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變電站綜合自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò )的設計與實(shí)現論文
摘 要： 本文論述了一種變電站綜合自動(dòng)化系統通信網(wǎng)絡(luò )的設計。該通信系統具有信息傳送效率高，安全、可靠性好，可擴展性強的特點(diǎn)。通信軟件應用RTOS開(kāi)發(fā)平臺，采用先進(jìn)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(kāi)放性、可擴充性等相關(guān)問(wèn)題，并已成功應用于多家變電站。
關(guān)鍵詞： 變電站綜合自動(dòng)化 通信網(wǎng) 接口 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統
0.引言
變電站是輸配電系統中的重要環(huán)節，是電網(wǎng)的主要監控點(diǎn)。近年來(lái)，隨著(zhù)我國經(jīng)濟高速發(fā)展，電壓等級和電網(wǎng)復雜程度也大大的提高。傳統變電站一次設備和二次設備已無(wú)法滿(mǎn)足降低變電站造價(jià)和提高變電站安全與經(jīng)濟運行水平這兩方面的要求。
而現在變電站所采用的綜合自動(dòng)化技術(shù)是將站內繼電保護，監控系統，信號采集，遠動(dòng)系統等結合為一個(gè)整體，使硬件資源共享，用不同的模式軟件來(lái)實(shí)現常規設備的各種功能。用局域網(wǎng)來(lái)代替電纜，用主動(dòng)模式來(lái)代替常規設備的被動(dòng)模式。具有可靠、安全、便于維護等特點(diǎn)。
分散分層分布式是變電站綜合自動(dòng)化系統的發(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(gè)可靠、高效的網(wǎng)絡(luò )結構，是解決問(wèn)題關(guān)鍵。90年代中期，國內外曾掀起一場(chǎng)“現場(chǎng)總線(xiàn)熱”，但是由于技術(shù)上的原因以及采用設備總線(xiàn)時(shí)信息量大且傳輸較慢的特點(diǎn)，造成了現場(chǎng)總線(xiàn)存在多種標準，阻礙了其發(fā)展。以太網(wǎng)經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展，技術(shù)上日臻成熟。隨著(zhù)嵌入式以太網(wǎng)微處理器的發(fā)展，以太網(wǎng)已十分便利的應用于變電站綜合自動(dòng)化系統。以太網(wǎng)具有高速、可靠、安全、靈活的特點(diǎn)，使其在變電站綜合自動(dòng)化系統中有廣闊的應用前景。
1.變電站通信系統結構
系統結構示意圖如圖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(wú)可爭議地選用以太網(wǎng)。
2）間隔級控制總線(xiàn)在FF-H2總線(xiàn)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(chǎng)信息規范）將是一個(gè)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(shí)現邏輯及自動(dòng)控制功能，它比常規的PLC具有可交流采樣、通訊組態(tài)方便等優(yōu)點(diǎn)。
2.變電站綜合自動(dòng)化系統通信網(wǎng)的基本設計原則
通信在變電站綜合自動(dòng)化占有重要的地位。其內容包括當地采集控制單元與變電站監控管理層之間的通信，變電站當地與遠方調度中心之間的通信。系統通訊網(wǎng)架的設計是十分關(guān)鍵的，本文從以下方面考慮變電自動(dòng)化系統通信網(wǎng)的設計：
1）電力系統的連續性和重要性，通訊網(wǎng)的可靠性是第一位的。
2）系統通訊網(wǎng)應能使通訊負荷合理分配，保證不出現“瓶頸”現象，保證通訊負荷不過(guò)載，應采用分層分布式通訊結構。此外應對站內通訊網(wǎng)的信息性能合理劃分，根據數據的特征是要求實(shí)時(shí)的，還是沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求以及實(shí)時(shí)性指標的高低進(jìn)行處理。另外系統通信網(wǎng)設計應滿(mǎn)足組合靈活，可擴展性好，維修調試方便的要求。
3）應盡量采用國際標準的通信接口，技術(shù)上設計原則是兼容目前各種標準的通信接口，并考慮系統升級的方便。
4）應考慮針對不同類(lèi)型的變電所的實(shí)際情況和具體特點(diǎn)，系統通信網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構是 靈活多樣的且具有延續性。
5）系統通信網(wǎng)絡(luò )應采用符合國際標準的通信協(xié)議和通信規約。
6）對于通信媒介的選用，設計原則是在技術(shù)要求上支持采用光纖，但實(shí)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(kāi)發(fā)，保持對用戶(hù)持續的軟件支持，對用戶(hù)提出的建議及要求的快速響應，就要求擺脫小作坊式的軟件開(kāi)發(fā)模式，使軟件開(kāi)發(fā)從“小作坊階段”進(jìn)入“大生產(chǎn)階段”， 采用先進(jìn)的通信處理器軟件開(kāi)發(fā)平臺實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統RTOS并開(kāi)發(fā)應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)構成芯片必須保證在工業(yè)級以上，以滿(mǎn)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(mén)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)上設計原則是兼容目前各種標準的通信接口，并考慮系統升級的方便。裝置通信CPU除保留標準的RS232/485口用于系統調試維護外，其它各種接口采用插板式結構，設計支持以下三類(lèi)共七種方式：標準RS485接口，考慮雙絞線(xiàn)總線(xiàn)型和光纖星型耦合型；標準 Profibus FMS 接口，考慮雙絞線(xiàn)總線(xiàn)型、光纖環(huán)網(wǎng)、光纖冗余雙環(huán)網(wǎng)；標準Ethernet ，考慮雙絞線(xiàn)星型和光纖星型（通信管理單元考慮以上兩種類(lèi)型的雙冗余配置）。
