變電站綜合自動化通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)。該通信系統(tǒng)具有信息傳送效率高，安全、可靠性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。通信軟件應(yīng)用RTOS開發(fā)平臺，采用先進(jìn)的、標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(shí)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(diǎn)。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jì)運(yùn)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(hù)，監(jiān)控系統(tǒng)，信號采集，遠(yuǎn)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(shí)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(hù)等特點(diǎn)。

　　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(diǎn)，造成了現(xiàn)場總線存在多種標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)，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(shí)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(diǎn)。

　　2.變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)的基本設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)夭杉�控制單元與變電站監(jiān)控管理層之間的通信，變電站當(dāng)?shù)嘏c遠(yuǎn)方調(diào)度中心之間的通信。系統(tǒng)通訊網(wǎng)架的設(shè)計(jì)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(jì)：

　　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(fù)荷合理分配，保證不出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象，保證通訊負(fù)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(shí)時的，還是沒有實(shí)時性要求以及實(shí)時性指標(biāo)的高低進(jìn)行處理。另外系統(tǒng)通信網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足組合靈活，可擴(kuò)展性好，維修調(diào)試方便的要求。

　　3）應(yīng)盡量采用國際標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，技術(shù)上設(shè)計(jì)原則是兼容目前各種標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際情況和具體特點(diǎn)，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jìn)入“大生產(chǎn)階段”， 采用先進(jìn)的通信處理器軟件開發(fā)平臺實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的通信接口，技術(shù)上設(shè)計(jì)原則是兼容目前各種標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的RS232/485口用于系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)外，其它各種接口采用插板式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)支持以下三類共七種方式：標(biāo)準(zhǔn)RS485接口，考慮雙絞線總線型和光纖星型耦合型；標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)通訊，根據(jù)變電站自動化系統(tǒng)的實(shí)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(kuò)充性，并且所選擇的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性和通用性，盡量靠國際標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。

　　4.通信軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　通信軟件的設(shè)計(jì)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(jì)與運(yùn)行原理。

　　4.1. 軟件功能與運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，并能對各智能單元進(jìn)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(hù)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(yùn)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(yùn)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(hù)和測量設(shè)備采集到的實(shí)時信息無法及時向上傳遞。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，

　　各個任務(wù)之間相對獨(dú)立，可通過操作系統(tǒng)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(diǎn)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(hù)。實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）是面向21世紀(jì)嵌入式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入規(guī)�；�和產(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(jì)思想和一個開放的軟件框架，在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)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(xiàng)目開發(fā)的過程中，可以有多個工程師同時進(jìn)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(shí)時數(shù)據(jù)時，只需要一個標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器軟件，如Microsoft 的IE即可。

　　5. 改進(jìn)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)變電綜合自動化系統(tǒng)中的通信可靠性要求進(jìn)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(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(dāng)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(jìn)的、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)熱備用，光纖雙環(huán)冗余自愈系統(tǒng)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約協(xié)議，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的開放性、可擴(kuò)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(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成功的應(yīng)用于多家變電站。

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