多媒体s c a d a 系统在变电站侧配置的软、硬件系统，其主要功能是：负责本她传统r t u 信息和多 媒体信息的采集，经通信网将必要的信息发送到主站，并接受主站的控制。 目前系统已经在山西晋城开闭所投入使用，系统由m n r t u 将实时采集到的图像、 声音及电气数据经由光纤网络传送到主站。 m s c a d a 系统实现了图像信息和远动信息的综合采集和传输，但是图像信息和远 动信息交互方面的内容没有涉及。 遥视与e m s 的协同式系统 由于现阶段采用的遥视与e m s 作为两个分离系统运行方式存在诸多缺陷，华中 科技大学电力工程系提出遥视与e m s 协同工作的构想。 遥视与e m s 属于协同度很高的系统，遥视与e m s 协同作用可以更好地保证变电 站安全运行，并且扩展了e m s 的技术手段和功能范围。基于广义黑板模型建立的遥 视与e m s 的协同式系统将遥视与e m s 作为多个主体的联合，这些主体共享广义黑板 上的遥视与e m s 信息，并根据这些信息求解自己关心的问题。各个主体在监控机制 的协调下被激活，产生相应的动作，并将结果送回广义黑板。系统需要建立两块独 立的黑板，一块供遥视系统使用，另一块供e m s 系统使用，两块黑板之间的联系是 遥视系统与e m s 的接口。 遥视与e m s 的协同式系统使两套系统在黑板上实现信息交互，两套系统都可以 利用对方的信息扩充完成任务的范围。这种协同式系统中实现了遥视与e m s 系统之 2 华北电力大学硕士学位论文 间的信息交互，与m s c a d a 系统相比两套系统更好地融合在一起，把多媒体s c a d a 系统的融合意义又提高了一个层次。 1 3 图像监控系统与s c a d a 系统的现状和不足 1 3 1 电力系统中两套系统的运行现状 s c a d a 系统是完成对广阔地区内的生产过程进行数据采集、监视和控制的系统， 实现对系统的安全监控1 7 】。它是完成信息收集、处理和控制功能的自动化系统，它 通过人机联系子系统的屏幕显示( c r t ) 和调度模拟屏对电网运行进行在线的安全 监视，并有越限告警、记录、打印制表、事故追忆、本系统的自检、远动通道状态 的检测等功能，对电网中重要开关进行遥控，对有载调压变压器分接头、调相机、 静电电容器等无功功率补偿设备进行自动调节或投切，实现电压监控。依靠s c a d a 系统，调度员可以掌握系统当前的运行工况，实现遥控操作，完成记录、统计、制 表等调度同常工作。 图像监控系统是作为s c a d a 系统的辅助功能而提出并作为一套独立系统应用到 电力系统中的，主要目的是保证“无人值班”变电站的安全运行【8 】。通过国内外学 者多年的研究和实践，图像监控系统已经形成了点对点、基于t c p i p 网络通信、 基于w e b 等多种典型结构【6 ，9 1 ，并逐渐从遥视信息中挖掘出许多有用的信息【1 0 m 】。 运行表明，图像监控系统的功能已经实用化，并达到了远方巡视的预想目的。图像 监控系统已成为保证电力系统安全运行的重要手段之一。 目前，在电力系统中s c a d a 系统和图像监控系统作为两套独立的系统运行，各 自完成其功能，两套系统之间不相互联系，没有数据的交互。 1 3 2 目前存在的不足 在s c a d a 系统对“无人值班”变电站进行遥控操作、巡视、事故处理时，图像 监控系统已经起到了不可替代的作用。同时也逐步显露出电力系统中普遍采用的两 套系统独立运行的缺吲”】： 1 ，遥控操作在s c a d a 系统中执行时必须同时在图像监控系统中切换遥视 图像，增加了运行操作的复杂性； 2 ，s c a d a 系统在事故处理过程中很可能没有时间查看遥视图像，使本来应 该注意观察的环境因素被忽视； 3 ，遥视系统检测到的环境报警信息和基于视频图像的处理结果也只能在 图像监控系统中查看，无法与s c a d a 系统协同，运行人员同时查看两套 系统会加重负担。 