遠程電力監(jiān)控及通信協(xié)議的研究與實現(xiàn)

馬 媛, 康麗杰, 李雅麗, 張曉博

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院通信工程系,河北石家莊050035)

隨著通信與計算機技術(shù)的快速發(fā)展，遠程操作及控制技術(shù)在生產(chǎn)和生活中起到舉足輕重的作用。對于工業(yè)監(jiān)控過程而言，遠程監(jiān)控是通過遠程數(shù)據(jù)通信技術(shù)，在監(jiān)控端接收遠處現(xiàn)場的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行處理與分析，以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遙感、遙信、遙調(diào)和遙控的操作。

遠程監(jiān)控涉及的研究很多，其中包括自動化、計算機、電力電子技術(shù)及通信等領(lǐng)域。在這些技術(shù)中，通信技術(shù)的不斷完善為遠程監(jiān)控的發(fā)展提供了技術(shù)支持[1]。目前，遠程控制一般支持LAN、WAN、拔號方式、互聯(lián)網(wǎng)等通信方式，此外，還有可能用到串口、并口、紅外端口來進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制命令的執(zhí)行，而涉及到的通信協(xié)議也是多種多樣，互相之間的通信存在著諸多的障礙。因此，如何利用現(xiàn)有的技術(shù)，整合出一套適用于工業(yè)遠程控制的通信方式，具有重要意義。

電力事業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平一方面代表著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展水平，另一方面，也為我國的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供著保駕護航的作用。因此，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控具有重要的意義。

電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)由廠站端(子站)的遠動監(jiān)控測量裝置、通信通道和后臺監(jiān)控三部分組成。上世紀(jì)九十年代，集中式的電力自動化系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，而在以后的研究中，分布式的監(jiān)控管理成為重點，圖1 為清華大學(xué)電機工程系所研制的變電站自動化系統(tǒng)。

圖1 變電站微機監(jiān)測、保護控制系統(tǒng)

從圖1 可知，該自動化系統(tǒng)主要由三部分組成，首先是底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這一部分完成了變電站內(nèi)各種設(shè)備運行狀態(tài)的實時采集和控制命令的下達，這些數(shù)據(jù)中一些是模擬信號，一些是數(shù)字信號；第二部分是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理部分，這一部分由現(xiàn)場PC 機來組成，起到兩方面的功能，一方面是集中處理現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，另一方面，對底層的設(shè)備及數(shù)據(jù)進行隔離保護；第三部分是集控臺，后來發(fā)展成為控制中心，這一部分的功能是對上傳數(shù)據(jù)進行集中的處理、顯示、分析等，同時這也是操作人員進行現(xiàn)場控制的中心地區(qū)。

從分析可知，這一自動化系統(tǒng)已經(jīng)具備了一定的遠程控制功能，但是功能單一，信息種類也單一，數(shù)據(jù)通信范圍較小，因此在一個局域網(wǎng)中就可以解決，通信協(xié)議也相對簡單，容易實現(xiàn)，技術(shù)難度低。隨著電力電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展及工業(yè)化的要求，范圍更廣，數(shù)據(jù)類型與結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的遠程控制系統(tǒng)成為必要的控制手段。

1 電力遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)建模方法的選擇

在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，所需監(jiān)控的數(shù)據(jù)是多樣的，一方面表現(xiàn)為現(xiàn)場控制層信息的進一步擴展，例如除現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)(如電壓、電流、溫度、濕度等)需要采集之外，視頻、音頻等信息也成為電力系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)必須的組成部分，這就對站級數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通信帶寬及速率提出了更高的要求；另一方面表現(xiàn)為系統(tǒng)本身的復(fù)雜性也相應(yīng)地提高了，由于監(jiān)控范圍大，過去舊的系統(tǒng)都要并于新的監(jiān)控系統(tǒng)中，而各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一性較差，這給統(tǒng)一的監(jiān)控也帶來了很大的挑戰(zhàn)。

為了適應(yīng)這一變化，利用CIM(通用信息模型)來規(guī)范各系統(tǒng)中的傳輸數(shù)據(jù)，避免信息的混亂和信息孤島問題是一種較好的解決辦法。

CIM(Common Information Model)是一種元數(shù)據(jù)模型，是用來規(guī)范系統(tǒng)數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。在電力網(wǎng)絡(luò)中，CIM 模型可以在IEC61850 的框架下詳細(xì)地描述電網(wǎng)發(fā)電、輸電、配電等各環(huán)節(jié)的所有主要對象。因此，國際電工委員會將其定為電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型方式。

