基于工業(yè)以太網(wǎng)的超高壓變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

馬洪蕊

（防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201）

0 引言

隨著微電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，近年來超高壓變電站監(jiān)控系統(tǒng)在以下三個方面都有不同程度的進(jìn)展：

1）系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：由傳統(tǒng)的單一的集中模式向相對分散式、分層分布分散式多種體系結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的面向單個測量、控制對象向面向電網(wǎng)元件（如進(jìn)線、出線、變壓器、母線、電容器等）轉(zhuǎn)變，由各功能單獨考慮向系統(tǒng)功能綜合考慮轉(zhuǎn)變。

2）總線結(jié)構(gòu)：無論是模塊級、間隔級還是站級，均由專用、低速向通用、標(biāo)準(zhǔn)化、高速轉(zhuǎn)變，原來采用的位總線、LonWorks、CAN、FF等現(xiàn)場總線統(tǒng)一向以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變。

3）信息共享度：保護(hù)監(jiān)控功能以及數(shù)據(jù)共享從邏輯上的結(jié)合越來越緊密，物理上的結(jié)合也將隨著光電傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善而更加緊密[1～3]。

本文根據(jù)SPA(西門子輸配電自動化)電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品的特點和客戶的需要，設(shè)計出了基于工業(yè)以太網(wǎng)的、適合我國國情的超高壓變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、間隔層、站控層三部分構(gòu)成，系統(tǒng)參考配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)在每個區(qū)域，如一個測控柜，或者一個繼保小室配置一臺Hirschman工業(yè)以太網(wǎng)交換機，將這些交換機采用光纖首尾相連，組成環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)成整個網(wǎng)絡(luò)的骨干部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站控層是我們掌控整個系統(tǒng)的直接窗口，由操作員站、站控通信單元、網(wǎng)關(guān)通信工作站、對時裝置和工程師站組成，這些單元的設(shè)備都采用以太網(wǎng)接口接入站控層工業(yè)以太網(wǎng)交換機，通過以太網(wǎng)完成同相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)交換。

間隔層以電網(wǎng)單元（如一條線路或一臺主變）作為可控對象，采用SPA的AM1703系列產(chǎn)品作為間隔層的測控裝置，完成對電網(wǎng)單元的狀態(tài)采集和實際操作控制。同時，間隔層的每個測控單元配備了工業(yè)級的100M以太網(wǎng)卡，以太網(wǎng)卡接入相應(yīng)區(qū)域的交換機，從而完成測控單元同系統(tǒng)其他部分的數(shù)據(jù)交換。

2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)信息傳輸?shù)墓罚W(wǎng)絡(luò)的好壞對系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠绊懢腿缤缆穼θ说挠绊懸粯又匾?/p>

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是普通以太網(wǎng)技術(shù)在控制網(wǎng)絡(luò)延伸的產(chǎn)物，其源于后者，但不同于后者[4]。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)必須面對在工業(yè)環(huán)境下作為控制網(wǎng)絡(luò)要解決的一系列問題，其中以下兩個問題是最為重要的：

1）通信實時性問題

以太網(wǎng)采用的CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制方式，其實質(zhì)上是非實時的。平等競爭的介質(zhì)訪問控制方式不能滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)νㄐ诺膶崟r性要求。因此以太網(wǎng)一直被認(rèn)為不適合在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用。需要有針對這一問題的切實可行的解決方案。

2）對環(huán)境適應(yīng)性與可靠性問題

以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計的，將它應(yīng)用于工業(yè)控制環(huán)境，其魯棒性、抗干擾能力等是許多從事自動化的專業(yè)人士所特別關(guān)心的。在產(chǎn)品設(shè)計時要特別注重材質(zhì)、元器件的選擇。使產(chǎn)品在強度、溫度、濕度、振動、干擾、輻射等環(huán)境參數(shù)方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。還要考慮到在工業(yè)環(huán)境下的安裝要求，例如采用DIN導(dǎo)軌安裝等[4]。

對于通信實時性問題，本文采用了如下方案解決：

1）本文采用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均為百兆以太網(wǎng)設(shè)備，保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)目焖傩裕?/p>

2）監(jiān)控系統(tǒng)采用了冗余環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)，使得網(wǎng)上每一個節(jié)點都能與任一其它節(jié)點直接通信，從根本上消除了主從方式中的瓶頸現(xiàn)象，保證信息的實時性，提高了通信效率；

3）在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層面，采用IEC60870-5-104通信規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。該規(guī)約是國際電工委員會第57技術(shù)委員會為適應(yīng)以電力系統(tǒng)（包括EMS、SCADA和配電自動化系統(tǒng)）自動化發(fā)展的需要而提出來的。本文系統(tǒng)內(nèi)的通信采用變位傳輸模式，即只有狀態(tài)發(fā)生變化的遙信量或變化超過閾值的遙測量才上送，這樣，保證了對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求盡量小、系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新盡量快。

