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摘 要：本文结合智能变电站技术规范对辅助监控系统的要求，进行了智能变电站辅助监控系统一体化功能设计和监控软件设计，定义了系统的框架结构，重点对网省级主站软件、站级主站软件、信息交互机制、数据模型的设计进行了详细的阐述，本软件已在多个实际的变电站监控系统工程中得到成功应用。
关键词：智能变电站辅助监控系统；软件设计；跨平台；消息交互机制；数据模型
中图分类号：TP319；TM769 文献标识码：A
Abstract：This paper gives the integrated function design and software design of auxiliary SCADA system used in smart substation combined with the technical specification of auxiliary SCADA for smart substation，defines the system structure，and also focus on the design of province level SCADA software，substation level SCADA software，mechanism of information exchange，data model etc，related technical details is discussed，the software has been successfully applied in several smart substation SCADA projects.
Keywords：auxiliary SCADA system in smart substation；software design；cross different OS platform；mechanism of message
exchange；data model
1 引言（Introduction）
智能变电站是智能电网的重要基础节点，通过配置监控系统（SCADA），实现了全站“四遥”及继电保护信息的监视与控制、信息远传，为保障变电站的安全运行发挥了重要作用[1]。除此之外，在变电站还部署视频监控系统、动力环境监测系统、空调通风系统、给排水系统、火灾自动报警及消防系统等辅助生产系统[2-4]，目前这些系统依然是各自独立、分散的小型自动化装置，未实现多维度变电站运行及监测信息的智能集成应用，这些零散的信息往往需要耗费变电站运行值班人员更多的精力来关注、理解和处理，导致这些孤立的小系统普遍存在实用化程度不高的问题。随着智能变电站技术不断发展，信息集成度及智能综合应用要求逐步提高，为适应“远程、无人值班”的变电站智能运维管理需求，有必要整合变电站现有的分散安装配置的辅助生产小系统，构建统一的智能变电站辅助监控系统。国家电网公司颁布了相应的技术规范[5，6]，明确要求在智能变电站新建和改造站建设中摈弃原有的分散建设模式，采用统一的智能变电站辅助监控系统模式，该系统和变电站原有的SCADA系统协同工作，实现变电站信息的全息监控。
本文将在分析智能变电站辅助监控系统各子系统业务需求的基础上，结合智能变电站相关技术规范要求，本着“数据集成、智能分析、综合决策、可视操控”的设计理念，进行智能变电站辅助监控系统一体化功能设计和监控系统软件设计。
2 功能设计（Function design）
智能变电站辅助监控系统主要完成：视频监控、动力环境监控、安全防卫、智能门禁、火灾报警及消防等功能，通过对这些变电站辅助功能的整合、优化及管理，运用在线监测、智能预警、联动控制等技术手段，和变电站SCADA系统协同工作，共同实现智能变电站的安全稳定运行。
为实现上述综合型智能变电站辅助监控系统功能，需要进行下列集成方式功能设计。
（1）全景信息收集与建模
高度集成变电站内所有辅助生产小系统，实现对变电站多方位、全天候的状态监视。通过对不同来源的数据和数据类型进行统一建模、提供标准数据访问服务，为辅助生产设备及变电站运行环境提供完备的全景信息库。
