儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文

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1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖2。對(duì)于儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)，除了必要的數(shù)據(jù)采集分析等常見(jiàn)功能外，根據(jù)工程需求，還需要有相應(yīng)定制化的功能，例如針對(duì)風(fēng)電的平抑風(fēng)功率波動(dòng)優(yōu)化控制等等。監(jiān)控系統(tǒng)功能如下：

1．1基本功能（1）數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將電站中各設(shè)備的信息上送值，采集終端服務(wù)器或規(guī)約轉(zhuǎn)換器，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RS485／232、以太網(wǎng)等方式通信，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸給就地監(jiān)控系統(tǒng)。交換機(jī)的功能為實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)能電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。使用RS232方式傳遞信號(hào)的有PCS以及電能表等設(shè)備。使用以太網(wǎng)方式傳遞信號(hào)的有BMS等設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)接口有交換機(jī)和路由器。交換機(jī)的功能為實(shí)現(xiàn)與電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信，如：變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)。（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和更新，要求對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的快速訪問(wèn)，因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在系統(tǒng)的每臺(tái)主機(jī)都運(yùn)行一個(gè)備份，所有數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，各種操作在內(nèi)存中完成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致，以及跨應(yīng)用的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理生成、維護(hù)實(shí)時(shí)庫(kù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的控制。包括管理數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)字典，創(chuàng)建并初始化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)控制區(qū)、創(chuàng)建并初始化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的表、刪除實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)表、接收來(lái)自服務(wù)器的對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的表內(nèi)容的增加、刪除及修改操作。（3）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)采用商用數(shù)據(jù)庫(kù)。商用數(shù)據(jù)庫(kù)部署在數(shù)據(jù)服務(wù)器，一般選用Oracle為商用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，但可以根據(jù)用戶的要求選用MicrosoftSQLServer、Sybase或Informix。采用雙機(jī)配置時(shí)，兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制技術(shù)保持?jǐn)?shù)據(jù)一致。商用數(shù)據(jù)庫(kù)中存放以下信息：字典信息、SCADA的設(shè)備定義及描述信息、歷史數(shù)據(jù)采樣信息、各種告警操作記錄信息等。系統(tǒng)商用數(shù)據(jù)庫(kù)面向電力系統(tǒng)對(duì)象設(shè)計(jì)，以區(qū)別于傳統(tǒng)的廠、點(diǎn)號(hào)設(shè)計(jì)。面向電力系統(tǒng)設(shè)備對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，可以將SCADA應(yīng)用，各高級(jí)應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，真正做到一體化實(shí)現(xiàn)，保證了系統(tǒng)功能的靈活擴(kuò)展。系統(tǒng)提供了專門的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)修改維護(hù)的工具，該工具可根據(jù)所授權(quán)限瀏覽、修改、管理數(shù)據(jù)。隨時(shí)可以處理數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也不影響已完成的報(bào)表、曲線、餅圖顯示。（4）圖形顯示圖形顯示部分是人機(jī)交互的界面，即傳統(tǒng)的SCADA圖形界面，包括顯示功能模塊劃分、系統(tǒng)設(shè)備拓?fù)湔故尽⒏婢缑妗＃?）報(bào)警報(bào)警是對(duì)測(cè)量值的范圍、變化速度的預(yù)警。報(bào)警包括限值報(bào)警，變化率報(bào)警，偏差報(bào)警，異常報(bào)警等。復(fù)雜的報(bào)警可以通過(guò)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行報(bào)警檢查而產(chǎn)生。發(fā)生報(bào)警后，操作員可以通過(guò)報(bào)警畫面對(duì)報(bào)警進(jìn)行“確認(rèn)”。報(bào)警信息，報(bào)警確認(rèn)信息，報(bào)警恢復(fù)（報(bào)警消除）等信息都可以被系統(tǒng)自動(dòng)記錄下來(lái)。