4 ，当远动信号指示开关变位时，不能自动调整摄像头对准变位开关，显示 华北电力大学硕士学位论文 丌关的状态。现在的图像监控系统往往需要手动来调整摄像头的光圈和 云台，不能及时看到现场发生的情况。 5 ， 当s c a d a 系统n 钡t l n 重要设备报警时，如保护动作、主变温度过高、油 位异常等，不能联动切换遥视图像查看设备状态。 以上都是电力自动化系统中采用图像监控系统和s c a d a 系统分离所带来的不 足，这阻碍了电力系统的无人值班化发展。 1 4 s c a d a 系统和图像监控系统互联的意义 图像监控系统一旦应用到变电站自动化系统中，就应该完全融入到自动化系 统中，而不应该作为一个独立的系统运行。目前我国变电站大多数都在不同水平上 实现了电力系统自动化，常规的远动系统比较完备，并且也都在后期配置了不同档 次的图像监控系统。在这种情况下，完全重建各个变电站的自动化系统和远动系统 将要花费大量的资金和时间，显然是不现实的。因此提出在不改变电力系统原有的 s c a d a 系统和图像监控系统前提下，实现两套系统的互联，这种运行方式在一定程 度上可以解决1 3 2 小节所提出的不足。 课题所设计的互联系统将具有如下功能： 首先，当s c a d a 系统进行遥控操作时，为了保证操作的安全性，联动切换图 像监控系统图像，使运行人员可以了解被操作对象是否发生了异常；当s c a d a 系统 检测到重要设备报警时，如保护动作、主变油温过高、油位异常等，应该联动切换 遥视图像；当对s c a d a 信息进行综合处理并发现重要设备异常时，应该联动切换遥 视图像：当s c a d a 系统进行诈常的巡视时。可以考虑通过设置是否联动切换遥视图 像。 其次，如果遥视检测到环境报警，或者图像监控信息的处理结果产生环境报 警，不仅要联动切换遥视图像，而且要联动s c a d a 系统的报警处理。例如“无人值 班”变电站发生火灾报警，s c a d a 系统必须快速进行运行方式调整，避免由于火灾 造成电力系统大面积停电事故。 两套系统实现互联之后，图像监控系统和s c a d a 系统将不是相互独立的两套系 统，图像监控系统不会在s c a d a 系统发现异常信息时而毫无反应。并且图像监控系 统充分利用了s c a d a 系统上报的告警信息，实现有目的地监视电力设备。互联系统 提高了电力系统的自动化水平，因此研究和开发s c a d a 与图像监控的互联系统对电 力系统自动化的发展具有重要意义。 1 5 课题内容概述 多媒体s c a d a 系统是未来电力自动化系统的发展方向，图像监控系统必将和 华北l 乜力人学硕十学位论文 s c a d a 系统实现互联最终融入到s c a d a 系统中【6 l 。课题顺应电力系统自动化的发展 方向，对多媒体s c a d a 系统进行了研究。通过对几种s c a d a 系统与图像监控系统互 联技术的研究比较，设计系统互联的实现方案。并针对工程实际情况，采用集控站 互联方式设计并实现了一种s c a d a 与图像监控的互联系统。通过山西临汾供电分公 司的工程测试，这种互联系统可以解析s c a d a 系统的远动数据并实现对远动异常信 息的图像联动。 论文分为五章介绍课题工作。 第一章为引言部分。主要对电力系统中s c a d a 系统和图像监控系统的现状进行 了介绍，并结合电力自动化系统的特点，阐释了课题研究的重要意义。 第二章为s c a d a 系统与图像监控系统的互联技术介绍。介绍现有的几种s c a d a 系统与图像监控系统互联的方案，并对这几种系统互联方案进行比较，讨论其优缺 点。 第三章为远动规约及协议解析。