【文章內(nèi)容簡介】 率測量，在每個數(shù)據(jù)采集周期由CPU讀取可編程計數(shù)器的計數(shù)值，并進行標度變換以獲得實際的采樣植。主要優(yōu)點是：通過光電耦合器與CPU接口，因此抗干擾能力強，容易實現(xiàn)多單片機系統(tǒng)的多CPU接口。③ 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ：近幾年來。以ANN為代表的人工智能技術(shù)和小波分析理論，以及行波保護，暫態(tài)保護等概念逐步引入繼電保護領(lǐng)域，對采樣速度提出了更高的要求。在變電站的母線保護，變壓器保護和發(fā)電機保護中，由于需要進行采樣的電流通道很多，對采樣的速度也有很高的要求。采樣率的提高導(dǎo)致了采樣間隔的縮短，從而留給CPU進行采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理，保護啟動計算，主保護計算的時間大大縮短。因此，必須大大的壓縮數(shù)據(jù)采集的時間。保護裝置使用公控機時，通常采用工控機智能同步數(shù)據(jù)采集模板完成采樣，再將采樣數(shù)據(jù)通過雙口RAM，F(xiàn)IFO等方式傳送給主CPU進行處理，因此并不占用主CPU的處理時間。當保護裝置使用單片機時，目前使用的VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以滿足要求，必須對此單獨進行考慮。為了進一步簡化電路設(shè)計和調(diào)試，一些半導(dǎo)體廠家將完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成到一塊芯片中，能夠自動完成所有輸入通道的數(shù)據(jù)采集而無須CPU干預(yù)。采用這種專用數(shù)據(jù)采集芯片，將極大簡化單片機型微機保護裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，生產(chǎn)，調(diào)試方式，大大的提高其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力。(3) 微機保護硬件的一般結(jié)構(gòu)：微機保護的硬件類型分為三種：高壓線路微機保護，微機元件繼點保護，低壓線路的微機保護.① 高壓線路微機保護：目前我國的高壓線路微機保護裝置的原理，性能，主要指標以及制造工藝方面以達到了國際先進水平，微機保護的動作正確率也已經(jīng)超過了常規(guī)保護。對于高壓和超高壓輸電線路微機保護裝置，多單片機構(gòu)成的多CPU硬件結(jié)構(gòu)已成為現(xiàn)行的實際標準。這種類型的微機保護裝置的基本特點是：電壓頻率轉(zhuǎn)換原理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為整套裝置的公共部分,其頻率輸出信號分別傳送給各個保護插件，再由各個保護插件完成相應(yīng)的測頻，采樣值標度變換，保護功能計算。3個保護CPU分別完成高頻保護，距離保護，零序保護功能。監(jiān)控CPU主要負責人機接口，保護定值管理。通信控制，保護CPU運行狀態(tài)監(jiān)控等功能。3個保護插件啟動元件按三取二的原則啟動各套保護裝置的出口回路，從而大大的提高了保護裝置的可靠性。 但是這種多CPU微機保護裝置采用了不完全冗余技術(shù)。保護輸入和輸出通道不采用冗余技術(shù)，而只是在信號處理器部分采用。如果模擬輸入通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生故障，那麼輸入3個CPU插件的故障數(shù)據(jù)將不在準確，整套裝置不能正確工作；跳閘出口通道發(fā)生故障，整套裝置同樣不能正確工作。因此整個保護裝置并不因為采用了多CPU技術(shù)而使可靠性大幅度的提高。多CPU微機保護裝置除完成本線路的繼電保護功能外，同時還必須完成相鄰線路的遠后備保護功能。廣泛的使用多CPU微機保護裝置中，距離保護三段和零序保護三段，都具有遠后備的功能。在距離保護CPU插件或者零序保護CPU插件發(fā)生故障時，即使線路的主保護可以正常工作，仍將失去遠方后備保護的功能。由于以上的原因，在高壓和超高壓輸變電線路中，不但主保護必須雙重化配置，后備保護也必須雙重化配置。② 微機元件繼電保護：微機元件保護的種類很多，硬件結(jié)構(gòu)也各有特色，基本的類型有單片機型和工控機型微機元件保護。許多廠家得宜于線路微機保護的成功開發(fā)和應(yīng)用中的成功經(jīng)驗，推出了許多與微機線路保護硬件結(jié)構(gòu)相似的單片機型微機元件保護。比如采用了高壓線路保護類似的VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高性能單片機構(gòu)成的雙CPU系統(tǒng)，變壓器主保護與變壓器各側(cè)的后備保護分別采用不同的CPU完成保護功能。為適合變電站自動化的發(fā)展，新型微機變壓器保護也提供了基于現(xiàn)場總線的通信接口功能。采用工控機實現(xiàn)的微機保護，具有小型化，低成本，高可靠性等優(yōu)點。工控機總線接口簡單，模塊化程度高，容易結(jié)合，使用維護方便，系統(tǒng)功能容易擴展。可以大大縮短微機保護裝置的開發(fā)周期，實現(xiàn)微機繼電保護裝置的系列化和標準化，便于運行部門的運行維護，必將在微機保護的發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。