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1、变电 站综合自 动化中 监控系统的 研究 摘要 变电站综合自动化系统中，监控软件充当站内保护、测量、控制以及通信装置与变电站运行人员之间的接口，在变电站综合自 动化系统乃至电网自 动化系统都起到重要的作用。本文对监控系统做了较详细的分析，给出了系统的总体设计方案;同时对监控系统的应用软件设计分别进行了分析和介绍;重点介绍了系统中的通讯和数据库模块。针对系统的要求，用V i s u a l C+开发了监控系统的若干软件模块。通讯模块的U S B 应用程序利用Wi n 3 2 系统中A P I 函数，只需通过几个简单的文件操作函数就可以 实现与驱动程序的某个设备通信:数据库系统以M i c r o
2、 s o f t A c c e s s为历史数据库平台，采用了开放的数据库连接标准O D B C 管理历史数据，同时采用了共享内存技术，自 行设计开发了实时数据库部分。不仅使程序简单通用，而且满足了系统对共享性和实时性的要求。关键词:变电站综合自 动化 监控系统 U S B应用程序 数据库系统R e s e a r c h o f Mo n i t o r i n g a n d C o n t r o l S y s t e m i nS u b s t a t i o n I n t e g r a t e d A u t o ma t i o nAb s t r a c t I n t
3、 h e s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n s y s t e m,t h e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o ls y s t e m i s t h e i n t e r f a c e o f p r o t e c t i o n,m o n i t o r i n g,c o m m u n i c a t i o n s e t t i n g s a n ds u b s t a t io n o p e r a t o r.I t a ls o m
4、 u s t s e n d d a t a b e t w e e n s u b s t a t i o n a n d d i s t a n t d i s p a t c h e r so f f i c e.S o,i t i s v e ry i m p o r t a n t i n t h e s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n s y s t e m.T h i s p a p e r a n a l y s e s t h e m o n i t o r i n g a n d c o n
5、 t r o l s y s t e m p a rt i c u l a r l y,g i v e s t h ed e s i g n p r o j e c t o f t h e s y s t e m,a n d i n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n s o f t w a r e.E s p e c i a l l y,t h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h e c o m m u n i c a t i o n a n d d a t a s y s t e m s.E x p
6、l o r i n g s o m e s o f t w a r e n o d u l e s w it h V i s u a l C+f o r s y s t e ms d e m a n d.U s in gA P I f u n c t i o n o f Wi n 3 2 s y s t e m,U S B a p p l i c a t i o n p r o g r a m o f t h e c o m m u n i c a t io nm o d e l o n l y n e e d a f e w s i m p l e f u n c t i o n s t o
7、 c o n n e c t t h e e q u i p m e n t s o f t h e d r i v e r s.B a s e d o n M i c r o s o ft A c c e s s,d a t a s y s t e m a d o p t s O D B C t o m a n a g e t h e h o s p i t a l d a t a.U s i n g s h a r i n g m e m o ry t e c h n o l o g y,d e s i g n e d r e a l d a t a s y s t e m.T h e p
8、 r o g r a m i s s i m p l ea n d c u r r e n c y.I t m e e t s t h e s y s t e m d e m a n d f o r r e a l c a p a b i l i t y a n d s h a r i n g c a p a b i l i t y.K e y w o r d s:S u b s t a t i o n I n t e g r a t e d A u t o m a t i o n,Mo n it o r i n g a n d C o n t r o l S y s t e m U S B
9、A p p l i c a t i o n P r o g r a m,D a t a b a s e S y s t e m独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得_ 合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。学 位 论 文 作 者 签“:k,P p签 字 日 期:t-F 耘l 6 口学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完
10、全了 解.遗W 工 业左艺有 关 保留、使 用 学 位 论 文 的 规 定，有 权 保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 合肥工A1 岁 匕 可以 将学 位论文的 全部或部分内 容编入 有关数 据库进行 检索，可以 采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名签 字 日 期:-)0 竹导师签名:签字日期:学位论文作者毕业后去向工作单位:通讯地址:电话:邮编:致谢 本人在从事课题研究及论文撰写过程中，得到了导师温阳东教授的悉心指导。导师渊博的学识、严谨的治学使我受益匪浅。研究生期间，导师在