1．2應(yīng)用功能（1）儲(chǔ)能電站數(shù)據(jù)的采集和處理儲(chǔ)能電站包含電氣設(shè)備(開關(guān)、變壓器、母線)，儲(chǔ)能變流器和電池堆，儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能和上述設(shè)備的智能測(cè)控終端和智能二次部分進(jìn)行通信，采集上述設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行預(yù)處理。（2）基本監(jiān)控功能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)告警、曲線顯示、報(bào)表功能，并通過(guò)圖形系統(tǒng)及運(yùn)行工具瀏覽儲(chǔ)能電站的運(yùn)行情況，對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)基本運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并可對(duì)儲(chǔ)能電站進(jìn)行相關(guān)設(shè)置和控制操作。（3）優(yōu)化控制優(yōu)化控制即為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行控制策略。策略類型有：平抑波動(dòng)［1］、儲(chǔ)能系統(tǒng)計(jì)劃調(diào)度、PCS跟蹤計(jì)劃、無(wú)功補(bǔ)償控制、協(xié)調(diào)控制、順序控制、自維護(hù)等等。按控制對(duì)象分類，可以分為儲(chǔ)能電站優(yōu)化控制、PCS優(yōu)化控制、BMS實(shí)時(shí)監(jiān)視。儲(chǔ)能電站優(yōu)化控制采用在閉環(huán)控制方式，不論控制目標(biāo)為目標(biāo)曲線還是目標(biāo)值，系統(tǒng)定期更新，讀取控制目標(biāo)當(dāng)前值，重新進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，重新分解控制目標(biāo)，下發(fā)至各就地設(shè)備執(zhí)行。不管是處理來(lái)自界面程序的控制策略執(zhí)行命令還是來(lái)自目標(biāo)執(zhí)行程序的重新執(zhí)行請(qǐng)求，或者是自動(dòng)按時(shí)執(zhí)行既定的閉環(huán)控制策略，程序處理流程類似，大致分為執(zhí)行條件判別，初始化，預(yù)處理，優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果分配、目標(biāo)執(zhí)行幾個(gè)部分。（4）圖形框架利用Qt技術(shù)構(gòu)建圖形框架。建立可視化設(shè)備樹索引，以在不同設(shè)備的SCADA界面和應(yīng)用監(jiān)控對(duì)象之間進(jìn)行切換。利用編寫好的配置工具進(jìn)行應(yīng)用快捷方式等的配置，非常靈活便捷。（5）控制命令下發(fā)利用Qt庫(kù)中的QThread、Qtimer、QVector等類，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率值點(diǎn)和計(jì)劃值曲線的下發(fā)、變更、刪除、計(jì)劃值隊(duì)列管理、數(shù)值校驗(yàn)等。（6）信息模型修改利用Qt提供的庫(kù)和ADO方法訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表表結(jié)構(gòu)及內(nèi)容，菜單結(jié)構(gòu)及內(nèi)容等進(jìn)行維護(hù)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的備份和還原。配合設(shè)備樹及編寫好的模型配置工具，對(duì)信息模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行修改。通過(guò)讀寫配置文件的方式，使配置手段更為靈活和便捷。