介绍循环式远动规约和问答式远动规约的帧格 式，最后以循环式远动规约为例介绍协议解析的实现过程。 第四章为系统互联的设计与实现。该章设计了一个实际的互联系统。通过介绍 系统功能和系统互联的模型，给出系统互联的布局结构，并且对软件进行功能模块 的划分。针对工程实际情况，提出两种系统互联方式，并选择集控站互联方式运用 到实际工程中。详细介绍了主体程序，并且针对模拟屏通讯规约讨论协议解析的实 现过程。最后对系统的实时性和可靠性进行了分析，总结了系统的特点并提出了系 统功能的扩展。 第五章为结论部分。对课题所完成的工作进行总结，并对课题的后续研究提出 看法。 华北电力大学硕士学位论文 第二章s c a d a 系统与图像监控系统的互联技术 目前国内外对于s c a d a 系统与图像监控系统互联技术的研究还没有广泛开展起 来，有关这方面的研究还不是很多。本章主要介绍现有的几种互联技术，并对这几 种互联技术进行分析。 2 1 系统互联技术浅析 监控系统互联就是将不同监控系统通过互联设备连接起来，以扩大信息共享的 范围 1 4 1 。目前，国内外对s c a d a 系统和m i s 系统互联的研究已经比较成熟，但是对 s c a d a 系统与图像监控系统互联技术的研究还不是很多。图像监控系统和s c a d a 系 统是电力系统中两个重要的实时系统【”】，为了实现信息共享需要实现两套系统的互 联。 2 1 1 系统互联的方式 系统互联的方式可以分为监听方式、替换方式和对话方式i l “。 监听方式 监听方式是最简单的互联方式，是一种单向互联。a 系统设置为接收状态，对 b 系统的数据接口进行监听，如果两个系统的物理接口、数据格式和传输速率完全 相同，则a 系统可以完全了解b 系统的通信过程，通过规约转换，获得监控信息。 其中包含一般数据查询和告警消息。监听方式的优点是：系统实现简单，对被监听 系统影响小，操作和控制仅需单向映射，适用于规约说明不详细的场合。其缺点是： 主动性羞，对被监听系统的依赖性强，一旦被监听系统主机出现故障，监听将会失 败，另外，如果一条告警信息朱被监听到，则会出现误告。尽管监听方式存在这些 缺点，但由于其实现简单，规约转换容易，在实际系统中仍得到了广泛采用。 替换方式 替换方式是一种双向互联。a 系统中一台主机m a 替换8 系统中的监控主机m b ， m a 取代m b 实现通信控制功能，这种替换对下层站是透明的。m a 可以按照a 系统的 要求对b 系统进行控制，如：遥控操作，参数设置，主动询问等。替换方式与监听 方式相比，增加了主动性和灵活性，丧失了实现上的简单性。 对话方式 对话方式是一种真正意义上的系统互联。a 系统和b 系统之间建立一种平等的 机制，采用一种标准的或非标准的协议进行通信，相互之间交换监控信息。对话方 式是一种理想的系统互联方式，可以实现非常可靠的通信联系，但是这种方式的实 6 华北电力大学硕士学位论文 现难度也是明显的，那就是欲实现良好的互通，a 系统和b 系统必须采用统一的通 信协议和监控信息模型，操作和控制需要双向映射，否则，不能实现互通。如果a 系统和b 系统是由两个不同厂家提供的，则要求两个厂家之间必须公开通信协议， 否则实现难度太大，而这种公开通信协议的事情是许多厂家不情愿做的，尤其是国 外厂家更是如此。所以一般情况下实现对话方式互联是比较困难的。 为了不影响s c a d a 系统的正常运行和便于系统实现，本课题采用的是监听方式 实现互联，由图像监控系统对s c a d a 系统转发的远动数据进行监听。 2 1 2 系统互联的分类 系统互联从功能和概念上可划分为应用级和实时级两类。应用级互联是指像电 子表格一类的应用信息能够在一个系统和另一个系统之间传送交互；实时级互联是 指将一个系统所采集到的原始实时信息，根据需要能够从一个系统传送到另一个系 统。 