1 引言
　　电力监控系统在确保系统安全运行中处于重要的地位，电力监控系统对系统的发电、输电、配电和用电各部分进行监视、分析、控制和操作，在监控系统的基础上可扩展为能量管理系统（EMS Energy Management System）。小型SCADA/EMS系统包括: 实时数字仿真器（RTDS Real Time Digital Simulator）模拟被控制的电力系统、编程逻辑控制器（PLC）和模拟远动单元（RTU）。
　　SCADA软件和通信协议之间的交互界面，经硬件接口和软件工具执行收据采集和控制。RTDS装置对一个小型电力系统进行仿真，其模拟和数字输出部分将有关电网参数的模（拟）/数（字）A/D信号采集，由PLC进行处理，送往SCADA数据库，在计算机显示屏幕实时显示。SCADA发出的控制信号，经过RTDS的输入装置，送到电力系统。RTDS装置现在已经应用在电网调度培训学习仿真模型。这里介绍具体设备是一个由S7-300型西门子编程逻辑控制器（PLC）和SCADA软件（WinCC）组合成的单一RTDS机架。为此本文分别对实时数字仿真器（RTDS）、编程逻辑控制器（PLC）、SCADA软件工具作论述和探讨。

2 实时数字仿真器（RTDS）
　　实时仿真器可以使用模拟技术或数字技术。实际上大部分模拟仿真器是由模拟部件和数字部件混合组成。是原来模拟技术的继承和发展，过去几十年一直沿用于电力系统研究的电网瞬态分析仪（TNA-Transient Network Analyzer）正是这样。模拟TNA事实上是电力系统的复制模型。仿真器包含若干分离模拟元件和实际电网条件匹配组合在一起。由于实际系统包括各种在高电压和强电流运行的线性和非线性元件，但仿真模型却代表这些元件在低电压和弱电流条件下的响应。其主要优点在于实时工作，对物理实验设备极为有用。因为电力系统的设置和调整非常复杂，模拟TNA一般只具备相对有限的电网模型。而专门设计的计算机硬件和软件组成的实时数字仿真器（RTDS）可以实现实时仿真电力系统电磁瞬态变化。
　　硬件方面采用大量浮点数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processor）组成的并行处理装置。RTDS的高速处理器选用NEC77240型处理器采用流水进程（Pipe-line）技术。（即在没有处理完上一条指令的情况下，可以预先提取下一条指令）同时执行大量操作。数字信号处理器（DSP）分别仿真独立电源系统和控制系统元件连接成的网络。每一DSP执行特定的计算处理任务，取决于用户选择的电网配置。采用并行处理因处理单元的增多，加大了系统容量。每一处理器的功能完全由软件定义，所以仿真工作时，可以执行不同的任务。全部数字信号处理器的工作时间和次序和主序时钟同步。保证计算操作和数据交换的精确配合。
　　系统具有一个大型电力系统元件库和非常友好的用户交互界面,对电力系统的研究和培训学习相当方便。和某些传统的非实时监控系统不同，RTDS可以直接和一些外部设备连接。
　　RTDS通常配置在单独机架上，通过制成印刷电路版的数字信号处理器在若干RTDS之间连接。在硬件配置方面可以按立体配线方法把4块电路版组合为机架。在Unix操作系统XII windows 管理窗口支持下的主计算机工作站负责RTDS和用户之间的通信。每一机架一般包括3块板卡: 纵列处理器卡（TPC Tandem Processor Card）、工作站界面卡（WIC Workstation Interface Card）、架间通信卡（IRC Inter-Rack Communication）。
每个RTDS机架内置18个TPC。每个TPC包括2个DSP（相应有内存，主板接口和输入/输出口 I/O），运算速度约44兆浮点次/秒（44 MFLOPS）。由于每个TPC完全相同，在任何仿真装置中，其功能全部由软件设定。为了减少外部数据交换和实现RTDS在测量，控制和保护设备之间互联，TPC均提供模拟/数字I/O口，每个TPC包括下列I/O部件：8个多量程模拟输出口（12 位 +/- 10 V）、2个模拟输入口（12 位 +/- 5V）、2个数字输入口（16位）、2个数字输出口（16位）。