（2）全景数据共享、集中管理、统一处理
对变电站的所有视频、环境、安防、人员出入、火灾报警、设备状态、操作记录等数据信息进行统一存储、管理，并自动分析处理，生成日志、曲线、报表等，所有信息在监控系统进行一体化综合展示，并可远传到监控中心或运维中心。
（3）远程监视
远程监视功能以摄像机的远程轮巡监看方式来代替人员的日常现场巡视。在监视设备外观的同时，该设备的在线监测数据、状态信息、周围环境信息可自动跟踪显示，并自动生成日常巡视表，注明巡视的变电站、巡视时间、巡视人员等相关信息。
（4）远程控制
监控人员在远方的监控中心通过客户端或浏览器可对变电站的设备进行远程操作，可远程启动或关闭空调、风机、排水系统、灯具、摄像机等设备。
（5）智能分析及联动调控
变电站智能辅助控制系统以“智能调控”为核心，对影响变电站运行的因素进行全方位、多手段的实时联网监测。通过数据共享和智能分析，自动判断出各类异常情况，并可灵活实现各辅助生产系统间的协调联动，消除异常情况造成的影响。智能辅助控制系统可以和变电站SCADA系统进行标准方式的信息交互，为变电站智能运行调度提供保障。
3 系统结构（System architecture）
智能变电站辅助控制系统设计采用分层、分区的分布式结构，按省级主站系统、地区级主站系统和站端系统三级构建，各级系统间的信息传输采用标准以太网方式。地区级主站集中管理所辖地区的所有变电站的辅助监控信息，同时与省级主站进行信息交互；在省级主站可以集中查看、管理全省所有变电站的运行状况。网省级主站系统安装部署于省电力公司监控运维中心，整体结构如图1所示。 安装部署于变电站内的站端系统主要由系统后台主机、传输设备、综合数据接入设备、各类辅助生产系统电子设备组成，如图2所示。
变电站智能辅助控制系统后台主机采用X86架构的嵌入式工业计算机，Linux操作系统。通过安装在主机上的监控服务软件，实现辅助控制系统的所有功能；综合数据接入设备具有数据采集和协议转换的功能。该装置提供多路RS485接口、4-20mA电流环接口、开关量输入输出接口、以太网通信接口，在完成数据采集的同时，将各类信息转换为IEC 61850协议。整个系统以后台主机为核心，完成对各类系统的高度整合。在维持现有各子系统相对独立运行和自动闭环控制的前提下，后台主机以标准的IEC 61850协议和各子系统保持通信，通过与各子系统交互实现对变电站现场视频及其它其他各种生产信息的采集、处理、监控。
4 软件设计（Software design）
4.1 网省端主站软件
网省级主站软件系统采用层次化、模块化的结构和面向对象的设计思想。在数据库设计方面，采用分布式数据库技术，提供大容量、高效率数据吞吐访问；在高速实时数据访问方面，采用可适应不同网络环境的流媒体转发技术，并灵活支持单播、广播、组播等方式；在客户端交互方面，采用电子地图技术，方便使用者监视及操控；在数据接口方面，提供C/S、B/S访问方式，实现不同厂家的前端系统与其它其他系统的信息交互。
4.2 站端软件
站端监控软件系统包括前端系统和后端系统两部分组成，两者通过网络方式可集中或者分散两种方式灵活部署，前端客户端系统与后端服务系统采用松耦合架构设计，信息交互采用面向服务方式，如图3所示。
前端客户端软件完成系统配置、设备控制、实时查看、历史浏览等用户界面交互功能。前端系统既可以安装在辅控主机内，也可以安装在其他的PC上。
后端服务软件完成与外围设备连接、数据采集、日志记录与客户端通信等核心功能；服务端软件安装于辅控主机内，主机启动后自动运行。
客户端与服务端可以完全分开单独安装在独立的机器上运行，一个服务端可以被多个客户端连接，一个客户端也可以分别与不同的服务端连接。
后端软件以服务的形式向前端软件提供调用接口，通信过程采用IEC 61850信息模型进行数据映射。
4.3 信息交互机制
本软件系统的不同模块间的信息交互采用了分布式的订阅/发布机制，各软件模块通过公用信息总线进行信息交换，数据交换格式为XML格式，对敏感数据的交换，采用SSL技术进行数据加密。
系统信息总线提供三大类数据访问服务：数据获取（GET）服务、数据推入（PUT）服务、消息（EVENT）总线服务。