2系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

2．1設(shè)備之間的通信（1）監(jiān)控系統(tǒng)與PCS之間的通信通信方式為RS232串口，連接到終端服務(wù)器后再轉(zhuǎn)接為以太網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。采用標(biāo)準(zhǔn)的莫迪康ModbusRTU協(xié)議，采用一主一從的通訊方式。監(jiān)控為上位機(jī)，PCS控制板DSP為下位機(jī)，上位機(jī)主動(dòng)向下位機(jī)發(fā)送消息；下位機(jī)為被動(dòng)方式，接受上位機(jī)發(fā)送的指令，并根據(jù)信息內(nèi)容進(jìn)行響應(yīng)回送。物理層通訊接口采用RS485，通信波特率選擇9600bps，通信數(shù)據(jù)格式為8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位，其中字符低位（LSB）在前，即先起始位，后d0－d7位，最后停止位。通信鏈路的建立與解除均由主站發(fā)出的信息幀來(lái)控制。每幀由目標(biāo)地址、功能碼、數(shù)據(jù)信息、校驗(yàn)碼組成。報(bào)文格式如表1，其中數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度取決于功能碼：其中各位的含義如下：地址域用來(lái)區(qū)分通訊網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)和各從機(jī)，一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)和各從機(jī)裝置的地址不能重復(fù)，必須唯一。地址的范圍是1～255，其中255被保留用做主機(jī)對(duì)所有從機(jī)的廣播地址。其中監(jiān)控主站做主機(jī)，PCS裝置做從機(jī)，地址編碼為0x16。功能碼域用來(lái)告訴被尋址的從機(jī)裝置要完成何種功能。數(shù)據(jù)域包含了主機(jī)執(zhí)行特定功能所傳下來(lái)的數(shù)據(jù)或從機(jī)響應(yīng)查詢時(shí)需上傳的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)可以是Modbus寄存器地址、數(shù)據(jù)量或數(shù)值，而數(shù)值可以是模擬量數(shù)值、開關(guān)量狀態(tài)、定值、時(shí)間值等。CRC校驗(yàn)碼采用標(biāo)準(zhǔn)ModiconModbus協(xié)議中的16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）算法，生成多項(xiàng)式為X15＋X13＋1，傳輸時(shí)低8位在前，高8位在后。從報(bào)文首字節(jié)（即地址域）到CRC碼之前的所有報(bào)文字節(jié)都參與CRC碼的計(jì)算。（2）監(jiān)控系統(tǒng)與BMS之間的通信監(jiān)控系統(tǒng)與BMS之間均直接通過(guò)以太網(wǎng)的方式連入交換機(jī)，也可以Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。