對環(huán)境適應(yīng)性與可靠性問題，本文采用了如下方案解決：

1）我們采用的Hirschman工業(yè)級以太網(wǎng)交換機，其有針對性的設(shè)計以及多年的實際應(yīng)用經(jīng)驗，有效的保證了在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境應(yīng)用的可靠性；

2）單元化、模塊化以及多種安裝方式的工業(yè)以太網(wǎng)交換機也使得系統(tǒng)的擴展變得簡單易行；

3）采用Hirschman工業(yè)級以太網(wǎng)交換機組成的光纖冗余環(huán)連接，小于20ms的自愈時間也使得系統(tǒng)的可靠性和實時性有了極大的保證；

通過上述設(shè)計，有效的解決了以太網(wǎng)在控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用存在的問題，在我們的實際應(yīng)用中表明，在極端情況下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小于20%，完全可以滿足變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，并且有著優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)能力。

3 間隔層

間隔層需要完成對整個電站設(shè)備的開關(guān)量、狀態(tài)量、模擬量采集以及設(shè)備的控制，在整個變電站自動化控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

本系統(tǒng)間隔層測控單元分散分布在位于現(xiàn)場設(shè)備附近的繼電保護(hù)小室中。由于測控單元處在有很強電磁干擾的環(huán)境中，為此，間隔層采用SPA AM1703系列裝置。AM1703所有模塊/軟件均根據(jù)電力系統(tǒng)特點專門設(shè)計，并且經(jīng)過大量工程項目的驗證，具有很好的適應(yīng)性和非常高的可靠性。

AM1703裝置由機架、電源模塊、CP1001 CPU模塊和根據(jù)需要配置的I/O模塊以及一個現(xiàn)地操作面板組成。整個測控單元的模塊具有以下特點：

1）測控單元通過以太網(wǎng)卡接入模塊化的工業(yè)以太網(wǎng)交換機中；

2）單元所有I/O模塊均為智能I/O，采集量的越限監(jiān)視、平滑、防抖、濾波等均由I/O板直接完成，不占用主CPU的處理時間。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸充分滿足擴展需要，當(dāng)DI/AI/PT100信號數(shù)量不斷增加時，DI點的時標(biāo)精度、AI/PT100信號點的處理、傳送周期，都不應(yīng)受到影響，使系統(tǒng)性能顯著提高；

3）為簡化交流電量測量系統(tǒng)（如線路電流、電壓、頻率、有功、無功）的測量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性，廣泛采用交流電量采樣板AI1304，AI1304專門針對電力系統(tǒng)的特點量身定做，具有三相電流、三相電壓以及一相同期電壓輸入。AI1304不但可以完成交流電量采樣工作，通過參數(shù)設(shè)置，可以方便的判斷出是否滿足同期條件，大大簡化了系統(tǒng)配置；

4）獨立的現(xiàn)地顯示操作面板，方便實用；

5）所有模塊采用金屬外殼封裝，純光纖總線，具有極強的抗干擾能力；

6）單元具有自診斷功能，可以實時的將該單元的各模塊的狀態(tài)信息上送到操作員站。

在測控單元中，上述硬件有效保證了測控單元數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臏?zhǔn)確和及時，這為正確可靠的完成對開關(guān)、刀閘等設(shè)備的控制操作提供了重要的前提條件。每個測控單元具有獨立的CPU，根據(jù)采集的相應(yīng)信息，獨立完成本單元的設(shè)備邏輯閉鎖、開關(guān)、刀閘操作等控制流程。

4 站控層

正如前文所述，站控層由操作員工作站、站控通信單元、網(wǎng)關(guān)通信工作站、對時裝置和工程師站組成，是我們掌控整個系統(tǒng)的直接窗口，其穩(wěn)定、安全、可靠并具有良好的實時性至關(guān)重要，為此本文做了如下設(shè)計保證整個站控系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。

4.1 操作員工作站

操作員工作站是整個站控層的核心部分，該部分硬件采用了兩臺HP高端工作站作為操作員站主機，操作系統(tǒng)采用Windows 2003 Server，兩臺操作員站工作站采用SPA SCALA 6.x后臺應(yīng)用軟件，保證了系統(tǒng)平臺的穩(wěn)定可靠。操作員站系統(tǒng)具有以下特點：

1）SCALA 6.x由服務(wù)器端和客戶端組成，分別獨立運行。服務(wù)器端和客戶端既可以分別運行在不同主機上，也可以采用緊湊型結(jié)構(gòu)，集成到同一臺主機上運行。本文采用了緊湊型結(jié)構(gòu)。

2）兩臺操作員站均安裝了SCALA 6.x服務(wù)器端，兩套服務(wù)器互為冗余熱備，兩套服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)實時同步，當(dāng)其中一臺出現(xiàn)故障時，可實現(xiàn)無縫切換，有效的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3）SCALA 6.x系統(tǒng)具有獨立的實時數(shù)據(jù)庫，事件分辨率小于1ms，具有良好的實時性。