从参与互联的子系统之间结合的松紧程度上可以划分为松散互联和紧密互联。 松散的互联是在两套系统之间传递数据信息，但是各系统的数据信息不在一个信道 中传输，两套系统在各自系统内分别传送自己的数据信息；紧密的互联两套系统之 间不仅交互信息，而且共享信道传送信息。 从对予系统的依赖关系上可以划分为依附于s c a d a 系统的互联方式、依附于图 像监控系统的互联方式和不依附于任何一个子系统的互联方式。依附于s c a d a 系统 的互联方式是以s c a d a 系统为主，在s c a d a 系统中嵌入图像监控功能，如多媒体主 站、多媒体r t u 等：依附于图像监控系统的互联方式是以图像监控系统为主，在图 像监控系统中加入一些数据采集的功能，如s c a d a e a m 系统等；不依附于任何一个 子系统的互联方式是指在两套系统之外在建立一套机制实现两套系统之间交互信 息，如图像监控系统与s c a d a 系统的协同互联方式。 本课题所设计的系统是不依附于任何一个子系统的松散的实时级互联系统。课 题所设计的系统在图像监控系统和s c a d a 系统之外重新开发了一个系统，因此图像 监控系统和s c a d a 系统各自的信息通过各自的信道传送，在上层进行信息交互。系 统接收到的远动数据是原始的“四遥”数据，对远动数据的解析是协议级的。 在下面的几节罩分别介绍几种典型的互联系统，并对这几种系统进行比较。 2 2 多媒体主站方式i l 7 】 2 2 1 系统原理 以多媒体主站方式实现s c a d a 系统与图像监控系统的互联主要是通过在主站侧 对原有电力自动化系统进行改造而实现系统互联。这种互联方式是一种依附于 华北电力大学硕士学位论文 s c a d a 系统的互联方式，并且图像监控系统和s c a d a 系统之间呈紧密的互联关系。 为了方便地对运行工况和变电站环境进行监测，按照面向对象的设计思想统一 封装电力系统参数与多媒体数据。封装的方式根据编程者的不同思路是多种多样 的。统一封装建立了运行功况信息和多媒体信息的联系，因此也建立了电力系统设 备与图像监控设备之间的联系。 多媒体主站方式引入主站系统的互联设计中后，人机界面的设计是关键的技术 问题1 ”。个主站系统的完善的人机界面应该采用基于i p 网络的运行工况信息和 视频等信息同屏演示技术，即运行工况信息和遥视系统数字化信息在i p 网络上综 合传输【1 9 - 2 1 】，在各个监视工作站上将运行工况信息和视频等信息同屏显示。例如当 调度人员对变电站的断路器进行操作时，同时演示该断路器间隔的运行工况、该断 路器的音视频信息、报警信息等。此外，主站的通信网络也应该采用交换式双网结 构。正常工作时一个网络传送实时广播信息，另一个网络传送历史数据等批量信息 和图像信息。当一个网络故障时由另一个网络传送所有信息。 2 2 2 实现方法 多媒体主站系统有两种建设思路：s c a d a 和图像监控互联系统，一体化多媒体 主站系统。 t s c a d a 和图像监控互联系统结构图如图2 - 1 所示。这种系统特别适用于在现有 调度自动化系统的基础上增加图像监控功能【22 1 。s c a d a 系统和图像监控系统通过接 口计算机连接。接口方式可以是异步串行接口，也可以是网络接口，接口的协议应 该确保s c a d a 系统改造的工作量尽可能小。由接口传输的信息包括遥控、遥调信息， s c a d a 操作画面切换信息，遥视系统报警信息，遥视系统操作信息等，已达到两套 系统协调动作的目的。 图2 - 1s c a d a 和图像监控互联系统 一体化多媒体主站系统如图2 - 2 所示。变电站信息通过广域网络综合传输到主 站，在主站完成多媒体演示和其他多媒体功能。图像监控系统按照广域网络模式实 现时【6 1 ，最适合采用一体化多媒体主站系统。 8 华北电力大学硕士学位论文 。 