（1）数据查询服务：可以对设备实时数据和历史数据进行查询，也支持设备配置信息的查询。
（2）数据推入服务：可以完成设备配置更新、修改服务，也可完成设备反向控制功能。
（3）消息总线服务：可以完成报警信息的分级订阅，信息实时发布功能。
4.4 数据模型
变电站辅助监控系统涉及到若干不同厂家的IED设备，为了便于适配接入各类设备和各厂家的设备，本系统抽象了通用设备模型：任何一个设备都可以抽象成一个数值集、状态集、动作集、表现集。
（1）数值集是数值的集合，描述一个数值最基本的包含数值类型、单位、范围等。类似模拟量定义。一个数值集可包括数值子集来代表各个通道的数值。
（2）状态集是状态的集合，描述一个状态最基本的包含状态值、含义、文本描述。一个状态集可包括状态子集来代表各个通道的状态。
（3）动作集是动作的集合，描述一个动作最基本的包含动作值、含义、文本描述。一个动作集可包括动作子集来代表各个通道的动作。
（4）表现集是呈现方式的集合，描述一个呈现方式最基本的包含图标、图标与状态动作的对应关系。
一个设备的配置、控制、展现基本过程为：通过客户端界面配置设备属性，形成通用设备描述文件；服务端根据配置动态创建设备模型，保存到配置数据库中；服务端再根据配置连接设备总线、实时采集或控制设备、存储数值集合内容到实时数据库；服务端更新设备状态；客户端根据设备状态和表现集更新设备显示状态。
4.5 开发语言
考虑到变电站监控系统运行环境的操作系统可能是Windows、Linux、Unix等，系统软件需要具备跨平台技术特性，为实现跨异构平台的无缝可移植运行，软件开发采用了QT和C/C 语言
客户端软件采用QT语言[7，8]开发，既可以保证软件跨平台运行又能保证软件运行实时高效。由于采用了面向服务的架构，客户端还支持采用Web语言开发，如JavaScript和HTML5来实现。
服务端软件采用符合POSIX规范的标准C/C 语言开发。按照业务模型，采用了分层分模块设计思路，每个模块由独立的服务进程完成。
4.6 界面设计
智能变电站辅助监控系统软件的界面风格采用了变电站SCADA系统的相似风格，如界面功能区布局、色调搭配、告警信息产生及确认方式等，这样可以便于两套系统的无缝集成应用，也降低了本软件系统的应用难度，软件主界面如图4所示。
5 结论（Conclusion）
本文结合现阶段智能变电站监控系统技术规范要求，实现了变电站辅助监控系统的集成化设计，高度整合变电站所有辅助生产子系统，除了强调各个子系统之间的信息共享和信息互动之外，还在多个维度与其他系统进行信息整合，纵向与网省级主站的信息交互，横向与变电站自动化系统（SCADA系统）的信息交互、信息互动，满足智能变电站技术发展对辅助生产系统的设计及运行要求，本软件系统已在河南电网多个智能变电站自动化系统中得到成功应用，有效提升了智能变电站的技术及运维管理水平。
参考文献（References）
[1] 许伟国，等.110kV大侣智能变电站自动化系统的设计与应用[J].电气技术，2011（12）：32-36.
[2] 梅鲁海，等.基于SIP的新型变电站视频监控系统设计[J].电力系统自动化，2010，34（3）：66-69.
[3] 郝福忠，等.变电站辅助设施与环境监控系统设计及实现[J].电气自动化，2011，33（4）：46-49.
[4] 高建勋，等.变电站视频及环境监控系统在SCADA系统中的应用[J].电力系统通信，2011，32（10）：39-44.
[5] 国家电网公司.智能变电站辅助系统综合监控平台技术规范[M].企业标准.
[6] 国家电网公司.智能变电站一体化监控系统功能规范[M].企业标准.
[7] 高建勋，等.Qt/Embedded及嵌入式Linux在智能监控系统控制中的应用[J].计算机应用，2010，30（S1）：289-291.
[8] 陈杰，等.基于ARM的智能鱼缸控制系统的设计与实现[J].软件工程师，2013，（8）：44-46.
作者简介：
苏陆军（1980-），男，本科，工程师.研究领域：电力系统自动化.
魏 勇（1973-），男，硕士，高级工程师.研究领域：电力系统自动化.
杨东海（1973-），男，本科，高级工程师.研究领域：电力系统自动化.