③ 低壓線路的微機保護：這種類型的保護裝置可以分為兩種：一種為“一對一”方式，即一套裝置實現(xiàn)一條線路的保護；另一種為“一對N”方式，即一套裝置實現(xiàn)多條線路保護。采用“一對一：實現(xiàn)時，一套裝置負責一條線路或一臺變壓器的測量，保護和控制。使用“一對N”方式實現(xiàn)時，一套裝置負責多條線路或變壓器的測量，保護和控制。它具有分布式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點而且又便于設(shè)計安裝及運行維護。為中低壓變電站廣為采用。 小節(jié) 本節(jié)介紹了變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并介紹了各種結(jié)構(gòu)形式的特點；變電站綜合自動化系統(tǒng)主要包括監(jiān)測，監(jiān)控，遠傳和保護四部分，介紹了各部分的主要功能。介紹了綜合自動化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及主要的配置，為下一章的通信協(xié)議做好了鋪墊。第3章 變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò) 通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展：目前，國內(nèi)變電站綜合自動化系統(tǒng)用的通信網(wǎng)絡(luò)主要是總線式網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)最初使用RS232總線，后來用到RS485總線。近年來隨著新型現(xiàn)場總線CANBUS和LONWORKS的推出，變電站綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信得到了新的發(fā)展，新型現(xiàn)場總線CANBUS是變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)性價比最好的一種。 RS232，RS422 和RS485總線：RS232串口通信標準是美國電子工業(yè)協(xié)會于1969年公布的，該標準定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間按位串行傳輸?shù)慕涌谕ㄐ?。通常用于近距離傳輸，此時可將兩臺具有RS232接口的通信設(shè)備直接相連，如果要進行遠距離傳輸，可以再加調(diào)制器即可。 RS422為全雙工，可以同時接收和發(fā)送。采用RS422標準，可以削弱干擾的影響，獲得更長的傳輸距離和允許更大的信號衰減。采用RS422標準通信時位率可達到10Mbit/s。RS485為半雙工通信方式，在某一時刻，一個發(fā)送一個接受，當用于多站互連時，可節(jié)省信號線，便于高速遠距離的傳送。 LONWORKS總線LONWORKS是美國Echeton公司推出的一種新型現(xiàn)場總線。它的基本思想是將控制系統(tǒng)按局域網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)造，用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點代替局域網(wǎng)中的工作站，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝在監(jiān)控現(xiàn)場，直接于各種傳感器和控制器相連。LONWORKS總線的技術(shù)特性有以下9點：(1): 開放性。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開放，對任何用戶平等。(2)：通信介質(zhì)開放?？梢栽谌魏瓮ㄐ沤橘|(zhì)條件下通信，包括雙絞線，電力線，光纖，同軸電纜，射線電纜，紅外線等，并且多種介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。(3)：互操作性。Lonworks通信協(xié)議符合OSI模型，任何制造商的產(chǎn)品都可以實現(xiàn)互操作。(4)：Lonworks通信采用了“網(wǎng)絡(luò)變量”，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計簡化成為參數(shù)設(shè)置增加了通信技術(shù)的可靠性。(5)：它的通信每楨有效字節(jié)可以達到0到228個字節(jié)。(6)：，此時的有效距離為130m(7)：Lonworks技術(shù)的一個測控網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)可達32000個。(8)：Lonworks直接通信距離長達2700m(9)：Lonworks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片。該芯片內(nèi)部裝有3個微處理器；MAC處理器完成介質(zhì)訪問控制。網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI的36層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。應(yīng)用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應(yīng)用。