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1系統(tǒng)功能設計

監(jiān)控系統(tǒng)結構功能圖如圖2。對于儲能監(jiān)控系統(tǒng)，除了必要的數(shù)據采集分析等常見功能外，根據工程需求，還需要有相應定制化的功能，例如針對風電的平抑風功率波動優(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)據采集監(jiān)控系統(tǒng)通過通信網絡將電站中各設備的信息上送值，采集終端服務器或規(guī)約轉換器，現(xiàn)場通過RS485／232、以太網等方式通信，將信號轉換為網絡信號傳輸給就地監(jiān)控系統(tǒng)。交換機的功能為實現(xiàn)與儲能電站網絡設備或其他網絡設備之間的通信。使用RS232方式傳遞信號的有PCS以及電能表等設備。使用以太網方式傳遞信號的有BMS等設備。網絡接口有交換機和路由器。交換機的功能為實現(xiàn)與電站網絡設備或其他網絡設備之間的通信，如：變電站綜合自動化系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)。（2）實時數(shù)據服務系統(tǒng)實時對大量數(shù)據進行讀取和更新，要求對數(shù)據庫的快速訪問，因此實時數(shù)據庫在系統(tǒng)的每臺主機都運行一個備份，所有數(shù)據存放在內存中，各種操作在內存中完成，通過網絡子系統(tǒng)實現(xiàn)全網實時數(shù)據庫系統(tǒng)數(shù)據的一致，以及跨應用的數(shù)據訪問。實時數(shù)據庫管理生成、維護實時庫，完成對數(shù)據庫訪問的控制。包括管理數(shù)據庫數(shù)據字典，創(chuàng)建并初始化實時數(shù)據庫系統(tǒng)控制區(qū)、創(chuàng)建并初始化實時數(shù)據庫中的表、刪除實時數(shù)據庫中數(shù)據表、接收來自服務器的對實時數(shù)據庫中的表內容的增加、刪除及修改操作。（3）歷史數(shù)據服務歷史數(shù)據庫采用商用數(shù)據庫。商用數(shù)據庫部署在數(shù)據服務器，一般選用Oracle為商用數(shù)據庫管理系統(tǒng)，但可以根據用戶的要求選用MicrosoftSQLServer、Sybase或Informix。采用雙機配置時，兩臺數(shù)據庫服務器通過數(shù)據庫復制技術保持數(shù)據一致。商用數(shù)據庫中存放以下信息：字典信息、SCADA的設備定義及描述信息、歷史數(shù)據采樣信息、各種告警操作記錄信息等。系統(tǒng)商用數(shù)據庫面向電力系統(tǒng)對象設計，以區(qū)別于傳統(tǒng)的廠、點號設計。面向電力系統(tǒng)設備對象進行數(shù)據庫設計，可以將SCADA應用，各高級應用有機地結合在一起，真正做到一體化實現(xiàn)，保證了系統(tǒng)功能的靈活擴展。系統(tǒng)提供了專門的歷史數(shù)據庫修改維護的工具，該工具可根據所授權限瀏覽、修改、管理數(shù)據。隨時可以處理數(shù)據庫中的數(shù)據，不影響系統(tǒng)的正常運行，也不影響已完成的報表、曲線、餅圖顯示。（4）圖形顯示圖形顯示部分是人機交互的界面，即傳統(tǒng)的SCADA圖形界面，包括顯示功能模塊劃分、系統(tǒng)設備拓撲展示、告警界面。（5）報警報警是對測量值的范圍、變化速度的預警。報警包括限值報警，變化率報警，偏差報警，異常報警等。復雜的報警可以通過對測量值進行數(shù)學運算，然后對運算結果進行報警檢查而產生。發(fā)生報警后，操作員可以通過報警畫面對報警進行“確認”。報警信息，報警確認信息，報警恢復（報警消除）等信息都可以被系統(tǒng)自動記錄下來。