褚琼楠（1984-），男，本科，工程师.研究领域：电力系统自动化.
王艺智（1973-），男，本科，工程师.研究领域：电力系统自动化.
关键词：智能变电站辅助监控系统；软件设计；跨平台；消息交互机制；数据模型
中图分类号：TP319；TM769 文献标识码：A
Abstract：This paper gives the integrated function design and software design of auxiliary SCADA system used in smart substation combined with the technical specification of auxiliary SCADA for smart substation，defines the system structure，and also focus on the design of province level SCADA software，substation level SCADA software，mechanism of information exchange，data model etc，related technical details is discussed，the software has been successfully applied in several smart substation SCADA projects.
Keywords：auxiliary SCADA system in smart substation；software design；cross different OS platform；mechanism of message
exchange；data model
1 引言（Introduction）
智能变电站是智能电网的重要基础节点，通过配置监控系统（SCADA），实现了全站“四遥”及继电保护信息的监视与控制、信息远传，为保障变电站的安全运行发挥了重要作用[1]。除此之外，在变电站还部署视频监控系统、动力环境监测系统、空调通风系统、给排水系统、火灾自动报警及消防系统等辅助生产系统[2-4]，目前这些系统依然是各自独立、分散的小型自动化装置，未实现多维度变电站运行及监测信息的智能集成应用，这些零散的信息往往需要耗费变电站运行值班人员更多的精力来关注、理解和处理，导致这些孤立的小系统普遍存在实用化程度不高的问题。随着智能变电站技术不断发展，信息集成度及智能综合应用要求逐步提高，为适应“远程、无人值班”的变电站智能运维管理需求，有必要整合变电站现有的分散安装配置的辅助生产小系统，构建统一的智能变电站辅助监控系统。国家电网公司颁布了相应的技术规范[5，6]，明确要求在智能变电站新建和改造站建设中摈弃原有的分散建设模式，采用统一的智能变电站辅助监控系统模式，该系统和变电站原有的SCADA系统协同工作，实现变电站信息的全息监控。
本文将在分析智能变电站辅助监控系统各子系统业务需求的基础上，结合智能变电站相关技术规范要求，本着“数据集成、智能分析、综合决策、可视操控”的设计理念，进行智能变电站辅助监控系统一体化功能设计和监控系统软件设计。
2 功能设计（Function design）
智能变电站辅助监控系统主要完成：视频监控、动力环境监控、安全防卫、智能门禁、火灾报警及消防等功能，通过对这些变电站辅助功能的整合、优化及管理，运用在线监测、智能预警、联动控制等技术手段，和变电站SCADA系统协同工作，共同实现智能变电站的安全稳定运行。
为实现上述综合型智能变电站辅助监控系统功能，需要进行下列集成方式功能设计。
（1）全景信息收集与建模
高度集成变电站内所有辅助生产小系统，实现对变电站多方位、全天候的状态监视。通过对不同来源的数据和数据类型进行统一建模、提供标准数据访问服务，为辅助生产设备及变电站运行环境提供完备的全景信息库。
（2）全景数据共享、集中管理、统一处理
对变电站的所有视频、环境、安防、人员出入、火灾报警、设备状态、操作记录等数据信息进行统一存储、管理，并自动分析处理，生成日志、曲线、报表等，所有信息在监控系统进行一体化综合展示，并可远传到监控中心或运维中心。