它們之間通過公共存儲器傳遞數(shù)據(jù)。 CANBUS現(xiàn)場總線 CANBUS德國BOSCH公司設(shè)計的，它是一種基于優(yōu)先級的高速?？垢蓴_能力強并具有檢錯功能的現(xiàn)場總線，可采用多種媒體通信，比如光纜和雙絞線。CANBUS通信設(shè)備本身又具有較低的造價，從而它的應(yīng)用范圍很廣，特別是在電氣自動化領(lǐng)域。CANBUS的主要技術(shù)特性如下：(1)：CANBUS可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個接點均可以在任何時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。(2)：CANBUS網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級，并可滿足不同的實時要求。(3)：CANBUS采用非破壞性總線裁決技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級別低的自動的主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不受任何影響繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，大大的節(jié)省了總線沖突裁決時間。(4)：CANBUS可以點對點，一點對多點全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。(5)：CANBUS直接通信距離最遠可達10km，CANBUS的通信速率最高可達1Mbit/s.(6)：CANBUS上的節(jié)點數(shù)實際上可達110個，理論上可達2000多個。(7)：CANBUS采用短砧結(jié)構(gòu)，每一砧的有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送時間短，尤其適合在強電磁場環(huán)境下工作。(8)： CANBUS每砧信息都有CRC校驗及其它檢驗措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。(9)：CANBUS節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它和總線的聯(lián)系，以使總線的其操作不受影響。(10): NZR編碼/解碼方式，并采用位填充技術(shù)。 各種總線技術(shù)的優(yōu)缺點RS232總線通信速度快，距離短。RS422和RS485雖然在傳輸速度和距離上有所提高，但存在以下缺點：網(wǎng)絡(luò)上只能有一個主節(jié)點，無法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性差，數(shù)據(jù)通信方式為命令響應(yīng)方式，從節(jié)點只有在接到主節(jié)點命令后才能響應(yīng)，重要信息得不到及時傳送，致使靈活性和實時性差，糾錯能力差。LONWORKS總線性能較強，但系統(tǒng)復(fù)雜，造價較高。因而實用性較差。CANBUS總線是基于優(yōu)先級的多主從節(jié)點結(jié)構(gòu)，具有較強的糾錯能力，克服了RS422，和RS485總線的缺點，而與LONWORKS總線相比，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，實用性強等優(yōu)點，因此CANBUS是變電站綜合自動化系統(tǒng)的一種性價比最優(yōu)的選擇。 現(xiàn)場總線在變電站綜合自動化內(nèi)部網(wǎng)的應(yīng)用變電站綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)主要可以分為三種：LONWORKS現(xiàn)場總線網(wǎng)方案，嵌入式以太網(wǎng)方案，基于CANBUS總線的通信系統(tǒng)方案。 LONWORKS現(xiàn)場總線網(wǎng)方案：如圖所示，變電站內(nèi)部有兩個LONWORKS網(wǎng)絡(luò)，分別為監(jiān)控網(wǎng)和錄波網(wǎng)。監(jiān)控網(wǎng)用來傳送各種控制和狀態(tài)信息。錄波網(wǎng)則傳送電力系統(tǒng)故障錄波信息。網(wǎng)絡(luò)的通信速率為78kb/s,最大通信距離為2km。通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。每個保護裝置都帶有LONWORKS網(wǎng)絡(luò)接口，后臺機，工程師站，遠動機等pc機上均有PCLTA卡，于是保護裝置和PC機就可以連接到LONWORKS網(wǎng)絡(luò)上。這種方案適用于中低壓變電站自動化系統(tǒng)，當用于220KV及以上的大型高壓變電站時，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點增多，網(wǎng)絡(luò)流量增大，網(wǎng)絡(luò)帶寬就顯得不夠了，特別是當多個保護共同動作時，網(wǎng)上沖突加劇，重發(fā)次數(shù)增多，通信效率降低，因此這種方案只使用于中小變電站自動化系統(tǒng)。 