1．2應用功能（1）儲能電站數(shù)據的采集和處理儲能電站包含電氣設備(開關、變壓器、母線)，儲能變流器和電池堆，儲能監(jiān)控系統(tǒng)應能和上述設備的智能測控終端和智能二次部分進行通信，采集上述設備的運行參數(shù)，并進行預處理。（2）基本監(jiān)控功能對采集的數(shù)據進行再處理，可以實現(xiàn)數(shù)據告警、曲線顯示、報表功能，并通過圖形系統(tǒng)及運行工具瀏覽儲能電站的運行情況，對風儲聯(lián)合系統(tǒng)基本運行情況進行統(tǒng)計分析，并可對儲能電站進行相關設置和控制操作。（3）優(yōu)化控制優(yōu)化控制即為風儲聯(lián)合運行控制策略。策略類型有：平抑波動［1］、儲能系統(tǒng)計劃調度、PCS跟蹤計劃、無功補償控制、協(xié)調控制、順序控制、自維護等等。按控制對象分類，可以分為儲能電站優(yōu)化控制、PCS優(yōu)化控制、BMS實時監(jiān)視。儲能電站優(yōu)化控制采用在閉環(huán)控制方式，不論控制目標為目標曲線還是目標值，系統(tǒng)定期更新，讀取控制目標當前值，重新進行優(yōu)化計算，根據當前系統(tǒng)實時運行信息，重新分解控制目標，下發(fā)至各就地設備執(zhí)行。不管是處理來自界面程序的控制策略執(zhí)行命令還是來自目標執(zhí)行程序的重新執(zhí)行請求，或者是自動按時執(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，預處理，優(yōu)化計算，結果分配、目標執(zhí)行幾個部分。（4）圖形框架利用Qt技術構建圖形框架。建立可視化設備樹索引，以在不同設備的SCADA界面和應用監(jiān)控對象之間進行切換。利用編寫好的配置工具進行應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庫中的QThread、Qtimer、QVector等類，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的功率值點和計劃值曲線的下發(fā)、變更、刪除、計劃值隊列管理、數(shù)值校驗等。（6）信息模型修改利用Qt提供的庫和ADO方法訪問數(shù)據庫，對歷史數(shù)據庫中的數(shù)據表表結構及內容，菜單結構及內容等進行維護，包括數(shù)據庫的備份和還原。配合設備樹及編寫好的模型配置工具，對信息模型拓撲結構等進行修改。通過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)通信設計

2．1設備之間的通信（1）監(jiān)控系統(tǒng)與PCS之間的通信通信方式為RS232串口，連接到終端服務器后再轉接為以太網與監(jiān)控系統(tǒng)進行通信。采用標準的莫迪康ModbusRTU協(xié)議，采用一主一從的通訊方式。監(jiān)控為上位機，PCS控制板DSP為下位機，上位機主動向下位機發(fā)送消息；下位機為被動方式，接受上位機發(fā)送的指令，并根據信息內容進行響應回送。物理層通訊接口采用RS485，通信波特率選擇9600bps，通信數(shù)據格式為8個數(shù)據位，1個停止位，無校驗位，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)出的信息幀來控制。每幀由目標地址、功能碼、數(shù)據信息、校驗碼組成。報文格式如表1，其中數(shù)據位的長度取決于功能碼：其中各位的含義如下：地址域用來區(qū)分通訊網絡上的主機和各從機，一個通訊網絡上的主機和各從機裝置的地址不能重復，必須唯一。地址的范圍是1～255，其中255被保留用做主機對所有從機的廣播地址。其中監(jiān)控主站做主機，PCS裝置做從機，地址編碼為0x16。功能碼域用來告訴被尋址的從機裝置要完成何種功能。數(shù)據域包含了主機執(zhí)行特定功能所傳下來的數(shù)據或從機響應查詢時需上傳的數(shù)據。其中數(shù)據可以是Modbus寄存器地址、數(shù)據量或數(shù)值，而數(shù)值可以是模擬量數(shù)值、開關量狀態(tài)、定值、時間值等。CRC校驗碼采用標準ModiconModbus協(xié)議中的16位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）算法，生成多項式為X15＋X13＋1，傳輸時低8位在前，高8位在后。從報文首字節(jié)（即地址域）到CRC碼之前的所有報文字節(jié)都參與CRC碼的計算。（2）監(jiān)控系統(tǒng)與BMS之間的通信監(jiān)控系統(tǒng)與BMS之間均直接通過以太網的方式連入交換機，也可以Modbus協(xié)議進行通信。