（3）远程监视
远程监视功能以摄像机的远程轮巡监看方式来代替人员的日常现场巡视。在监视设备外观的同时，该设备的在线监测数据、状态信息、周围环境信息可自动跟踪显示，并自动生成日常巡视表，注明巡视的变电站、巡视时间、巡视人员等相关信息。
（4）远程控制
监控人员在远方的监控中心通过客户端或浏览器可对变电站的设备进行远程操作，可远程启动或关闭空调、风机、排水系统、灯具、摄像机等设备。
（5）智能分析及联动调控
变电站智能辅助控制系统以“智能调控”为核心，对影响变电站运行的因素进行全方位、多手段的实时联网监测。通过数据共享和智能分析，自动判断出各类异常情况，并可灵活实现各辅助生产系统间的协调联动，消除异常情况造成的影响。智能辅助控制系统可以和变电站SCADA系统进行标准方式的信息交互，为变电站智能运行调度提供保障。
3 系统结构（System architecture）
智能变电站辅助控制系统设计采用分层、分区的分布式结构，按省级主站系统、地区级主站系统和站端系统三级构建，各级系统间的信息传输采用标准以太网方式。地区级主站集中管理所辖地区的所有变电站的辅助监控信息，同时与省级主站进行信息交互；在省级主站可以集中查看、管理全省所有变电站的运行状况。网省级主站系统安装部署于省电力公司监控运维中心，整体结构如图1所示。 安装部署于变电站内的站端系统主要由系统后台主机、传输设备、综合数据接入设备、各类辅助生产系统电子设备组成，如图2所示。
变电站智能辅助控制系统后台主机采用X86架构的嵌入式工业计算机，Linux操作系统。通过安装在主机上的监控服务软件，实现辅助控制系统的所有功能；综合数据接入设备具有数据采集和协议转换的功能。该装置提供多路RS485接口、4-20mA电流环接口、开关量输入输出接口、以太网通信接口，在完成数据采集的同时，将各类信息转换为IEC 61850协议。整个系统以后台主机为核心，完成对各类系统的高度整合。在维持现有各子系统相对独立运行和自动闭环控制的前提下，后台主机以标准的IEC 61850协议和各子系统保持通信，通过与各子系统交互实现对变电站现场视频及其它其他各种生产信息的采集、处理、监控。
4 软件设计（Software design）
4.1 网省端主站软件
网省级主站软件系统采用层次化、模块化的结构和面向对象的设计思想。在数据库设计方面，采用分布式数据库技术，提供大容量、高效率数据吞吐访问；在高速实时数据访问方面，采用可适应不同网络环境的流媒体转发技术，并灵活支持单播、广播、组播等方式；在客户端交互方面，采用电子地图技术，方便使用者监视及操控；在数据接口方面，提供C/S、B/S访问方式，实现不同厂家的前端系统与其它其他系统的信息交互。
4.2 站端软件
站端监控软件系统包括前端系统和后端系统两部分组成，两者通过网络方式可集中或者分散两种方式灵活部署，前端客户端系统与后端服务系统采用松耦合架构设计，信息交互采用面向服务方式，如图3所示。
前端客户端软件完成系统配置、设备控制、实时查看、历史浏览等用户界面交互功能。前端系统既可以安装在辅控主机内，也可以安装在其他的PC上。
后端服务软件完成与外围设备连接、数据采集、日志记录与客户端通信等核心功能；服务端软件安装于辅控主机内，主机启动后自动运行。
客户端与服务端可以完全分开单独安装在独立的机器上运行，一个服务端可以被多个客户端连接，一个客户端也可以分别与不同的服务端连接。
后端软件以服务的形式向前端软件提供调用接口，通信过程采用IEC 61850信息模型进行数据映射。
4.3 信息交互机制
本软件系统的不同模块间的信息交互采用了分布式的订阅/发布机制，各软件模块通过公用信息总线进行信息交换，数据交换格式为XML格式，对敏感数据的交换，采用SSL技术进行数据加密。
系统信息总线提供三大类数据访问服务：数据获取（GET）服务、数据推入（PUT）服务、消息（EVENT）总线服务。
（1）数据查询服务：可以对设备实时数据和历史数据进行查询，也支持设备配置信息的查询。
（2）数据推入服务：可以完成设备配置更新、修改服务，也可完成设备反向控制功能。