4）客戶端是整個監(jiān)控系統(tǒng)的人機接口，本文中的兩臺操作員工作站均安裝了SCALA 6.x客戶端，并根據(jù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的特點和客戶的要求，設(shè)計出了功能強大、性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、友好的人機界面。通過該客戶端，操作員可以實時監(jiān)視現(xiàn)地設(shè)備的運行狀態(tài)，完成對設(shè)備運行狀態(tài)的分析、診斷，并根據(jù)實際情況發(fā)出相應(yīng)命令，完成對現(xiàn)地設(shè)備的操作控制。

4.2 站控通信單元和網(wǎng)關(guān)通信工作站

對超高壓變電站監(jiān)控系統(tǒng)而言，不但需要同現(xiàn)地測控單元進(jìn)行通信，也需要同其他單元，如電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便操作人員及時準(zhǔn)確的監(jiān)視到全站各個系統(tǒng)的信息。由于不同系統(tǒng)采用的通信規(guī)約各異，對于電力監(jiān)控系統(tǒng)集成者來說同第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是一個難點。

SPA AK1703系列產(chǎn)品具有強大的通信擴展功能，每個裝置可擴展多個CPU，每個CPU上可以擴展4個串口或者兩個以太網(wǎng)口，并且可以提供多達(dá)200余種的最常用的通信規(guī)約。因此，本文采用AK1703做為站控通信單元，對內(nèi)，配置以太網(wǎng)卡，接入站控層工業(yè)以太網(wǎng)交換機，采用標(biāo)準(zhǔn)IEC60870-5-104同操作員站和測控單元進(jìn)行通信；對外，根據(jù)系統(tǒng)的需要配備相應(yīng)數(shù)量的接口和對應(yīng)的固件，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)化配置即可完成同第三方系統(tǒng)的互聯(lián)互通，極大的方便了整個系統(tǒng)的集成。

對AK1703不支持的通信規(guī)約，本文根據(jù)實際需要，配置了一臺網(wǎng)關(guān)通信工作站，通過SPA提供的開放的網(wǎng)關(guān)開發(fā)包接口函數(shù)，可以方便的開發(fā)出相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)程序，對內(nèi)同樣采用IEC60870-5-104同操作員站和測控單元進(jìn)行通信，對外通過網(wǎng)關(guān)程序完成第三方通信規(guī)約到IEC60870-5-104規(guī)約的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。

4.3 對時裝置

在電力系統(tǒng)中，對時精度對事件記錄、故障分析等起著重要作用，為此我們的系統(tǒng)選用了時鐘精度1μs的MEINBERG公司的對時裝置，該裝置由天線、對時服務(wù)器組成，其具有以下特點：

1）本文對時服務(wù)器具備NTP網(wǎng)絡(luò)對時功能，對SPA產(chǎn)品系列的監(jiān)控設(shè)備采用這種對時方式；

2）系統(tǒng)GPS能完成針對來自其他供貨商的子系統(tǒng)的對時，支持國際流行的多種對時方案，包括IRIG-A，IRIG-B，串行通信，秒脈沖，分鐘脈沖，可以根據(jù)相應(yīng)設(shè)備的需要配置響應(yīng)的對時接口；

3）在整個測控系統(tǒng)中，對時精度小于1ms。

4.4 工程師站

工程師站肩負(fù)著對監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)維護(hù)功能，在其上面安裝了操作員站和測控單元的開發(fā)和維護(hù)軟件。

通過工程師站上安裝的SAT TOOLBOX II OPM軟件，采用面向?qū)ο蟮姆椒?，可以方便的建立系統(tǒng)中各單元的上、下位機數(shù)據(jù)庫，對相同或相似的間隔我們只需簡單的復(fù)制、拷貝即可完成對這些間隔的軟件的編制，大大節(jié)省了開發(fā)周期，同時也方便了系統(tǒng)單元的擴展。

SCALA 6.x人機界面開發(fā)工具同樣采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，系統(tǒng)自帶的針對電力系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)備對象使得開發(fā)人員象搭積木一樣輕松完成界面的構(gòu)建。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用開放的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分層分布分散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對象化、模塊化的系統(tǒng)設(shè)計，為今后的維護(hù)和單元的擴展帶來了極大的方便。針對電力系統(tǒng)設(shè)計的測控單元和冗余熱備的SCADA服務(wù)器、人性化的人機界面和靈活的通信接口，保證了整個系統(tǒng)的優(yōu)異性能。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具簡單易學(xué)，大大縮短了開發(fā)周期。強大的診斷工具和在線測試軟件方便了用戶對系統(tǒng)的維護(hù)。該系統(tǒng)在全國數(shù)十個超高壓變電站的實際運行表明，其具有很高的可靠性、穩(wěn)定性以及良好的實時性，取得了很好的運行效果和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 魯國剛. 變電站自動化技術(shù)的發(fā)展綜述[J]. PLC&FA.2004(12).

[2] 劉清瑞. 再論超高壓變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展策略[J].電力自動化設(shè)備. 2002(12).

[3] 金午橋. 變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化. 1999(23).

[4] 陽憲惠. 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M]. 清華大學(xué)出版社.[5] 譚文恕. 有關(guān)變電站自動化系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)[J]. 電氣自動化時代. 2003(6).