摘 要：本文論述了一種變電站綜合自動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(kāi)放性、可擴(kuò)充性等相關(guān)問(wèn)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(dòng)化 通信網(wǎng) 接口 實(shí)時(shí)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(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，電壓等級(jí)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(wú)法滿足降低變電站造價(jià)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(dòng)化技術(shù)是將站內(nèi)繼電保護(hù)，監(jiān)控系統(tǒng)，信號(hào)采集，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等結(jié)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(xiàn)常規(guī)設(shè)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(guī)設(shè)備的被動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向，這就對(duì)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(jié)構(gòu)，是解決問(wèn)題關(guān)鍵。90年代中期，國(guó)內(nèi)外曾掀起一場(chǎng)“現(xiàn)場(chǎng)總線熱”，但是由于技術(shù)上的原因以及采用設(shè)備總線時(shí)信息量大且傳輸較慢的特點(diǎn)，造成了現(xiàn)場(chǎng)總線存在多種標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)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(dòng)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(wú)可爭(zhēng)議地選用以太網(wǎng)。

2)間隔級(jí)控制總線在FF-H2總線尚未成熟的情況下，工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)和Profibus MMS(Manufacturing Messageing Specification制造廠信息規(guī)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(xiàn)邏輯及自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化占有重要的地位。其內(nèi)容包括當(dāng)?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(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(dòng)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(guò)載，應(yīng)采用分層分布式通訊結(jié)構(gòu)。此外應(yīng)對(duì)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(shí)的，還是沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求以及實(shí)時(shí)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(guó)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(jí)的方便。

4)應(yīng)考慮針對(duì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和通信規(guī)約。

6)對(duì)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(kāi)發(fā)，保持對(duì)用戶持續(xù)的軟件支持，對(duì)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(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(tái)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS并開(kāi)發(fā)應(yīng)用與其之上的通信軟件平臺(tái)。

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(jí)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(jí)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(guó)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(jí)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(guó)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(dòng)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(dòng)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(kāi)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期以來(lái)，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(gè)棘手的問(wèn)題，應(yīng)采用規(guī)范化、符合國(guó)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(wèn)題，本文只以DF3003變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)為例，介紹變電站綜合自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)中，采用二級(jí)分層分布式網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)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(tái)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(duì)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(lái)提供的。因此，從數(shù)據(jù)流控制的角度來(lái)看，通訊程序主要完成智能單元運(yùn)行狀態(tài)信息的上報(bào)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(cè)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(duì)時(shí)命令、查詢命令等。本文中的變電自動(dòng)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(guò)程如圖3所示。

4.2. 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)——RTOS

隨著應(yīng)用的復(fù)雜化，對(duì)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(xiàn)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，往往造成通信的“瓶頸”現(xiàn)象，如保護(hù)和測(cè)量設(shè)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(duì)獨(dú)立，可通過(guò)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(guò)優(yōu)先級(jí)、時(shí)間片來(lái)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(kāi)發(fā)、調(diào)試及維護(hù)。實(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。高性能軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以使嵌入式軟件程序的開(kāi)發(fā)進(jìn)入規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。有了高性能開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以極大的提高軟件開(kāi)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(gè)開(kāi)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(tái)，軟件工程師可以在不大量變動(dòng)系統(tǒng)其他任務(wù)的情況下增加或刪除一個(gè)通信規(guī)約;一個(gè)大項(xiàng)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(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，各個(gè)人之間只要制訂好規(guī)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(duì)于具體某個(gè)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(dòng)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(gòu)WEB—SERVER模塊來(lái)開(kāi)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(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，只需要一個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。即對(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)化通信系統(tǒng)采用代表國(guó)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約協(xié)議，充分考慮網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性、可擴(kuò)充性及工程化的相關(guān)問(wèn)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。