3.3. 通信協(xié)議和通信規約
系統通信網(wǎng)絡(luò )應采用符合國際標準的通信協(xié)議和通信規約，應建立符合變電站綜合自動(dòng)化系統結構的計算機間的網(wǎng)絡(luò )通訊，根據變電站自動(dòng)化系統的實(shí)際要求，在保證可靠性及功能要求的基礎上，盡量注意開(kāi)放性及可擴充性，并且所選擇的網(wǎng)絡(luò )應具有一定的技術(shù)先進(jìn)性和通用性，盡量靠國際標準。長(cháng)期以來(lái)，不同的變電站監控系統采用不同的通信協(xié)議和通信規約，如何實(shí)現不同系統的互連和信息共享成為一個(gè)棘手的問(wèn)題，應采用規范化、符合國際標準的通信協(xié)議和規約。為此在系統中選用了應用于RS485網(wǎng)絡(luò )的IEC61870-5-103規約、應用于Profibus 的MMS行規以及應用于TCP/IP上的MMS行規。它們都具有可靠性、可互操作性、安全性、靈活性等特點(diǎn)。
4.通信軟件的設計與實(shí)現
通信軟件的設計涉及到多種設備的配合問(wèn)題，本文只以DF3003變電站綜合自動(dòng)化系統的通信網(wǎng)絡(luò )為例，介紹變電站綜合自動(dòng)化系統通信軟件設計與運行原理。
4.1. 軟件功能與運行原理
在DF3003變電站綜合自動(dòng)化系統中，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控系統，其主要功能為監視各智能單元的運行狀態(tài)，并能對各智能單元進(jìn)行控制。而監控系統為完成其主要功能所需要的各種數據都是由通訊轉換器DF3211或保護管理單元DF3210來(lái)提供的。因此，從數據流控制的角度來(lái)看，通訊程序主要完成智能單元運行狀態(tài)信息的上報和監控系統控制信息的下發(fā)兩種功能。智能單元的運行狀態(tài)信息一般包括遙測數據、遙信數據、電度數據、突發(fā)數據等。監控系統的控制信息則包括遙控命令、對時(shí)命令、查詢(xún)命令等。本文中的變電自動(dòng)化系統通訊程序所要完成的數據結構與函數過(guò)程如圖3所示。
4.2. 軟件開(kāi)發(fā)平臺——RTOS
隨著(zhù)應用的復雜化，對控制精度、智能化程度的要求越來(lái)越高，一個(gè)微處理器往往要同時(shí)完成很多任務(wù)。體現在變電站自動(dòng)化通信產(chǎn)品中，由于信息采集量越來(lái)越大，信息交換越來(lái)越頻繁，簡(jiǎn)單地用單一任務(wù)來(lái)輪詢(xún)，往往造成通信的“瓶頸”現象，如保護和測量設備采集到的實(shí)時(shí)信息無(wú)法及時(shí)向上傳遞。多任務(wù)編程的特點(diǎn)是：程序在功能上以任務(wù)的形式存在，
各個(gè)任務(wù)之間相對獨立，可通過(guò)操作系統提供的資源，進(jìn)行任務(wù)間的信息交換和相互控制，可通過(guò)優(yōu)先級、時(shí)間片來(lái)控制各任務(wù)執行的順序。多任務(wù)編程的特點(diǎn)打破了傳統軟件順序執行的框架，便于程序的系統開(kāi)發(fā)、調試及維護。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統RTOS（Real Time Operating System）是面向21世紀嵌入式設計的基礎和標準開(kāi)發(fā)平臺。高性能軟件開(kāi)發(fā)平臺可以使嵌入式軟件程序的開(kāi)發(fā)進(jìn)入規�；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。有了高性能開(kāi)發(fā)平臺，可以極大的提高軟件開(kāi)發(fā)的效率，RTOS體現了一種新的系統設計思想和一個(gè)開(kāi)放的軟件框架，在此基礎上，可以設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(dòng)系統其他任務(wù)的情況下增加或刪除一個(gè)通信規約；一個(gè)大項目開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，可以有多個(gè)工程師同時(shí)進(jìn)行系統的軟件開(kāi)發(fā)，各個(gè)人之間只要制訂好規程和協(xié)議即可，既縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，又降低了最終通信軟件產(chǎn)品對于具體某個(gè)人的依賴(lài)性。
4.3. 與因特網(wǎng)結合
通信管理單元提供內置的WEB-SERVER，可動(dòng)態(tài)向外部系統發(fā)布數據，這部分可采用在RTOS之上外購WEB—SERVER模塊來(lái)開(kāi)發(fā)完成，更為方便的是，在設置各種系統參數和瀏覽現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據時(shí)，只需要一個(gè)標準的瀏覽器軟件，如Microsoft 的IE即可。
5. 改進(jìn)的網(wǎng)架結構
當變電綜合自動(dòng)化系統中的通信可靠性要求進(jìn)一步提高時(shí)，可采用圖4所示的網(wǎng)架結構。即對通信管理單元和通道實(shí)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(shí)均得到切換，因此這種模式更可靠、更安全。
6.結論
本文所述的變電站綜合自動(dòng)化通信系統采用代表國際技術(shù)發(fā)展潮流，先進(jìn)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，采用國際標準通信規約協(xié)議，充分考慮網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放性、可擴充性及工程化的相關(guān)問(wèn)題。本通信系統具有速度快，可靠性高，可擴展性強等特點(diǎn)，已經(jīng)成功的應用于多家變電站。
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