、原r t u 圈2 - 2 一体化多媒体主站系统 通过这两种方式实现s c a d a 系统和图像监控系统的互联，两套系统之间可以进 行信息交互。 2 3 多媒体r t u 方式f 2 2 】 2 3 1 多媒体r t u 的基本结构 多媒体网络r t u ( m n r t u ) 与现有的r t u 相比，不但能完成基本的“四遥”功能， 而且能够实现诸如多媒体实时监控、变电站自动报警、i p 电话等特色功能，同时也 使得高速通道的带宽资源得到了高效利用。 m n r t u 由双机网络组成，如图2 3 所示。上位机完成多媒体监控、实时数据库、 网络通信、网络电话( 未来扩展) 等功能，它将当今世界上最先进的多媒体和通信 技术引入到r t u 中，使视频监控、安全防卫等新技术与基本r t u 功能巧妙地融合在 一起，成为传统r t u 不具备的特色功能；而下位机主要完成传统的“四遥”和远程 抄表、f t u 监控和公用变压器监测( 扩展功能) 等，是对原有r t u 系统的继承和提 高。 l 犁一 图2 - 3m q r t u 结构示意图 下位机通过模拟量采样板和开关量输入板完成模拟量和状态量的采集，采用 n e t b i o s 协议和上位机进行高速的网络通信。上位机本身就是一套完整的数字化本 地监控系统，其硬件包括多媒体信息采集设备( 摄像头等) 、各种报警设备( 红外、 烟感报警等) 和上位工业控制微机等。本系统在一台工控机中以多任务机制高效、 灵活地实现多媒体信息的实时处理、就地控制和远方通信。 华北电力大学硕十学位论文 2 3 2 多媒体s o a d a 系统 由m n r t u 通过光纤网络与中心站连接起来，就形成了一种新型的配电自动化系 统一一多媒体s c a d a 系统。多媒体s c a d a 系统中，实现了图像监控系统和s c a d a 系 统的互联。m n r t u 的下位机主要是完成对s c a d a 信息的采集，上位机主要实现对多 媒体信息的采集和压缩以及对s c a d a 数据的协议转换和转发功能。m n r t u 的上位机 把多媒体信息和s c a d a 数据送入一个信道传送到中心站，因此这是一种紧密的互联 方式。同时这套系统又在变电站侧实现互联，它依附于s c a d a 系统。多媒体s c a d a 系统的结构如图2 4 所示： 图2 - 4 多媒体s c a d a 系统结构示意图 原有s c a d a 系统( r d 8 0 0 ) 的中心站客户端主机无法直接获取和解析来自m n r t u 的i p 报文，为此在调配中心增加了一个多媒体服务器。它基于网卡与m n r t u 组成 高速监控子网，并通过速率可调的r s - 2 3 2 串口与r d 8 0 0 系统的前置机进行实时通 信。为此主站系统的多媒体服务器主要实现如下功能：视频图像远程实时监控、音 频信息远程实时监听和设备噪声分析、多媒体信息库管理、多媒体信息报警响应和 多媒体信息转发的功能。 配调工作站虽不直接与m n r t u 相联，但作为r d 8 0 0 系统的一个网络工作站，它 问接获取了m n r t u 的“四遥”信息，并通过r d 8 0 0 及多媒体服务器向各m n r t u 发布 指令或接收数据。 这种多媒体s c a d a 系统实现了多媒体技术和分布式思想的融合。新型的s c a d a 系统由m n r t u 经现有高速通信网构成，能够实时采集和处理无人值班变电站的图像、 声音、温度及电气数据，并以定时、自动报警或远程控制方式实现多媒体级的网络 式信息共享。该系统达到了多媒体信息采集系统与s c a d a 系统的有机融合。 