基于變電站技術和計算機網絡通信技術實現高壓監控系統的設計

引言

變電站自動化和無人值班變電站從20 世紀90 年代至今發展非常迅速，隨著計算機技術、網絡通信技術和自動控制技術的發展，變電站自動化系統正向著分散式、分布式、網絡化的方向發展。網絡技術已成為變電站自動化發展的關鍵技術，它把分散的各種智能設備組成一體化的網絡系統，進而構成功能完備、高可靠、高效率的自動化系統。

變電站自動化通信網絡從早期的RS485/RS422 和CCITTV.24 方式的標準的異步串行通信，發展到現在大多數系統正在使用的各種現場總線（Filed Bus ），如國內常見的東方電子采用的FDK Bus 、四方公司采用的Lon Works 、南自院采用的Can Bus 、西門子公司采用的Profibus 等等?，F場總線網絡與早期的異步串行網絡相比具有抗干擾性強、效率高等優點，現場總線網絡的出現極大的推動了我國變電站自動化的發展。但現場總線網絡也存在著自身無法克服的弊端，首先其帶寬相對較低，無法適應日益增長的自動化系統對網絡的需求;其次互操作性差，由于不同廠家采用的現場總線不同，導致變電站內部不同生產廠家的設備互連幾乎是不可能的，即使采用同一種現場總線，如CAN BUS ，由于該現場總線沒有定義完備的應用層通信標準，各生產廠家采用自己的應用層通信協議，不同廠家基于CAN BUS 的智能設備互連也同樣沒有可能。

由于因特網的飛速發展，以太網絡通信技術得到了愈來愈廣泛的應用。嵌入式以太網因為速度快，帶寬較寬（一般為10M 或100M 還有更高速的1000M ），互操作性好，可擴展性強，價格便宜等特點在嵌入式控制領域得到了廣泛的應用，變電站自動化系統選用嵌入式以太網絡技術代表了變電站自動化網絡技術發展的最新方向。以下幾點技術的發展趨勢，可以看到嵌入式以太網的生命力。

a）。用于智能設備的嵌入式微處理器從8 位已發展到32 位，主頻速度也從幾兆赫茲發展到幾十兆甚至上百兆赫茲?？刂栖浖矎?a target="_blank">匯編語言編程的單任務程序發展成為使用高級語言編程（一般為C 或C++語言，或者嵌入式JAVA ）的嵌入式實時操作系統。嵌入式操作系統都對TCP/IP 編程技術有著完備的支持，再加上INTERNET 的迅速普及，這些計算機發展的新成就都有力的推動了嵌入式以太網絡技術的在控制領域中的廣泛應用。

b）。根據國家電力數據通信網的發展規劃，到2005 年全國電力系統將實現聯網，省級網作為數據網上的重要節點被要求首先建成電力寬帶數據通信網，寬帶網絡將作為統一的數據平臺納入國家電力建設之中，統一化的網絡平臺無疑是變電站自動化的發展方向。

c）。代表世界電力標準發展先進領域的IEC 國際標準化組織，為使不同廠商的自動化產品具有互操作性，已制定了關于變電站自動化系統的網絡通信體系IEC61850 。盡管該標準還沒有頒布正式版本，但已經出版的IEC61850 委員會草案中，已經明確定義了嵌入式以太網絡通信技術作為唯一的變電站自動化領域的通信網絡，這將是技術發展的國際大趨勢。

1 高壓監控的網絡體系結構

基于以太網的高壓監控系統組網方式可以非常靈活，在小型變電站自動化系統中可以采用簡單的星型網絡拓撲結構，各智能設備直接通過以太網連接到主控通信單元，該網絡模型較為簡單，本文不再單獨描述。

《IEC61850 變電站通信網絡和系統》標準推薦大中型變電站的自動化系統應該采用按間隔配置、面向對象的組網方式，如下圖：網絡體系大致分為三層結構。

最上層為站控層。包括雙主控通信單元，雙機為冗余熱備用方式，主控通信單元負責管理全站范圍的智能通信單元，收集各智能單元的數據送往調度主站，并把主站下發的控制命令分發到相應的采集單元;雙機數據庫通過網絡同步刷新;其備份方式既可以為主備方式，也可并列運行。根據用戶的需求可以在網絡上配置高級應用管理單元，如當地功能，無功綜合控制服務器，無防控制服務器，備用電源自動投切服務器等高級應用功能，這些高級應用管理單元既可以以專用軟件模塊的方式集中在主控通信單元實現（當地功能除外），也可以分布到網絡的其它節點實現相應的管理功能。

中間層為間隔通信單元。負責管理、收集本間隔內智能設備的數據，送往站控層;接收站控層的控制命令，分發到相應的智能設備，同時可以通過相應的軟件模塊完成本間隔內的自動控制功能。間隔通信單元也可以根據用戶的需要配置為雙機熱備用的方式。