CIM 作為電網(wǎng)企業(yè)的公共信息模型，涵蓋電網(wǎng)企業(yè)發(fā)電，輸電，配電等各大系統(tǒng)。同時作為該模型的最初應(yīng)用方向，還可能用來規(guī)范通信網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯院挽`活性。

CIM 是一個面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，可以利用相應(yīng)的軟件建立相關(guān)的類、實例的方法來進行創(chuàng)建，以變壓器為例，首先變壓器屬于電氣設(shè)備類，因此先建電氣設(shè)備類及相應(yīng)的屬性，而后在電氣設(shè)備類下再建變壓器的子類、子屬性，以此類推，就可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)的創(chuàng)建。

由于CIM 是一個國外開發(fā)的軟件，所以有些情況不太適合我國，當(dāng)有這種情況發(fā)生的時候，就需要采用XML 建模語言來創(chuàng)建所需的對象。

2 電力遠程通信協(xié)議的分析及實現(xiàn)

由于通信范圍的擴大，通信鏈路的性能成為遠程監(jiān)控中最重要的保證。網(wǎng)絡(luò)通信的功能主要有兩個：一個是順利地傳送數(shù)據(jù)；另一部分是準(zhǔn)確、可靠且快速將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的目的地。要完成這兩個任務(wù)，就必須對通信鏈路進行通信控制。在電力遠程通信中，有底層通信、中間層通信。底層通信一般采用現(xiàn)場總線形式或工業(yè)以太網(wǎng)的形式，也可以選擇無線通信方式，在這些底層通信中，各種通信方式具有不同的通信協(xié)議，但是大都是在IEEE802 的協(xié)議框架之下。中間層的通信也有多種的通信方式，可以選擇公共數(shù)據(jù)網(wǎng)，也可以選擇無線通信3G 或4G，但不管是哪種通信方式，通信協(xié)議的本質(zhì)都是為保證可靠通信而規(guī)定的一系列約定，這些約定需要包括的傳輸數(shù)據(jù)的格式，傳輸?shù)捻樞蚣八俾?，到達目的地的確定以及一些差錯控制等保證措施。

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，不同的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)商開發(fā)了不同的通信協(xié)議，在當(dāng)前最常見的三個協(xié)議是MICROSOFT 的NETBEUI、NOVELL 的IPX/SPX 和交叉平臺TCP/IP[2]。在這三種通信協(xié)議中只有交叉平臺TCP/IP 協(xié)議是支持局域網(wǎng)完全與公共網(wǎng)(Internet)完全相連，是目前應(yīng)用最廣泛的通信協(xié)議。因此，本設(shè)計選用的通信協(xié)議是TCP/IP 協(xié)議。

底層通信與中間層通信之間需要利用網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)，本設(shè)計所選用的網(wǎng)關(guān)是Tiny 4412 開發(fā)板，為了簡化TCP/IP 協(xié)議，利用應(yīng)用層與傳輸層中間增加socket 服務(wù)來完成相應(yīng)的功能，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，利用JAVA 來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖2 socket服務(wù)框架

為了保證通信服務(wù)的可靠性，在編程實現(xiàn)上必須把socket的連接放到一個單獨的線程中，具體實現(xiàn)如下：

重新連接的方式借助Java 的Timer 類，具體的實現(xiàn)方式是在發(fā)送數(shù)據(jù)時如果write 函數(shù)拋出IO 異常，就在異常函數(shù)中把socket 置為null，然后每次需要借助socket 發(fā)送數(shù)據(jù)的時候都需要判斷socket 是否為空，如果為空則新開一個線程，進行重新連接。

3 總結(jié)

本文以電力系統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)為模板，以IEC61850 下的CIM 通用數(shù)據(jù)模型為依托，對通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸進行了分析和實現(xiàn)。為了保證通信的可靠性，系統(tǒng)利用TCP/IP 協(xié)議來實現(xiàn)，并在傳輸層和應(yīng)用層之間采用JAVA 語言實現(xiàn)了socket 服務(wù)的連接和斷開。

[1] 彭玉柱.基于Internet 的電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013：16-19.

[2] 丁國華，胡榮強.Linux 的Socket 編程及其在嵌入式網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用，2004,6(10)：16-19.