聿叫110生堕翟 一匮 一口 一跞 二型 要一 | | 队二 蠹一 一警 华北电力人学硕十学位论文 2 4 协同式监控系统 2 4 1 系统原理 协同性( c o o p e r a t i o n ) ，是指多个主体( a g e n t ) 之间围绕一个共同的目标而 相互作用的协作过程【l 。协同式监控系统将图像监控系统和s c a d a 系统有机地结合 起来，使图像监控系统和s c a d a 系统协同工作，共同完成对电力设备的监控工作， 以达到扩充监控范围的目的。协同式监控系统不依附于任何一个子系统，而是在两 套系统之外重新开发一个系统，原有子系统之间是一种松散的互联关系。协同式监 控系统基于广义黑板模型提出。 2 4 1 1 黑板模型 黑板模型是几种典型的协同模型之- - 2 5 。2 6 1 。多个主体协同为了共同求解同一个 问题，黑板是一个共享问题求解工作的空间，多个主体都能“看到”黑板。当问题 和初始数据记录到黑板上时，求解开始。所有主体通过看黑板寻找求解问题的机会。 当某个主体发现黑板上的信息足以支持它进一步求解时，就将求解结果记录在黑板 上【1 3 , 2 3 - 2 6 。新增加的信息可能使其他主体继续求解。重复这一过程直到问题彻底解 决，获得最终结果。 黑板模型具有3 个基本组成成分：知识源( k s ) 、黑板、监控机制。其结构如 图2 - 5 所示。 厂 小等恒 ：i：iijiiii：lii兰 二兰玉盘面= 兰 a 知识源( k s ) ：应用领域根据求解问题专门知识的不同划分成若干个相互独 立的主体，这些主体称为知识源。 b 黑板：即共享的问题求解空间。一般是以层次结构的方式组织，主要存放知 识源所需要的信息和求解过程中解状态数据，有时也存放控制数据。在问题求解过 华北电力大学硕士学位论文 程中，知识源不断地修改黑板。知识源之间的通信和交互只能通过黑板进行。 c 监控机制：根据黑板上的问题求解状态和各个知识源的求解技能，依据某种 控制策略，动态地选择和激活合适的知识源，使知识源能够实时响应黑板的变化。 2 4 1 2 广义黑板模型 若将黑板的概念推广，可定义“广义黑板”为共享的问题求解空间及其解空间 中信息或知识的组织、管理、转移、存储等功能的集合【1 3 。广义黑板借助面向对象 的思想，将多块黑板及其相互间的关系封装成一块更大的黑板，而对各个主体屏蔽 掉多块黑板间信息的组织、管理、转移、存储等细节，使各个主体可以专心致志地 求解自己关心的问题。如果将“广义黑板”看成上述黑板模型中的“黑板”，就构 成了广义黑板模型，如图2 6 所示： 图2 - 6 ：广义黑板示意图 广义黑板模型与普通黑板模型的重要差别是前者, - i 口a 嵌套使用。一个广义黑板 可能就是一个协同系统，其目标是使各个主体看到其他知识源，这些知识源可能具 有地理上或功能上的分布性，例如多个主体可以通过i n t e r n e t 求解同一个问题。 2 4 2 基于广义黑板的遥视与e m s 运行协同系统 从主体协作的观点行来看，遥视与e m s 都可以看成多个主体的联合，这样，遥 视与e m s 的协同问题就变成了多个主体的协同问题。可以将遥视划分为遥视切换主 体、视频图像识别主体、视频轮巡主体、报警联动主体、遥控联动主体、e m s 巡视 联动主体、数字硬盘录像回放主体等。也可将e m s 划分成e m s 信息接收、e m s 信息 处理、e m s 界面等多个主体。这些主体共享广义黑板上的遥视和e m s 信息。 各个主体在监控机制的协调下被激活，产生相应的动作，并将结果送回广义黑 板。 广义黑板中按照面向对象的方法封装了各个变电站的信息，并采用对象继承的 方法实现了广义黑板的层次性。例如将广义黑板中的信息分为5 层：第l 层( 最底 层) 为原始的远动数据和视频多播源的多播地址和摄像机( 或预置位) 编码值；第 2 华北电力大学硕+ 学位论文 2 层为e m s 报警信息的聚类结果；第3 层为变电站设备的报警信息分析结果；第4 层为整个变电站报警信息分析结果：第5 层为e m s 和遥视处理意见，该结果可以直 接供相应的主体执行。 