　　WIC主要任务是执行TPC之间的一般通信（特定机架设置）以及机架和主计算机工作站之间的通信。在多个机架的仿真系统，用1块WIF卡提供全部机架的主时序时钟。使硬件方面采用大量浮点数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processor）组成的并行处理装置。RTDS的高速处理器选用NEC77240型处理器采用流水进程（Pipe-line）技术。（即在没有处理完上一条指令的情况下，可以预先提取下一条指令）同时执行大量操作。数字信号处理器（DSP）分别仿真独立电源系统和控制系统元件连接成的网络。每一DSP执行特定的计算处理任务，取决于用户选择的电网配置。采用并行处理因处理单元的增多，加大了系统容量。每一处理器的功能完全由软件定义，所以仿真工作时，可以执行不同的任务。全部数字信号处理器的工作时间和次序和主序时钟同步。保证计算操作和数据交换的精确配合。
　　系统具有一个大型电力系统元件库和非常友好的用户交互界面,对电力系统的研究和培训学习相当方便。和某些传统的非实时监控系统不同，RTDS可以直接和一些外部设备连接。
　　RTDS通常配置在单独机架上，通过制成印刷电路版的数字信号处理器在若干RTDS之间连接。在硬件配置方面可以按立体配线方法把4块电路版组合为机架。在Unix操作系统XII windows 管理窗口支持下的主计算机工作站负责RTDS和用户之间的通信。每一机架一般包括3块板卡: 纵列处理器卡（TPC Tandem Processor Card）、工作站界面卡（WIC Workstation Interface Card）、架间通信卡（IRC Inter-Rack Communication）。
每个RTDS机架内置18个TPC。每个TPC包括2个DSP（相应有内存，主板接口和输入/输出口 I/O），运算速度约44兆浮点次/秒（44 MFLOPS）。由于每个TPC完全相同，在任何仿真装置中，其功能全部由软件设定。为了减少外部数据交换和实现RTDS在测量，控制和保护设备之间互联，TPC均提供模拟/数字I/O口，每个TPC包括下列I/O部件：8个多量程模拟输出口（12 位 +/- 10 V）、2个模拟输入口（12 位 +/- 5V）、2个数字输入口（16位）、2个数字输出口（16位）。
　　WIC主要任务是执行TPC之间的一般通信（特定机架设置）以及机架和主计算机工作站之间的通信。在多个机架的仿真系统，用1块WIF卡提供全部机架的主时序时钟。使DSP的操作和时序严格同步。保证处理器I/O之间的运算和数据交换，精确配合。利用光纤把全部WIF卡连接到共用总线集线器(GBH Global Bus Hub)。WIF还可以提供到局域网（LAN）的100BaseT以太网通信。并具备IP地址可以联网。针对上述特殊硬件，开发以下软件: 图形用户界面(GUI)、汇编语言/操作系统、电力系统部件/处理方案。
　　借助软件用户可以进行运行操作和检索数据，在仿真作业的任何时间通过局域网（LAN）和电力系统交互操作。PSCAD用户图形交互界面是一种软件工具系列，包括若干单个模块，在RTDS整个运行中，完成各种具体任务: 文件管理器（FILE MANAGER）、方案设置（DRAFT）、运行时间（RUNTIME）、输电线路（T-LINE）、多重绘图（MULTIPLOT）。
