變電站綜合自動化通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)論文
摘 要： 本文論述了一種變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。該通信系統(tǒng)具有信息傳送效率高，安全、可靠性好，可擴展性強的特點。通信軟件應(yīng)用RTOS開發(fā)平臺，采用先進的、標準的和成熟的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的開放性、可擴充性等相關(guān)問題，并已成功應(yīng)用于多家變電站。
關(guān)鍵詞： 變電站綜合自動化 通信網(wǎng) 接口 實時多任務(wù)操作系統(tǒng)
0.引言
變電站是輸配電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，是電網(wǎng)的主要監(jiān)控點。近年來，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，電壓等級和電網(wǎng)復(fù)雜程度也大大的提高。傳統(tǒng)變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備已無法滿足降低變電站造價和提高變電站安全與經(jīng)濟運行水平這兩方面的要求。
而現(xiàn)在變電站所采用的綜合自動化技術(shù)是將站內(nèi)繼電保護，監(jiān)控系統(tǒng)，信號采集，遠動系統(tǒng)等結(jié)合為一個整體，使硬件資源共享，用不同的模式軟件來實現(xiàn)常規(guī)設(shè)備的各種功能。用局域網(wǎng)來代替電纜，用主動模式來代替常規(guī)設(shè)備的被動模式。具有可靠、安全、便于維護等特點。
分散分層分布式是變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向，這就對通信的可靠性提出了更高的要求，選擇一個可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是解決問題關(guān)鍵。90年代中期，國內(nèi)外曾掀起一場“現(xiàn)場總線熱”，但是由于技術(shù)上的原因以及采用設(shè)備總線時信息量大且傳輸較慢的特點，造成了現(xiàn)場總線存在多種標準，阻礙了其發(fā)展。以太網(wǎng)經(jīng)過若干年的發(fā)展，技術(shù)上日臻成熟。隨著嵌入式以太網(wǎng)微處理器的發(fā)展，以太網(wǎng)已十分便利的應(yīng)用于變電站綜合自動化系統(tǒng)。以太網(wǎng)具有高速、可靠、安全、靈活的特點，使其在變電站綜合自動化系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。
1.變電站通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
從圖上可以看出：
1）管理和控制一體化局域網(wǎng)將無可爭議地選用以太網(wǎng)。
2）間隔級控制總線在FF-H2總線尚未成熟的情況下，工業(yè)級以太網(wǎng)和Profibus MMS（Manufacturing Messageing Specification制造廠信息規(guī)范）將是一個比較好的選擇。
3）可編程邏輯控制器PLC被發(fā)展成PCC(Programable computer controller),即用智能模塊實現(xiàn)邏輯及自動控制功能，它比常規(guī)的PLC具有可交流采樣、通訊組態(tài)方便等優(yōu)點。
2.變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)的基本設(shè)計原則
通信在變電站綜合自動化占有重要的地位。其內(nèi)容包括當?shù)夭杉刂茊卧c變電站監(jiān)控管理層之間的通信，變電站當?shù)嘏c遠方調(diào)度中心之間的通信。系統(tǒng)通訊網(wǎng)架的設(shè)計是十分關(guān)鍵的，本文從以下方面考慮變電自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)的設(shè)計：
1）電力系統(tǒng)的連續(xù)性和重要性，通訊網(wǎng)的可靠性是第一位的。
2）系統(tǒng)通訊網(wǎng)應(yīng)能使通訊負荷合理分配，保證不出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象，保證通訊負荷不過載，應(yīng)采用分層分布式通訊結(jié)構(gòu)。此外應(yīng)對站內(nèi)通訊網(wǎng)的信息性能合理劃分，根據(jù)數(shù)據(jù)的特征是要求實時的，還是沒有實時性要求以及實時性指標的高低進行處理。另外系統(tǒng)通信網(wǎng)設(shè)計應(yīng)滿足組合靈活，可擴展性好，維修調(diào)試方便的要求。