（3）消息总线服务：可以完成报警信息的分级订阅，信息实时发布功能。
4.4 数据模型
变电站辅助监控系统涉及到若干不同厂家的IED设备，为了便于适配接入各类设备和各厂家的设备，本系统抽象了通用设备模型：任何一个设备都可以抽象成一个数值集、状态集、动作集、表现集。
（1）数值集是数值的集合，描述一个数值最基本的包含数值类型、单位、范围等。类似模拟量定义。一个数值集可包括数值子集来代表各个通道的数值。
（2）状态集是状态的集合，描述一个状态最基本的包含状态值、含义、文本描述。一个状态集可包括状态子集来代表各个通道的状态。
（3）动作集是动作的集合，描述一个动作最基本的包含动作值、含义、文本描述。一个动作集可包括动作子集来代表各个通道的动作。
（4）表现集是呈现方式的集合，描述一个呈现方式最基本的包含图标、图标与状态动作的对应关系。
一个设备的配置、控制、展现基本过程为：通过客户端界面配置设备属性，形成通用设备描述文件；服务端根据配置动态创建设备模型，保存到配置数据库中；服务端再根据配置连接设备总线、实时采集或控制设备、存储数值集合内容到实时数据库；服务端更新设备状态；客户端根据设备状态和表现集更新设备显示状态。
4.5 开发语言
考虑到变电站监控系统运行环境的操作系统可能是Windows、Linux、Unix等，系统软件需要具备跨平台技术特性，为实现跨异构平台的无缝可移植运行，软件开发采用了QT和C/C 语言
客户端软件采用QT语言[7，8]开发，既可以保证软件跨平台运行又能保证软件运行实时高效。由于采用了面向服务的架构，客户端还支持采用Web语言开发，如JavaScript和HTML5来实现。
服务端软件采用符合POSIX规范的标准C/C 语言开发。按照业务模型，采用了分层分模块设计思路，每个模块由独立的服务进程完成。
4.6 界面设计
智能变电站辅助监控系统软件的界面风格采用了变电站SCADA系统的相似风格，如界面功能区布局、色调搭配、告警信息产生及确认方式等，这样可以便于两套系统的无缝集成应用，也降低了本软件系统的应用难度，软件主界面如图4所示。
5 结论（Conclusion）
本文结合现阶段智能变电站监控系统技术规范要求，实现了变电站辅助监控系统的集成化设计，高度整合变电站所有辅助生产子系统，除了强调各个子系统之间的信息共享和信息互动之外，还在多个维度与其他系统进行信息整合，纵向与网省级主站的信息交互，横向与变电站自动化系统（SCADA系统）的信息交互、信息互动，满足智能变电站技术发展对辅助生产系统的设计及运行要求，本软件系统已在河南电网多个智能变电站自动化系统中得到成功应用，有效提升了智能变电站的技术及运维管理水平。
参考文献（References）
[1] 许伟国，等.110kV大侣智能变电站自动化系统的设计与应用[J].电气技术，2011（12）：32-36.
[2] 梅鲁海，等.基于SIP的新型变电站视频监控系统设计[J].电力系统自动化，2010，34（3）：66-69.
[3] 郝福忠，等.变电站辅助设施与环境监控系统设计及实现[J].电气自动化，2011，33（4）：46-49.
[4] 高建勋，等.变电站视频及环境监控系统在SCADA系统中的应用[J].电力系统通信，2011，32（10）：39-44.
[5] 国家电网公司.智能变电站辅助系统综合监控平台技术规范[M].企业标准.
[6] 国家电网公司.智能变电站一体化监控系统功能规范[M].企业标准.
[7] 高建勋，等.Qt/Embedded及嵌入式Linux在智能监控系统控制中的应用[J].计算机应用，2010，30（S1）：289-291.
[8] 陈杰，等.基于ARM的智能鱼缸控制系统的设计与实现[J].软件工程师，2013，（8）：44-46.
作者简介：
苏陆军（1980-），男，本科，工程师.研究领域：电力系统自动化.
魏 勇（1973-），男，硕士，高级工程师.研究领域：电力系统自动化.
杨东海（1973-），男，本科，高级工程师.研究领域：电力系统自动化.
褚琼楠（1984-），男，本科，工程师.研究领域：电力系统自动化.
王艺智（1973-），男，本科，工程师.研究领域：电力系统自动化.