　　文件管理模块代表PSCAD高层次管理功能，用户通过该模块进入图形驱动系统。作图模块为预处理模块，它生成电力系统电路，输入相应参数。运行时间（RUNTIME）模块完成RTDS的运行操作。根据情况设置1个或多个操作控制台，针对个别仿真事件进行下载，启动和控制作业。仿真运作时，用户可以利用图标和符号监视系统的各种参量。此外还可以利用按钮，滑动调节杆，开关等和系统作动态交互操作。多重绘图（MULTIPLOT）是PSCAD最完备的精密模块，用来分析和评测采集到的波形，按报告格式准备输出图形。RTDS汇编程序通过方案设置（DRAFT）模块将电路结构和参数转换为并行处理的数值信号代码，给各个数字信号处理器指定任务，按次序分配运算，形成实时运行。输电线路（T-LINE）模块执行输电线路数据输入操作。仿真设备根据电网规模和要求显示的详细程度不同由单机架或多机架组成。通常每个机架安装的6口的IRC卡可提供7个机架之间的通信。
　　使用RTDS时将利用两种相似的方法，观察系统参量。首先节点电压和分路电流通过模拟输出端口监视，其次用户使用PSCAD/RUNTIME（运行时间）软件，根据主计算机工作站的图标符号监视相应参量。效果完全一样。一般采用模拟信道的输出，监视节点电压和分路电流。从针式插头或同轴连接器得到模拟输出量。同轴连接器作为RTDS和电压/电流放大器之间的接口。如果将RTDS通过模拟信道和外部设备连接，数（字）/模（拟）A/D转换设备的直流信号（dc）在+/- 10 V之间。数字端口的配置取决于特定纵列处理器（TPC）定义的电力系统模型。如果处理器指定开关分断和合闸，即通过数字输入端口，从RTDS的物理设备接口，读入分/合闸指令。数字输出端口则提供开关分/合闸状态信息。数字输出端口5 V电压代表逻辑“1”; 0 V电压代表逻辑“0”。

3 编程逻辑控制器（PLC）
　　编程逻辑控制器（PLC）是功能比较简单的工业计算机，用来取代机械控制过程中的顺序继电器电路。其输入输出和RTU差不多。根据输入状态来决定输出的通或断。用户提供软件向其输入程序，控制器将给出预定的结果。
　　控制器可以和它所控制的远方机械‘交谈’。可以发送、接收和改变电压，从而进入模拟世界。最新的IEC 1131-3标准试图把PLC编程语言合并到一个国际标准之下。现代控制器采用阶梯图（LAD）、功能块图（FBD）、指令集（STL）和C++语言同时进行编程，它具有通信功能。利用分布控制网络时支持以太网，支持Modbus，Profibus等通信协议。
　　编程逻辑控制器（PLC）主要包括电源、CPU、存储装置以及接收、输入/输出数据的相应电路。实际上我们可以将它看作一个充满成百上千继电器、计数器、定时器和数据存储装置的盒子。它连续扫描输入端的程序，根据输入采取动作。使用 S7 PLC系列编程语言STEP 7。这种软件工程工具支持 IEC 61131-3语言的阶梯图逻辑，功能模块图和指令集。

4 SCADA软件
　　对于电网参量实时可视化监控，要求友好的人-机交互界面（MMI Man-Machine Interface）。西门子公司开发的Simatic WinCC等SCADA软件在国外比较流行。WinCC（Windows Control Center）视窗控制中心在流行的 Windows NT和Windows 2000操纵系统支持下完成电网的操作控制、处理、监视全部功能。用户可以监控电力系统的数字参数（开关）和模拟参数（母线电压、分路电流、有功和无功电量和负荷）。这些参量由RTDS装置实时仿真，采用PC机用作主站计算机。WinCC已经脱离特定专有领域，成为工业通用技术标准，可广泛用于生产和自动化过程处理的控制系统。它的图形显示，文本信息，存档和报告等功能模块已经成为工业部门广泛接受的事实标准。
　　WinCC使用的操作系统是一种抢先多任务操作系统，它保证对事件的快速反应和不丢失数据的高安全性。对WinCC多用户系统，Windows同样可以保证服务器的安全运行。WinCC软件本身也是32位应用程序具备比较新颖面向对象软件技术的特点。其功能模块介绍如下:
　　图形系统（图形生成器）作用是和集成对象以及图标库形成流水线配置。打开输入图形界面, 在动态求助引导的支持下，调整图形对象的动态特性。利用脚本描述文件手段，连接辅助功能和用户制作的图形对象。
　　行为编辑（Action editing）针对用户特殊要求，安排活动项目。编辑器允许用户创建自己定义的C函数，根据函数类型在项目全过程使用，也可以跨项目调用。
