【文章內(nèi)容簡介】 NSC200NSC200CAN網(wǎng)測量、控制單元1n保護測控裝置1n圖26 變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)的簡要結(jié)構(gòu)框圖這個微機監(jiān)控系統(tǒng)是一個開放性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，功能模塊可自由組合；其中，數(shù)據(jù)庫組件是必須的，其余應(yīng)用組件根據(jù)實際需要可有可無。系統(tǒng)的軟件環(huán)境為操作軟件和應(yīng)用軟件這兩部分：操作軟件利用Windows 2000/XP的版本；系統(tǒng)軟件中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQL Server2000，而系統(tǒng)利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的程序設(shè)計方法，全部用Visual C++語言編寫。支撐平臺系統(tǒng)主要由以下五個方面組成：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、圖形管理系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、系統(tǒng)管理系統(tǒng)[1][3][16][17]。3 變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計 變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置設(shè)計方案采用目前廣為應(yīng)用的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)將變電站分為變電站層和單元層：單元層通信采用現(xiàn)場總線方式，通信單元和變電站層之間采用以太網(wǎng)通信。本文把微機監(jiān)控系統(tǒng)分為站控層和間隔層，網(wǎng)絡(luò)按雙網(wǎng)配置，間隔級控制層設(shè)備配置雙以太網(wǎng)接口。各間隔級單元相互獨立，不相互影響。站級網(wǎng)絡(luò)采用基于TCP/IP協(xié)議的，自適應(yīng)10/100M 雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)(A、B網(wǎng)) ，應(yīng)用層使用協(xié)議符合DL/T6671999標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的配置圖如圖31所示。操作員工作站1……操作員工作站n10M/100M交換式以太雙網(wǎng)五防工作站保護工程師站管理工作站遠(yuǎn)動主機以太網(wǎng)LN 1…LN n邏輯單元裝置前置通信主機前置通信備機SCADA主機SCADA備機Web服務(wù)站Internet遠(yuǎn)程工作站遠(yuǎn)動備機圖31 變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置圖變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機、操作員工作站、工程師工作站、保護工作站、遠(yuǎn)動工作站等部分組成。下面就簡要一一介紹。（1）SCADA服務(wù)工作站。SCADA服務(wù)工作站負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理，保持實時數(shù)據(jù)庫的完整；負(fù)責(zé)組織和整理各種歷史數(shù)據(jù)。（2）操作員工作站。操作員工作站完成對電網(wǎng)的實時監(jiān)視、控制和操作功能，包括顯示各種圖形和數(shù)據(jù)。它能在正常和電網(wǎng)故障時，采集、處理各種二次裝置信息，并充分利用這些信息為繼電保護運行、管理服務(wù)，為分析和處理電網(wǎng)故障提供支持。（3）前置通信工作站。它負(fù)責(zé)接收廠站的實時數(shù)據(jù)，并進行一定的規(guī)約轉(zhuǎn)換和預(yù)處理；通過通信網(wǎng)絡(luò)傳給后臺機系統(tǒng)，同時，向各廠站發(fā)出有關(guān)的控制和調(diào)節(jié)命令。（4）遠(yuǎn)動工作站。該站負(fù)責(zé)與外界進行通信，并完成多種遠(yuǎn)動通信規(guī)約的解釋；向上傳送現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，向下發(fā)送遠(yuǎn)方的遙控、遙調(diào)命令。（5）五防工作站。它向操作員提供對變電站內(nèi)的五防操作管理。（6）保護工程師站。它提供給保護工程師對變電站內(nèi)保護裝置及其故障信息進行維護管理的工具。它具備多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，能通過網(wǎng)絡(luò)通道向多個調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，其通信規(guī)約符合《中國南方電網(wǎng)繼電保護故障信系統(tǒng)通信與接口規(guī)范》這個標(biāo)準(zhǔn)。（7）管理工作站。它對電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備進行監(jiān)管。（8）遠(yuǎn)程工作站?？梢詫崿F(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽實時畫面、報表、事件記錄等內(nèi)容。（9）Web服務(wù)器。它為遠(yuǎn)程工作站提供SCADA系統(tǒng)的瀏覽功能[3][17]。 