智能單元包括測控模塊和保護模塊，分別完成測控功能和保護功能。

主控通信單元和間隔通信單元采用雙網分流、故障切換的通信模式。正常通信過程中，雙網分別傳輸不同的數據內容，一旦其中的一條網絡出現故障，則另一條網絡擔負起傳輸全部數據的功能。這樣不但提高了系統的實時性，也極大的提高了系統的可靠性。

間隔通信單元與各智能設備之間通過10M 以太網傳輸實時數據。由于本網段內設備相對較少，完全可以保證數據的實時性。

合理的網絡配置可以減小網絡沖突，提高系統的實時性和可靠性。

2 網絡通信協議的實現

網絡通信協議是設備可互操作性的基礎，現階段，在變電站自動化領域還沒有可以直接遵循的國際標準。IEC61850 無疑是今后網絡通信架構的發展方向，但國際標準的制定和頒布仍然需要一段時間。我們在網絡通信協議的制定上，采用了IEC61850 的基本設計規范，既采用面向設備、面向對象的網絡體系結構。

如圖，網絡通信規約建立在TCP/IP 協議棧之上，分為三層體系結構。如上圖。

通信服務層建立在TCP/IP 之上，完成通信鏈路的建立和維護，通信服務層給上一層提供可靠的端到端的通信服務。

服務原語層把規約層的原語調用轉化為網絡報文結構，并通過通信服務層把數據發送出去。在異種機的網絡體系結構下，完成數據報文主機字節順序和網絡字節順序的互相轉化。本協議支持與IEC61850 相一致的服務原語。支持的基本的服務原語有：

數據對象服務層調用相應的服務原語完成客戶和服務器數據庫之間的同步刷新，設備管理，目錄服務等面向應用的功能。對象服務采用客戶-服務器模型。本網絡協議支持豐富的數據對象，每種數據對象定義了對象值和對象屬性兩個部分，數據對象包括實時數據對象、事件數據對象、控制對象、文件對象等類別。

3 嵌入式網絡管理

電力系統中，變電站點多面廣，同時為適應減員增效和現代化管理的要求，很大一部分變電站都是無人值班變電站，這就要求變電站自動化系統應該有極高的可靠性和可維護性。隨著計算機互連網的深入發展和國家電力數據網的建設，通過Internet 互連各級自動化系統將成為一種新的發展趨勢。也為基于嵌入式WEB 服務器的設備配置管理技術提供了良好的條件。

新型高壓監控系統支持基于WEB 方式的設備管理。經過授權的用戶可以在客戶端采用標準的WEB 瀏覽器（如IE5.0 ）在網絡的任一節點（甚至INTERNET ）方便、迅速的配置和管理設備，存取網絡信息。實現對變電站設備的在線管理，對采集數據的實時監測。當變電站運行設備出現異常時，可以根據用戶的設定自動發送E_MAIL ，或者手機短消息等報警信息到指定用戶，及時通知管理人員處理設備故障。在正常運行期間，也可以根據用戶的設置，定期自動地向指定E_MAIL 信箱發送設備運行日志等。

基于WEB 的設備管理方式大大減輕了設備運行人員的勞動，使得設備管理部門能夠及時了解變電站運行信息，對設備故障的處理也更加快速有效。伴隨著國家電力數據網的發展，基于WEB 的設備維護將比以往基于遠程撥號的維護方式更加優越。

4 嵌入式自動控制功能

隨著計算機技術和通信網絡技術的發展，用于變電站自動化智能設備的處理能力越來越強，網絡速度也越來越快，原來必須有一些獨立的裝置才能完成的自動功能，現在可以分布到新型監控系統中各智能設備上來實現，變電站自動化的發展方向也必然朝著全分散式系統發展。

通過強大、高效的以太網通信網絡，各智能設備之間可以很方便地實現信息共享。新型監控系統全面支持IEC61131-3 定義的5 種可編程邏輯控制語言。用戶定義自己的邏輯，實現各種自動控制功能，通過配置信息可以把自動控制功能分布到各個智能設備上，從而實現真正的分布式自動控制功能。如分布式無功綜合控制，分布式小電流接地選線，分布式電源備自投等自動化功能。

5 結語

新一代高壓監控系統中采用了國際先進的變電站技術和計算機網絡通信技術，積極靠攏IEC 國際標準，使得系統具有良好的互操作性和開放性。采用嵌入式以太網技術，大大提高了系統的實時性和可靠性，具有良好的可擴充易使用的特點，能夠滿足日后變電站自動化發展的需求，它代表了變電站自動化發展的最新成果。

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