嵌入式以太網(wǎng)方案：如圖2所示，站內(nèi)有3個相互獨立的光纖以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)1，2為監(jiān)控網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)3為錄波網(wǎng)。將站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)分為兩層。間隔以上和間隔內(nèi)部。 間隔以上用10MB/S的嵌入式以太網(wǎng)構(gòu)成站內(nèi)通信的主干網(wǎng)絡(luò)，負責后臺機，遠動機等PC機和各間隔進行通信。在間隔內(nèi)部使用LONWORKS總線，網(wǎng)上的信息通過間隔層的測控單元上傳到主干網(wǎng)上。最低層的各種設(shè)備保護可不做任何改動，保持了向下的兼容性。這種方案實際上是將嵌入式以太網(wǎng)和LONWORKS現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮了各自的優(yōu)勢。測控單元是整個方案的核心和關(guān)鍵。圖3中詳細的介紹了測控單元的工作原理。其中Neuron芯片作為CPU的通信處理器完成了LONWORKS網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)，利用它可和保護裝置通信。CPU采用32b單片機，CPU部分采用了嵌入式軟件設(shè)計，利用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)及TCP/IP模塊，完成以太網(wǎng)的通信和測控任務(wù) LONWORKS現(xiàn)場總線網(wǎng)方案和嵌入式以太網(wǎng)方案的比較和分析：(1) ：方案1中只有LONWORKS一層網(wǎng)絡(luò)，站內(nèi)的幾十個保護裝置均連接在其上。因此網(wǎng)上節(jié)點多，流量大，而帶寬卻只有78kb/s，在多臺保護同時動作等特殊情況下，網(wǎng)絡(luò)負載突然加重，這時會出現(xiàn)較嚴重的網(wǎng)絡(luò)沖突現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)通信效率下降。而方案2中有兩層網(wǎng)，主干網(wǎng)的帶寬已達10MB/s，雖然間隔內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)仍為78kb/s帶寬，但其上所連接的節(jié)點數(shù)目卻大大的減少，只有幾臺。于是LONWORKS的網(wǎng)絡(luò)負載極低，即使在各臺保護同時動作的情況下，通信效率仍很高。而當信息傳到主干網(wǎng)時，由于主干網(wǎng)的帶寬很寬，所以站內(nèi)的流量對于其而言仍屬輕負載， 以太網(wǎng)在輕負載時效率極高，因此方案2能滿足變電站綜合自動化系統(tǒng)的要求，并且留有余地。(2)：故障錄波數(shù)據(jù)上傳輸速度大大加快。 LONWORKS網(wǎng)主要支持偵長為幾十B的短偵，當傳送錄波數(shù)據(jù)時，效率較低，耗費時間較多，以太網(wǎng)支持最長可達1500B的長偵，因此方案2的錄波數(shù)據(jù)傳輸速率大大的增強。(3)：與PC機接口。 PC機必須用PCLTA卡等專用卡與LONWORKS網(wǎng)絡(luò)接口，這些板卡由于是專用品所以價格較高，PC機臺數(shù)增多時，很不劃算。而PC機用廉價的以太網(wǎng)卡也可以聯(lián)到以太網(wǎng)上。所以方案2中更方便，更經(jīng)濟。(4)：易于廣域網(wǎng)相連。 由于以太網(wǎng)使用開放式的TCP/IP協(xié)議，所以可以較為方便的與廣域網(wǎng)相聯(lián)。 基于CANBUS總線的通信系統(tǒng)方案：圖1 所示為變電站綜合自動化基于CANBUS總線的分層結(jié)構(gòu)圖。 在整個變電站綜合自動化系統(tǒng)中，變電站內(nèi)部各單元之間以及變電站與遠方調(diào)度中心之間的通信都通過通信管理機來處理，所以通信管理機在整個變電站自動化中占有重要地位。具體的方式如下圖所示 變電站綜合自動化系統(tǒng)中通信管理機的主要任務(wù)是實現(xiàn)變電站內(nèi)部的變電站子層和單元子層之間的通信。以及本地的變電站系統(tǒng)和遠程調(diào)度中心的通信。：變電站內(nèi)部的通信基于CAN總線，包含兩層通信網(wǎng)絡(luò)：站級CAN網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場級CAN網(wǎng)絡(luò)。其中站級CAN網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)上位機監(jiān)控主機和通信管理機之間的通信。現(xiàn)場級CAN網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)通信管理機和監(jiān)控保護單元之間的信息傳送。變電站和遠程調(diào)度中心的信息傳輸基于公用電話網(wǎng)，通過終端的modem實現(xiàn)數(shù)字信號和公用電話網(wǎng)上的模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，通信管理機的外圍設(shè)備包括鍵盤輸入，液晶顯示，程序存儲器EPROM，實時時鐘RAM,以及備用的RS232串口 內(nèi)部通信網(wǎng)的傳輸實時性分析 方案一