變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)實質(zhì)是由多臺計算機組成的分層分布式監(jiān)視和控制系統(tǒng)，包含著許多子系統(tǒng)模塊。因此，在其內(nèi)部和外部，需要通過數(shù)據(jù)通信，以實現(xiàn)信息的交換和信息共享。由于變電站環(huán)境特殊和對自動化系統(tǒng)極高的要求，所以本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信技術(shù)是一項非常重要的技術(shù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足下列要求：（1） 實時響應(yīng)要快；（2） 可靠性高；（3） 電磁兼容性能優(yōu)良；（4） 采用分層式結(jié)構(gòu)[5]。如上所述，變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)既用到現(xiàn)場總線技術(shù)，又用到以太網(wǎng)通信技術(shù)。 現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線作為一種全數(shù)字的雙向多站點通信系統(tǒng)，按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 和開放系統(tǒng)互連OSI提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?，F(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控系統(tǒng)。現(xiàn)場總線靠近生產(chǎn)過程，面對的環(huán)境苛刻和特殊，因此，它的可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率快；而且它的造價低、維護成本低?，F(xiàn)場總線具有開發(fā)性和互操作性、徹底的分散性、低成本這三大優(yōu)點，現(xiàn)在被越來越廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域。下面簡介幾種常見的現(xiàn)場總線。（1）基金會現(xiàn)場總線（FF）基金會現(xiàn)場總線FF（Fieldbuse Foundation）以IS0/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模式為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集?；饡F(xiàn)場總線的主要技術(shù)內(nèi)容包括FF通信協(xié)議、用于完成開放互聯(lián)模式中第27層通信協(xié)議的通信棧、用于描述設(shè)備特性、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設(shè)備描述語言、設(shè)備描述字典、用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換等功能的功能塊、實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。（2）Lon Works現(xiàn)場總線（局部操作網(wǎng)絡(luò)）Lon Works 是1991 年美國Echelon 公司推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù)，主要應(yīng)用于樓宇自動化、工業(yè)自動化和電力工業(yè)等?，F(xiàn)在它已經(jīng)進入第三代產(chǎn)品，能把各局域網(wǎng)互聯(lián)成廣域網(wǎng)。該種技術(shù)采用了Lon Talk 協(xié)議，LonTalk 協(xié)議最大的特點是對OSI 的七層協(xié)議的支持，是直接面對對象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其具體實現(xiàn)采用網(wǎng)絡(luò)變量這一形式。Lon Works 技術(shù)是將LonTalk 協(xié)議封裝在Neuron 的神經(jīng)元芯片中而得以實現(xiàn)。（3）Profibus（Process Fieldbus） Profibus是由ProfitbusDP、ProfitbusFMS 、ProfitbusPA 構(gòu)成的系列。DP 型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于自控設(shè)備和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。FMS 意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器等。而PA 型則用于過程自動化，通過總線供電，提供本質(zhì)安全性，可用于危險防爆區(qū)域。（4）CAN 現(xiàn)場總線CAN (Controller Area Network），即控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，而且該網(wǎng)絡(luò)具有很高可靠性。由于CAN特性卓越以及可靠性極高，所以非常適合工業(yè)過程中監(jiān)控設(shè)備的互連。該總線規(guī)范已被IOS國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO—11898），并且己經(jīng)被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN 總線協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模式基礎(chǔ)上的，其模型結(jié)構(gòu)取了OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。