2．2監(jiān)控系統(tǒng)內部通信監(jiān)控系統(tǒng)內部采用以太網通信，通過交換機連接各個網絡節(jié)點。監(jiān)控系統(tǒng)內部各進程主要采用Socket和共享內存兩種通信方式。對于不需要同步阻塞操作的對象，采用讀寫效率更高的共享內存方式，而對于不同工作站／服務器之間或者要求同步阻塞操作的對象之間，采用Socket的方式進行通信。另外值得一提的是，所有Windows下運行高級應用對歷史數(shù)據庫進行操作時，均采用ADO的方式；其余所有服務均直接調用相應數(shù)據的SDK進行訪問。（1）共享內存共享內存是一種讀寫效率較高的方法，訪問共享內存區(qū)域和訪問進程獨有的內存區(qū)域一樣快，并不需要通過系統(tǒng)調用或者其它需要切入內核的過程來完成。同時它也避免了對數(shù)據的各種不必要的復制。在監(jiān)控系統(tǒng)中主要應用于實時數(shù)據庫及其外圍服務和前置系統(tǒng)等之間的通信。從本質上來說，實時數(shù)據庫就是一塊大的共享內存加上對讀寫接口的封裝等外圍服務。對于Windows下的共享內存，可以采用CreateFileMap-ping創(chuàng)建一個內存文件映射對象，CreateFileMapping這個API將創(chuàng)建一個內核對象，用于映射文件到內存。HANDLECreateFileMapping(HANDLEhFile,．．．．．．);這里，我們并不需要一個實際的文件，所以，hFile這個參數(shù)可以填寫INVALID＿HANDLE＿VALUE。然后調用MapViewOfFile映射到當前進程的虛擬地址上即可。一旦用完共享內存，再調用UnmapViewOfFile回收內存地址空間。對于Linux下，進程通過調用shmget（SharedMemoryGET，獲取共享內存）來分配一個共享內存塊。然后，要讓一個進程獲取對一塊共享內存的訪問，這個進程必須先調用shmat（SHaredMemoryAttach，綁定到共享內存）。將shmget返回的共享內存標識符SHMID傳遞給這個函數(shù)作為第一個參數(shù)。該函數(shù)的第二個參數(shù)是一個指針，指向您希望用于映射該共享內存塊的進程內存地址；如果您指定NULL則Linux會自動選擇一個合適的地址用于映射。第三個參數(shù)是一個標志位。調用shmctl（″SharedMemoryControl″，控制共享內存）函數(shù)會返回一個共享內存塊的相關信息，可以進行內存塊的釋放。（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)據傳輸，信息交換通過報文。被接收方收到信息可以通過socket的recv函數(shù)觸發(fā)，不像共享內存，一方將數(shù)據寫入，另一方須要不停地進行掃描操作才知道有沒有接收到信息。在監(jiān)控系統(tǒng)中，socket的通信主要應用于除實時庫和前置之前通信之外的所有通信，特別是不同高級應用間的通信，高級應用與系統(tǒng)進程間的通信等。Socket的通信模式為：打開－讀／寫－關閉。于此對應，socket提供了進行這幾步操作的對應接口。通信流程如下：1）調用socket()，用于創(chuàng)建一個socket描述符（socketde-scriptor），它唯一標識一個socket。2）調用bind()函數(shù)把一個地址族中的特定地址賦給socket。3）如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之后就會調用listen()來監(jiān)聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發(fā)出連接請求，服務器端就會接收到這個請求。4）TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就想TCP服務器發(fā)送了一個連接請求。TCP服務器監(jiān)聽到這個請求之后，就會調用accept()函數(shù)取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡I／O操作了，即類同于普通文件的讀寫I／O操作。5）調用I／O函數(shù)，如read()／write()，recvmsg()／sendmsg()。6）調用close()，關閉。但是這里close操作只是使相應socket描述字的引用計數(shù)－1，只有當引用計數(shù)為0的時候，才會觸發(fā)TCP客戶端向服務器發(fā)送終止連接請求。

3結束語

系統(tǒng)在實際儲能系統(tǒng)上的運行結果如下，紅色為風電場功率曲線，藍色為儲能系統(tǒng)功率曲線，綠色為注入電網的總功率：經過實際運行證明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功能性均達到預期要求，為風儲聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控應用和相關技術的進一步研究提供參考。目前，該系統(tǒng)已在工程現(xiàn)場投運，處于最后調試階段中。由于設備容量受限和相關理論技術尚未完善，系統(tǒng)的自動維護功能（包括各設備采集統(tǒng)計信息的校驗和自動糾錯）和儲能削峰填谷功能尚未開發(fā)完成，在以后的工作中，應當在這兩個方面進行進一步的研究。

作者：劉崇宇魏海坤劉海璇單位：復雜工程系統(tǒng)測量與控制教育部重點實驗室東南大學自動化學院中國電力科學研究院新能源研究所