2．2監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部通信監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部采用以太網(wǎng)通信，通過(guò)交換機(jī)連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部各進(jìn)程主要采用Socket和共享內(nèi)存兩種通信方式。對(duì)于不需要同步阻塞操作的對(duì)象，采用讀寫效率更高的共享內(nèi)存方式，而對(duì)于不同工作站／服務(wù)器之間或者要求同步阻塞操作的對(duì)象之間，采用Socket的方式進(jìn)行通信。另外值得一提的是，所有Windows下運(yùn)行高級(jí)應(yīng)用對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作時(shí)，均采用ADO的方式；其余所有服務(wù)均直接調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)的SDK進(jìn)行訪問(wèn)。（1）共享內(nèi)存共享內(nèi)存是一種讀寫效率較高的方法，訪問(wèn)共享內(nèi)存區(qū)域和訪問(wèn)進(jìn)程獨(dú)有的內(nèi)存區(qū)域一樣快，并不需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用或者其它需要切入內(nèi)核的過(guò)程來(lái)完成。同時(shí)它也避免了對(duì)數(shù)據(jù)的各種不必要的復(fù)制。在監(jiān)控系統(tǒng)中主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及其外圍服務(wù)和前置系統(tǒng)等之間的通信。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)就是一塊大的共享內(nèi)存加上對(duì)讀寫接口的封裝等外圍服務(wù)。對(duì)于Windows下的共享內(nèi)存，可以采用CreateFileMap-ping創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存文件映射對(duì)象，CreateFileMapping這個(gè)API將創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核對(duì)象，用于映射文件到內(nèi)存。HANDLECreateFileMapping(HANDLEhFile,．．．．．．);這里，我們并不需要一個(gè)實(shí)際的文件，所以，hFile這個(gè)參數(shù)可以填寫INVALID＿HANDLE＿VALUE。然后調(diào)用MapViewOfFile映射到當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址上即可。一旦用完共享內(nèi)存，再調(diào)用UnmapViewOfFile回收內(nèi)存地址空間。對(duì)于Linux下，進(jìn)程通過(guò)調(diào)用shmget（SharedMemoryGET，獲取共享內(nèi)存）來(lái)分配一個(gè)共享內(nèi)存塊。然后，要讓一個(gè)進(jìn)程獲取對(duì)一塊共享內(nèi)存的訪問(wèn)，這個(gè)進(jìn)程必須先調(diào)用shmat（SHaredMemoryAttach，綁定到共享內(nèi)存）。將shmget返回的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符SHMID傳遞給這個(gè)函數(shù)作為第一個(gè)參數(shù)。該函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)指針，指向您希望用于映射該共享內(nèi)存塊的進(jìn)程內(nèi)存地址；如果您指定NULL則Linux會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)合適的地址用于映射。第三個(gè)參數(shù)是一個(gè)標(biāo)志位。調(diào)用shmctl（″SharedMemoryControl″，控制共享內(nèi)存）函數(shù)會(huì)返回一個(gè)共享內(nèi)存塊的相關(guān)信息，可以進(jìn)行內(nèi)存塊的釋放。（2）socket通信socket方式通信好處在于：socket適用于任何情況下的數(shù)據(jù)傳輸，信息交換通過(guò)報(bào)文。被接收方收到信息可以通過(guò)socket的recv函數(shù)觸發(fā)，不像共享內(nèi)存，一方將數(shù)據(jù)寫入，另一方須要不停地進(jìn)行掃描操作才知道有沒(méi)有接收到信息。在監(jiān)控系統(tǒng)中，socket的通信主要應(yīng)用于除實(shí)時(shí)庫(kù)和前置之前通信之外的所有通信，特別是不同高級(jí)應(yīng)用間的通信，高級(jí)應(yīng)用與系統(tǒng)進(jìn)程間的通信等。Socket的通信模式為：打開－讀／寫－關(guān)閉。于此對(duì)應(yīng)，socket提供了進(jìn)行這幾步操作的對(duì)應(yīng)接口。通信流程如下：1）調(diào)用socket()，用于創(chuàng)建一個(gè)socket描述符（socketde-scriptor），它唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket。2）調(diào)用bind()函數(shù)把一個(gè)地址族中的特定地址賦給socket。3）如果作為一個(gè)服務(wù)器，在調(diào)用socket()、bind()之后就會(huì)調(diào)用listen()來(lái)監(jiān)聽這個(gè)socket，如果客戶端這時(shí)調(diào)用connect()發(fā)出連接請(qǐng)求，服務(wù)器端就會(huì)接收到這個(gè)請(qǐng)求。4）TCP服務(wù)器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會(huì)監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調(diào)用socket()、connect()之后就想TCP服務(wù)器發(fā)送了一個(gè)連接請(qǐng)求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個(gè)請(qǐng)求之后，就會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)取接收請(qǐng)求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網(wǎng)絡(luò)I／O操作了，即類同于普通文件的讀寫I／O操作。5）調(diào)用I／O函數(shù)，如read()／write()，recvmsg()／sendmsg()。6）調(diào)用close()，關(guān)閉。但是這里close操作只是使相應(yīng)socket描述字的引用計(jì)數(shù)－1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請(qǐng)求。

3結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)在實(shí)際儲(chǔ)能系統(tǒng)上的運(yùn)行結(jié)果如下，紅色為風(fēng)電場(chǎng)功率曲線，藍(lán)色為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率曲線，綠色為注入電網(wǎng)的總功率：經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功能性均達(dá)到預(yù)期要求，為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控應(yīng)用和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考。目前，該系統(tǒng)已在工程現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)，處于最后調(diào)試階段中。由于設(shè)備容量受限和相關(guān)理論技術(shù)尚未完善，系統(tǒng)的自動(dòng)維護(hù)功能（包括各設(shè)備采集統(tǒng)計(jì)信息的校驗(yàn)和自動(dòng)糾錯(cuò)）和儲(chǔ)能削峰填谷功能尚未開發(fā)完成，在以后的工作中，應(yīng)當(dāng)在這兩個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

作者：劉崇宇魏海坤劉海璇單位：復(fù)雜工程系統(tǒng)測(cè)量與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源研究所