广义黑板内部信息的共享可以通过多种方式实现。最简单的方法是采用两块独 立的黑板，一块供遥视系统使用，另一块供e m 8 使用，两块黑板信息冗余，相互之 间的联系就是遥视系统与e m 8 的接口。遥视系统与e m s 接口方式可以在主站侧采用 r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 网络接口方式，也可在厂站侧采用与r t u 或变电站自动化系统接口 方式。此外，在条件不具备的情况下，还可以在变电站采用接点连接方式。主站接 口方式不能快速响应e m s 的报警信息进行录像，厂站接口方式要求进行视频录像信 息的分布式管理，两者各有利弊。遥视系统与e m s 接口协议当前没有国家标准，采 用p o l l i n g 协议或网络应用层协议将更加合适。在接口的实现上，应遵循下列原则： a 每一方给予对方足够的方便性，互为c s 模式。这种方式实际上就是遥视系 统和e m s 相对独立，但通过接口协调工作情况。比较适合在现阶段使用。 b 实现网络级封装，信息通过网络实现共享，各个广义黑板中可以有也可以没 有信息冗余。但必须解决以下两个主要的技术问题：采用监控机制解决信息的异 步问题；多媒体信息在网络中的综合传输问题。 该系统在遥控操作时，同时相应的遥视画面被切换到被控设备。系统的人机界 面采用运行工况和视频信息同屏演示。系统对摄像机( 或预置位) 设置控制优先级， 在高优先级报警联动的持续时间( 可设定) 内不联动低优先级报警。 系统采用广义黑板模型实现了遥视系统与e m s 的协同式系统，但是由于目前遥 视系统和e m s 一般由不同的公司建设，协同性的实现具有一定的难度，需要做大量 的技术性协调工作。 2 5 几种互联方法的比较 以上讨论了多媒体主站方式、多媒体r t u 方式和协同式监控系统三种互联方式， 这三种互联方式各不相同，各有优缺点。 首先，从对子系统的依赖关系上来看，多媒体主站方式和多媒体r t u 方式都是 依附于s c a d a 系统的，而协同式监控系统既不依赖于s c a d a 系统也不依赖于图像监 控系统。不依赖于任何一个子系统的互联方式，与原有子系统的耦合度小，不需要 对原有子系统改动或对原有子系统改动小，并且保证了子系统之间的独立性。依附 于s c a d a 系统的系统互联方式，系统融合性好，可以将图像监控功能嵌入到8 c a d a 系统中，但是对予系统改动大，并且可能会在一定程度上影响子系统的运行。 其次，从参与互联的子系统之间结合的松紧程度上来说，多媒体主站方式和多 媒体r t u 方式其子系统之间是一种紧密的互联关系，而协同式监控系统的子系统之 华北电力大学硕士学位论文 间是一种松散的互联关系。紧密的互联使两套系统之间的交互程度大，但是两套系 统的数据2 _ f 日j 的相互影响大：松散的互联使两套系统之间的交互程度较小，但是两 套系统的数据之问的相互影响小。 再次，从系统结构上来说，多媒体主站方式在中心站端实现互联；多媒体r t u 方式在变电站端实现互联；协同式监控系统比较灵活，既可以在中心站端实现互联 又可以在变电站端实现互联。多媒体主站方式，不需要对变电站端的软件系统进行 改动，只需要在中心站端建立图像监控系统和s c a d a 系统的接口，但是系统对变电 站端的联动响应较慢。多媒体r t u 方式，需要在变电站端将s c a d a 数据传输给视频 监视服务器，由视频监视服务器向集控中心传输图像和数据信息，上层中心站监视 系统终端不需要改动，但是需要对视频联动进行分布式管理。协同式监控系统则可 以根据需要灵活配置。 