　　消息系统（报警日志）接收事件信息后相继进行准备、显示、判断和存档（按先后顺序）。
　　测量值存档和编辑（标签日志）编辑测量数值和面向用户数据并长期保存。
　　报告系统（报告生成器）提供综合报告系统，报告用户数据包括当前和存档的处理数值，当前和存档的消息和系统文件。
　　通信处理，负责大量控制器之间的联系。
　　标准界面，打开其他Windows应用程序集成工具(ODBC/SQL-面向对象数据库查询语言，Active X-网络多媒体编程语言，OLE-对象链接和嵌入，DDE-动态数据交换等)
　　程序界面，用于将个别访问WinCC数据和函数（C-API）工具集成到用户特定程序。
　　WinCC 的软件环境（控制中心）让用户只进行少量操作，就可以浏览整个应用程序和数据。和Windows的因特网浏览工具-Explorer非常类似。从单用户工作站到分布系统都能适用。
　　WinCC 的全面驱动界面，快速图象更新和安全存档功能，保证它有很高的可靠性。此外它的开放界面，更有利于用户的事务处理和问题解决。开放界面允许将WinCC 集成到复杂的全部企业业务处理自动化解决方案中。通过过程控制的对象链接和嵌入（OLE）标准OPC，WinCC 提供对不同种类的工业控制系统的整合和集成。对开放数据库的数据移动和表示，WinCC 采用微软标准，可以使用开放数据库互联（ODBC Open DataBase Connectivity）标准界面和SQL查询语言，访问系统数据库。利用OLE2.0和OLE自定义控制（OCX），实现对象和文件插入。WinCC很容易和微软著名的办公软件（Office）共享数据，诸如报表软件MS Excel，字处理软件MS Word，数据库软件 MS Access均可在电网监控系统的应用工具。
　　利用仿真模型分析电力系统中期或长期动态电磁和电动力瞬变现象，必须建立等效网络，保持原始网络的所需特征，所以RTDS只仿真实际电网的局部。若使用的RTDS装置，只有1个机架来仿真的电力系统为3相平衡辐射型电网，其系统结构框图入图1所示:

RTDS的控制装置将电压和电流波形的瞬时值转换为RMS电流表指示值，供逻辑控制器读取。来自PLC的数字信号，作用于外部继电器，通过继电器接点，发出对断路器的分/合闸指令。当转换开关计算分路电流为“0”值，实际代表电路立即断开。因为电网处于稳定对称状态，通常只测量和显示单相参数。
　　这里所采用的控制器通常包含1块8路数字输入和输出卡以及2块8路模拟输入卡。WinCC和PLC S-300之间的通信采用西门子MPI协议。如果需要量增加，应该将控制器联网，集成为SCADA/EMS系统，就有必要采用Profibus协议。
　　为了通过WinCC显示电网变量，在STEP 7中编写把来自和送往控制器的输入/输出（I/O）的数/模（D/A）信号进行加工处理。任何电网变量不再有RTDS处理而改由STEP 7程序处理。为了避免模拟输出波形的畸变和饱和，引入数值范围因数，限制送往RTDS模拟输出通道的内部数据不超过数/模转换器（D/A）的允许容量。
　　无源电感负荷表示如图2所示(电阻 10,电感0.1 H):

3相断路器由SCADA软件控制。测量参量如表 1 所示。通过Active X执行作业。测量仪表对应表 1所示的元件。

5 结论
　　本文介绍了国外最近开发的将RTDS和远动装置（RTU）、编程逻辑控制器（PLC）、SCADA软件工具组合用于仿真电力系统。系统使用的控制器 Simatic S7-300与西门子开发的WinCC软件包、流行的控制器及商业软件包兼容，完全可以用相应设备和软件工具替代。RTDS正在进一步向大型仿真电网方向发展。控制器通信网络推广采用Profibus、Modbus等流行的通信协议，更进一步集成发电自动控制（AGC -Automation Generation Control）和状态评测（State Estimation），使RTDS采集获得电网结构和类型信息，更加强化其功能和应用