3）應(yīng)盡量采用國際標準的通信接口，技術(shù)上設(shè)計原則是兼容目前各種標準的通信接口，并考慮系統(tǒng)升級的方便。
4）應(yīng)考慮針對不同類型的變電所的實際情況和具體特點，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是 靈活多樣的且具有延續(xù)性。
5）系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用符合國際標準的通信協(xié)議和通信規(guī)約。
6）對于通信媒介的選用，設(shè)計原則是在技術(shù)要求上支持采用光纖，但實際工程中也考慮以屏蔽電纜為主要的通信媒介。
7）為加速產(chǎn)品的開發(fā)，保持對用戶持續(xù)的軟件支持，對用戶提出的建議及要求的快速響應(yīng)，就要求擺脫小作坊式的軟件開發(fā)模式，使軟件開發(fā)從“小作坊階段”進入“大生產(chǎn)階段”， 采用先進的通信處理器軟件開發(fā)平臺實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS并開發(fā)應(yīng)用與其之上的通信軟件平臺。
3.通信網(wǎng)的軟硬件安裝
3.1.硬件的選擇
為了保證通信網(wǎng)的可靠性，通信網(wǎng)構(gòu)成芯片必須保證在工業(yè)級以上，以滿足濕度、溫度和電磁干擾等環(huán)境要求。通訊CPU采用摩托羅拉公司或西門子公司的工控級芯片，通訊介質(zhì)選擇屏蔽電纜或光纖。
3.2. 接口程序
采用國際標準的通信接口，技術(shù)上設(shè)計原則是兼容目前各種標準的通信接口，并考慮系統(tǒng)升級的方便。裝置通信CPU除保留標準的`RS232/485口用于系統(tǒng)調(diào)試維護外，其它各種接口采用插板式結(jié)構(gòu)，設(shè)計支持以下三類共七種方式：標準RS485接口，考慮雙絞線總線型和光纖星型耦合型；標準 Profibus FMS 接口，考慮雙絞線總線型、光纖環(huán)網(wǎng)、光纖冗余雙環(huán)網(wǎng)；標準Ethernet ，考慮雙絞線星型和光纖星型（通信管理單元考慮以上兩種類型的雙冗余配置）。
3.3. 通信協(xié)議和通信規(guī)約
系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用符合國際標準的通信協(xié)議和通信規(guī)約，應(yīng)建立符合變電站綜合自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機間的網(wǎng)絡(luò)通訊，根據(jù)變電站自動化系統(tǒng)的實際要求，在保證可靠性及功能要求的基礎(chǔ)上，盡量注意開放性及可擴充性，并且所選擇的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有一定的技術(shù)先進性和通用性，盡量靠國際標準。長期以來，不同的變電站監(jiān)控系統(tǒng)采用不同的通信協(xié)議和通信規(guī)約，如何實現(xiàn)不同系統(tǒng)的互連和信息共享成為一個棘手的問題，應(yīng)采用規(guī)范化、符合國際標準的通信協(xié)議和規(guī)約。為此在系統(tǒng)中選用了應(yīng)用于RS485網(wǎng)絡(luò)的IEC61870-5-103規(guī)約、應(yīng)用于Profibus 的MMS行規(guī)以及應(yīng)用于TCP/IP上的MMS行規(guī)。它們都具有可靠性、可互操作性、安全性、靈活性等特點。
4.通信軟件的設(shè)計與實現(xiàn)
通信軟件的設(shè)計涉及到多種設(shè)備的配合問題，本文只以DF3003變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)為例，介紹變電站綜合自動化系統(tǒng)通信軟件設(shè)計與運行原理。
4.1. 軟件功能與運行原理
在DF3003變電站綜合自動化系統(tǒng)中，采用二級分層分布式網(wǎng)絡(luò)。針對110KV中壓變電站的要求，我們可采取圖2所示的組網(wǎng)方式。后臺與主站都是一種監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能為監(jiān)視各智能單元的運行狀態(tài)，并能對各智能單元進行控制。而監(jiān)控系統(tǒng)為完成其主要功能所需要的各種數(shù)據(jù)都是由通訊轉(zhuǎn)換器DF3211或保護管理單元DF3210來提供的。因此，從數(shù)據(jù)流控制的角度來看，通訊程序主要完成智能單元運行狀態(tài)信息的上報和監(jiān)控系統(tǒng)控制信息的下發(fā)兩種功能。智能單元的運行狀態(tài)信息一般包括遙測數(shù)據(jù)、遙信數(shù)據(jù)、電度數(shù)據(jù)、突發(fā)數(shù)據(jù)等。監(jiān)控系統(tǒng)的控制信息則包括遙控命令、對時命令、查詢命令等。本文中的變電自動化系統(tǒng)通訊程序所要完成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與函數(shù)過程如圖3所示。