CAN 總線采用雙絞線串行通信方式，具有很強的檢錯功能，可以在高噪聲干擾環(huán)境中使用，而且使用該種總線方式作為通信網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)成本比較低?？紤]到變電站對可靠性、實時性、經(jīng)濟性的要求，我選擇了CAN 總線作為底層通信網(wǎng)絡(luò)。這種基于CAN 總線的分層分布式變電站綜合自動化微機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下的特點：(1）數(shù)據(jù)的采集以每個間隔單元為基礎(chǔ)，屬于該設(shè)備間隔中功能所需信息都經(jīng)本間隔的采集單元完成，設(shè)備的屬性和間隔單元中的數(shù)據(jù)是直接一一對應(yīng)的；(2）調(diào)度對該設(shè)備的開關(guān)進行遙控操作，是由該間隔中的控制功能部件完成；(3）變電站層或調(diào)度端要對變電站任何信息的獲取，不需要增加任何中間設(shè)備，而是通過數(shù)字通信方式獲得即可，由站端監(jiān)控系統(tǒng)通過逐一詢問每個間隔單元達到對整個系統(tǒng)設(shè)備的控制；(4）對信息的采集是按照每一個間隔進行的，間隔單元層信息采集屬于并行處理，無論是測量還是控制都可實現(xiàn)響應(yīng)的快速性；(5）變電站內(nèi)的所有設(shè)備的間隔單元，全部掛在同一個數(shù)據(jù)網(wǎng)上，物理地位是平等的，都以相同的方式與上一級站點（變電站層監(jiān)控）進行信息交換，但在邏輯處理上可以有多種多樣的，如可對不同的設(shè)備設(shè)立不同的優(yōu)先級；(6）按現(xiàn)場總線的通信原則對設(shè)備的訪問次序不需要固定順序，只要規(guī)定的時間內(nèi)訪問完各間隔即可（實時性），但考慮到現(xiàn)場總線傳遞的數(shù)據(jù)幀較短，為提高通信的效率，仍然以監(jiān)控系統(tǒng)的前置機對各設(shè)備間隔單元的周期性訪問方式進行，由于可設(shè)置優(yōu)先權(quán)，把前置機優(yōu)先級別設(shè)為最低；(7）在數(shù)據(jù)的采集過程中，己經(jīng)確立了數(shù)據(jù)和信息之間的關(guān)系，采集過程反應(yīng)了數(shù)據(jù)的實際意義。采用CAN總線作為變電站的通信網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸速度快，短幀結(jié)構(gòu)受干擾的概率小，硬件循環(huán)冗余碼糾錯，誤碼率低，真正的多主冗余系統(tǒng)使保護信息和變位信息能及時上送，實時性好；而且一個網(wǎng)絡(luò)通常能容納110個節(jié)點，傳輸211到229種不同的數(shù)據(jù)塊，這種規(guī)模對于低壓變電站的保護測控裝置的通信而言是足夠的。基于CAN總線的控制系統(tǒng)各智能單元統(tǒng)一由上位機進行管理，控制功能由現(xiàn)場智能單元實現(xiàn)，該系統(tǒng)運行于多主工作方式，從而減輕了上位機的負(fù)擔(dān)，降低了系統(tǒng)的風(fēng)險。從系統(tǒng)運行的結(jié)果看，各功能單元工作良好，功能單元相互間及與上位機都能保持良好的通信，系統(tǒng)運行穩(wěn)定且具有較強的抗干擾能力[1][3][16]。 以太網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)主網(wǎng)采用單/雙10/100M以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由10/100M交換機構(gòu)建，采用國際的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。系統(tǒng)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖32所示。 遠(yuǎn)動主站1遠(yuǎn)動主站2調(diào)度與控制中心調(diào)度與控制中心操作員及服務(wù)器1操作員及服務(wù)器2工程師站設(shè)備維護站GPS對時以太網(wǎng)2規(guī)約轉(zhuǎn)換器1規(guī)約轉(zhuǎn)換器2規(guī)約轉(zhuǎn)換器LN 1……LN nCAN總線圖32 以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖主網(wǎng)的雙網(wǎng)配置是為了完成負(fù)荷平衡以及熱備用的雙重功能。在網(wǎng)絡(luò)任一點有故障時，雙以太網(wǎng)便能快速切換，切換時間對于10Mb/s以太網(wǎng)小于20ms，100Mb/。這樣就能夠保證連接于網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備的正常通信，其可靠性相當(dāng)于雙總線網(wǎng)絡(luò)，能滿足110kV~500kV變電站自動化系統(tǒng)的要求。在正常情況下，系統(tǒng)負(fù)荷雙網(wǎng)平衡，一旦其中一個網(wǎng)絡(luò)故障，另一個網(wǎng)絡(luò)就承擔(dān)全部的通信負(fù)荷，以保證實時系統(tǒng)的可靠性。交換式快速以太網(wǎng)的端口帶寬，比共享式以太網(wǎng)提高了10倍以上，充分保證了信息交換的實時性，同時也使各種分布式的功能成為可能。