最后，从系统软件的性能上来说，由于协同式互联系统不依附于任何一个子系 统，该系统软件已经脱离开了这两套系统，因此不必考虑两套系统原有的软件对新 软件的支持程度。而其他两种互联方式则必须要考虑这个问题，并且对是否影响 s c a d a 系统安全性的问题考虑相对较多。 此外，除了上述几项三种互联方式的区别，这三种互联方式都需要对远动数据 进行协议解析，因此远动数据的协议解析是任何一种互联方式都需要重点解决的问 题。 t 根据实际情况，并且由于基于黑板模型建立系统互联对子系统的改动和影响 小，课题选用了基于这种方法建立系统互联，论文将在第四章详细讨论系统互联的 建立过程。 2 6 小结 本章主要介绍了几种典型的s c a d a 系统与图像监控系统互联的技术，并对这几 种互联技术进行了分析比较。通过介绍几种典型的系统互联技术，对互联系统的原 理和关键技术有了深入的了解。通过对互联系统的优缺点进行分析，对构成一个性 能优良的互联系统形成了初步的概念。 华北电力大学硕士学位论文 第三章远动规约及协议解析 电力系统有其标准的远动规约，课题把电力系统标准的规约格式作为研究规约 协议解析的入手点。本章主要介绍了电力系统标准的规约格式并对其进行了协议解 析，以此作为课题后续研究的基础。 3 1 远动信息及传输模式 3 1 1 远动信息内容 远动的含义是：利用远程通信技术进行信息传输，实现对远方运行设备的监视 和控制【7 1 。远动的遥测、遥信、遥控和遥调功能，通过传送远动信息实现。远动信 息包括遥测信息、遥信信息、遥控信息和遥调信息。 遥测信息传送发电厂、变电所的各种运行参数，它分为电量和非电量两类。电 量包括母线电压、系统频率、流过电力设备及输电线的有功功率、无功功率和电流。 非电量包括发电机机内温度以及水电厂的水库水位等。 遥信信息包括发电厂、变电所中断路器和隔离开关的合闸或分闸状态，主要设 备的保护继电器动作状态，以及一些运行状态信号，如厂站设备事故总信号、发电 机组开或停的状态信号、远动及通信设备的运行状态信号等。遥信信息所涉及的对 象只有两种状态，因此用一位二进制数的“0 ”或“1 ”便可以表示出一个遥信对象 的两种不同状态。 遥控信息传送改变运行设备状态的命令，如发电机组的启停命令、断路器的分 合命令、并联电容器和电抗器的投切命令等。遥控命令下达之后，必须进行返送校 核，返校无误之后，才能发出执行命令。 遥调信息传送改变运行设备参数的命令，如改变发电机有功出力和励磁电流的 设定值，改变变压器分接头的位置等。 遥测信息和遥信信息从发电厂、变电所向调度中心传送，也可以从下级调度中 心向上级调度中心转发，通常称为上行信息。而遥控信息和遥调信息从调度中心向 发电厂、变电所传送，也可以从上级调度中心通过下级调度中心传送，所以称为下 行信息。 3 1 2 远动信息的传输模式 远动信息的传输可以采用循环传输模式或问答传输模式 7 , 2 7 - 2 8 】。 循环数字传输模式也称c d t ( c y c l i cd a t at r a n s m i s s i o n ) 方式。在这种传输 华北电力大学硕士学位论文 模式中，变电站端将要发送的远动信息按规约的规定组成各种帧，再编排帧的顺序， 一帧一帧地循环向调度端传送。信息的传送是周期性的、周而复始的，发端不顾及 收端的需要，也不要求收端给以回答。这种传输模式对信道质量的要求较低，因为 任何一个被干扰的信息可望在下一循环中得到它的正确值。 问答传输模式也称为p o l l i n g 方式。在这种传输模式中，若调度端要得到变电 站端的监视信息，必须由调度端主动向变电站端发送查询命令报文。查询命令是要 求一个或多个变电站传输信息的命令。查询命令不同，报文中的类型标志取不同值， 报文的字节数一般也不一样。变电站端按调度端的查询要求发送回答报文。用这种 方式，可以做到调度端问什么，变电站端就回答什么，