4.2. 軟件開發(fā)平臺——RTOS
隨著應(yīng)用的復(fù)雜化，對控制精度、智能化程度的要求越來越高，一個微處理器往往要同時完成很多任務(wù)。體現(xiàn)在變電站自動化通信產(chǎn)品中，由于信息采集量越來越大，信息交換越來越頻繁，簡單地用單一任務(wù)來輪詢，往往造成通信的“瓶頸”現(xiàn)象，如保護和測量設(shè)備采集到的實時信息無法及時向上傳遞。多任務(wù)編程的特點是：程序在功能上以任務(wù)的形式存在，
各個任務(wù)之間相對獨立，可通過操作系統(tǒng)提供的資源，進行任務(wù)間的信息交換和相互控制，可通過優(yōu)先級、時間片來控制各任務(wù)執(zhí)行的順序。多任務(wù)編程的特點打破了傳統(tǒng)軟件順序執(zhí)行的框架，便于程序的系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試及維護。實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）是面向21世紀嵌入式設(shè)計的基礎(chǔ)和標準開發(fā)平臺。高性能軟件開發(fā)平臺可以使嵌入式軟件程序的開發(fā)進入規(guī)�；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。有了高性能開發(fā)平臺，可以極大的提高軟件開發(fā)的效率，RTOS體現(xiàn)了一種新的系統(tǒng)設(shè)計思想和一個開放的軟件框架，在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)計一種更為通用的通用軟件平臺，軟件工程師可以在不大量變動系統(tǒng)其他任務(wù)的情況下增加或刪除一個通信規(guī)約；一個大項目開發(fā)的過程中，可以有多個工程師同時進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)，各個人之間只要制訂好規(guī)程和協(xié)議即可，既縮短了開發(fā)時間，又降低了最終通信軟件產(chǎn)品對于具體某個人的依賴性。
4.3. 與因特網(wǎng)結(jié)合
通信管理單元提供內(nèi)置的WEB-SERVER，可動態(tài)向外部系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)，這部分可采用在RTOS之上外購WEB—SERVER模塊來開發(fā)完成，更為方便的是，在設(shè)置各種系統(tǒng)參數(shù)和瀏覽現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)時，只需要一個標準的瀏覽器軟件，如Microsoft 的IE即可。
5. 改進的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
當變電綜合自動化系統(tǒng)中的通信可靠性要求進一步提高時，可采用圖4所示的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。即對通信管理單元和通道實行主備切換的模式，但這種模式對通信管理單元和通信切換器的要求較高。在這種模式下，當通信管理單元損壞或通道故障時均得到切換，因此這種模式更可靠、更安全。
6.結(jié)論
本文所述的變電站綜合自動化通信系統(tǒng)采用代表國際技術(shù)發(fā)展潮流，先進的、標準的和成熟的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用雙網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，雙機熱備用，光纖雙環(huán)冗余自愈系統(tǒng)，采用國際標準通信規(guī)約協(xié)議，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的開放性、可擴充性及工程化的相關(guān)問題。本通信系統(tǒng)具有速度快，可靠性高，可擴展性強等特點，已經(jīng)成功的應(yīng)用于多家變電站。
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