系統(tǒng)主網(wǎng)（變電站層）采用代表網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展最新方向的10/100M以太交換機構(gòu)成的工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡(luò)上的沖突域不復(fù)存在(全雙工通信)，或碰撞機率大大降低(半雙工)，因此通信確定性和實時性大大提高；工業(yè)以太網(wǎng)針對惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設(shè)計(如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等)，解決了在極端條件下網(wǎng)絡(luò)不能穩(wěn)定工作的問題：從而穩(wěn)定性與可靠性大大提高。該工業(yè)以太網(wǎng)解決了不同協(xié)議間不能通訊的困擾，可以直接和局域網(wǎng)的計算機互連而不需額外的硬件設(shè)備；它方便數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)的共享，可以用IE瀏覽器訪問終端數(shù)據(jù)，而不必需要專門的軟件；可以和現(xiàn)有的基于局域網(wǎng)的EPR數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，并且特別適合遠(yuǎn)程控制；配合電話交換網(wǎng)和GSM、GPRS無線電話網(wǎng)便能實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；采用統(tǒng)一的網(wǎng)線，減少了布線成本和難度，避免多種總線并存?？焖僖蕴W(wǎng)傳輸速率可以達到100Mb/s，可容納1024個節(jié)點，距離可達2 5km?？傊?，10/100M以太交換機形式的工業(yè)以太網(wǎng)正因為有上述的諸多優(yōu)點，所以在國內(nèi)外得到了迅速的普及，也為我所選擇[1][5][18]。 上位機系統(tǒng)上位機系統(tǒng)相對于下位機系統(tǒng)來說相當(dāng)于主站，主要是對下位機各測控、保護單元進行監(jiān)控；相對于遠(yuǎn)方的調(diào)度部門來說，又相當(dāng)于子站，上傳變電站的運行信息，同時執(zhí)行該調(diào)度的控制和調(diào)節(jié)命令，完成相應(yīng)的功能。 網(wǎng)絡(luò)適配器上位機系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)適配器在變電站層里相當(dāng)于前置通信單元，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)傳輸和規(guī)約轉(zhuǎn)換的任務(wù)。為了實現(xiàn)監(jiān)視和控制功能，上位機需要與下位機交換數(shù)據(jù)。不同的下位機可能采集不同的數(shù)據(jù)、實現(xiàn)不同的功能、有不同的通信協(xié)議。為此，上位機如果要取得變電站運行的實時數(shù)據(jù)和下達遙控、遙調(diào)命令時，必須得經(jīng)過前置通信單元的解釋、整理和傳送。當(dāng)上位機想得到下面的實時信息時，網(wǎng)絡(luò)適配器從下位機那里取得數(shù)據(jù)，進行解釋、整理后，然后上發(fā)給上位機；上位機在下達遙控、遙調(diào)命令時，先將指令發(fā)到網(wǎng)絡(luò)適配器，網(wǎng)絡(luò)適配器再按照下位機的協(xié)議下發(fā)到指定單元，從而實現(xiàn)這些命令。網(wǎng)絡(luò)適配器主要有以下三方面的功能：一是提供CAN 總線的接口；二是提供PC 機即當(dāng)?shù)乇O(jiān)控機的接口；另外還要與調(diào)度中心的通信接口，即與MODEM 對接。本系統(tǒng)采用了NSC200系列網(wǎng)絡(luò)適配器。它可以采用單機和雙機冗余這兩種配置方式[1][3][16]。 后臺監(jiān)控主機后臺監(jiān)控主機主要作用是完成當(dāng)?shù)乇O(jiān)控的功能。除了要完成變電站正常運行時主設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集和處理的任務(wù)外；還要對不正常運行狀態(tài)和事故狀態(tài)運行的數(shù)據(jù)進行分析和處理與數(shù)據(jù)收集（SCADA）；同時還要完成保護定值的修改與下發(fā)、調(diào)度命令的隨時解釋和下達執(zhí)行等等。具體說來其功能可以分成以下幾個方面: （1）收集并存儲變電站下位機各檢測保護單元采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，錄入并保存反映變電站和各一次設(shè)備運行狀態(tài)的離線數(shù)據(jù)。（2）運行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，處理實時數(shù)據(jù)，下發(fā)控制、調(diào)節(jié)命令，對歷史數(shù)據(jù)進行運算、統(tǒng)計、繪圖、打印和輸出等處理，為系統(tǒng)運行管理提供科學(xué)依據(jù)。（3）提供報警提示。報警分為計算機圖形報警、文字報警和語音告警三種；報警類型分為事故告警、變位報警和越限報警三種。當(dāng)各設(shè)備出現(xiàn)故障，包括斷路器跳閘、保護裝置動作等故障，以及各種不正常事件，如設(shè)備變位、狀態(tài)異常、模擬量越限以及下位機各間隔單元狀態(tài)異常的情況時，后臺監(jiān)控主機會發(fā)出相應(yīng)的提示。（4）給操作人員提供各種形式的信息顯示界面，其中包括以地圖為背景的實時系統(tǒng)運行工況圖。（5）事故記錄和事故追憶。變電站運行的各種事件被分別登錄到狀態(tài)變化、遙測越限和SOE（事件順序記錄儀）登錄表中。將事故前M分鐘和事故后N分鐘的重要運行數(shù)據(jù)自動存入歷史數(shù)據(jù)庫。本方案中上位機的后臺主機為監(jiān)控主機。作為調(diào)度、運行及保護等各