11、学习和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此对他表示衷心的感谢和深深的敬意。同时感谢大学时代的所有老师对我的帮助和指导。另外，本人的论文得以顺利完成还要感谢很多同学朋友的帮助。感谢课题组的毕锐、卫华、张媛媛、徐海清、徐勇、马力伟、邹伟、高洋、刘莉、陈玉、卫敏等;感谢已毕业的陈署玲、张晶晶、齐先军和汪斌等;感谢我的好朋友张静、刘芳芳、张晓艳、王敏等。这些人都给了 我莫大的鼓励和帮助，在此深表谢意。最后，特别地感谢我的家人多年来在精神上生活上给予我的支持!作者:徐 华 丽2 0 0 4 年4 月日第一章 概述变电站综合自 动化系统概论变电站综合自 动化的基本概念 11 2 1 3 1 变电站综合自
12、动化系统是一项多专业性综合技术，是电网运行管理中的一次变革。它是将变电 站的二次设备(包括控制、测量、保护、自 动装置及远动装置 等)利用计算机技术、现代通信技术，经过功能组合 和优化设计，对 变电 站执行自 动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自 动化系统。变电站综合自 动化可以收集较齐全的数据和信息，加上计算机高速计算能力和判断能力，可以方便的监视和控制变电站内各种设备的运行及操作。变电站综合自 动化具有功能综合化;设备、操作、监视微机化 包括信息数字化内容);结构分布分层化;通信网络光缆化及运行管理智能化的特征。它的出现为变电站的小型化、智能化、扩大监控范围及变电站安全可靠、优质、经济
13、运行提供了数据采集及监控支持，在其基础上可以实现高水平的无人值班变电站的管理。同时，变电站综合自 动化是电网调度自 动化不可分离的十分重要的基础自动化，只有通过厂站自动化装置和系统向调度自 动化系统提供完整可靠的信息，调度控制中心才可能了解和掌握电力系统实时运行状态及厂站设备工况，才能对其控制作出决策;同样，要实现调度控制中心的远方控制操作，也只有依靠变电站自 动化装置才能完成或执行操作命令的任务。可以说，一个完整、先进的、可靠的变电站综合自 动化，是实现一个高水平的电网调度自 动化的基础。1.1.2 变电 站综合自 动化的发展概况和现状 P 国外变电站自 动化技术始于2 0 世纪7 0 年代
14、中 后期。英国、意大利、法国、西德、澳大利亚等国均于7 0 年代末新装了微机型远动装置，个别有用 1 6位小型计算机的。1 9 8 1 年5 月在英国召开的第6 届国际供电会议的有关文章指出，变电站监控系统的功能正以综合自 动化为目 标迅速发展，除了 具有遥测、遥信、遥控功能，还要具备寻找处理单相接地故障功能、负荷管理功能、成组数据记录功能、自 动重合闸及继电保护等功能。8 0年代以 后，研究变电站综合自 动化的国家和公司越来越多，相应的技术也越来越先进。例如德国西门子公司、A B B公司、A E G公司，美国G E公司、西屋公司，法国阿尔斯通公司等都有自己的综合自 动化系统的产品。德国西门子
15、公司于 1 9 8 5 年在德国汉诺威正式投运了第一套变电站自 动化系统L S A-6 7 8，此后陆续在德国以及欧洲投运了3 0 0 多套该种型号的变电站自动化系统。我国也于 1 9 9 5年投运了该公司的L S A-6 7 8 变电站自 动化系统。该系统结构有两类，一类是全分散式的系统，另一类是集中与分散相结合的系统。两类系统均由6 MB测控系统、7 S/7 U保护系统、8 T K开关闭锁系统三部分构成。Z 1 日 本在2 0 世纪9 0 年代也在其新建和扩建的高 压变电 站采用了以 计算机监控系统为基础的运行支援系统。其主要特点是继电保护装置下放至开关现场，并设置微机控制终端，采集测量值
16、和开关接点信息，通过光缆传输至主控制室的 后台 计算机系统，开关及隔离开关操作命令也由 主控制室通过光缆下达至终端执行。主控制室计算机系统采用双以太网。保护有直接置于各高压开关旁密闭箱内的，有置于开关附近保护室内的。美国变电站自 动化技术目 前投运的大体有三类:一类是以远动终端设备 (R T U R e m o t e T e r m i n a l U n i t)为基础进行实时数据采集，配置微机作当 地功能，并和上级调度中心通信;另一类以 通用计算机为数据采集设备，不但采集实时数据而且建立历史数据库，并通过计算机网(以太网)与远程工作站联络;第三 类采用M O D B U S-P L U
17、S(1 M b i t/s)，保护监 控1/O等部件均通过规 约转换器 (g a t e w a y)接入该网，并通过R T U与调度中 心 联系，网 上标准计算 机建立实时、历史数据库和提供人机联系画面等。我国变电站综合自动化技术的研究工作开始于2 0 世纪8 0 年代。当时由于微机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等装置相继更新换代，实现了微机化，因此统一考虑变电站二次回路各种功能的集成化自 动化系统成为可能。1 9 8 7 年，清华大学电 机工程系研制成功第一个符合国 情的变电站综合自 动化系统，在山东威海望岛变电站成功投入运行。该系统主要由三台微机组成，分成三个子系统，担负了变电
18、站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等全部任务。2 0 世纪9 0 年代，特别是近年来，随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发展，变电站综合自动化技术取得了极大的进展。现场总线技术的引入，使变电站综合自 动化系统从体系结构上面临着有原来面向功能开始往面向对象发展。微机技术特别是单片机技术的发展，使人们认识到变电站综合自 动化系统按其服务对象(一次设备)将保护、测量集成在一起，然后通过网络联系起来，可以将体积大大缩小，有很多优越性。因此，总线技术开始被引进变电站综合自 动化技术中。另外，小波分析作为一种多学科运用的数学工具，开始步入变电站综合自 动化领域。该种技术与计算机技术结合，为
19、开展新原理和新算法的微机保护装置的研究开辟了广阔的前景。这对于变电站综合自 动化系统的发展必将起着极大的推动作用。1.2监控系统在变电 站综合自 动化系统中的 应用1.2.1 S C A D A 系统31 S C A D A(S u p e r v i s o r y C o n t r o l a n d D a t a A c q u i s i t i o n)系统，即 监 视控制与数据采集系统(简称监控系统)。S C A D A系统一般用于工业过程控制，以完成远方现场运行参数、开关状态的采集和监视、远方开关的操作、远方参数的调节等任务，并为采集到的数据提供共享的途径。S C A D A
20、系统一般由中央监控系统、通信信道、现场执行设备等三部分组成。如图1-1 是 S C A D A系统的一个简单示意图。由于计算机和微电子技术的飞速发展以及工业自 动化技术带来的显著经济效益，S C A D A技术已经在工业控制领域得到广泛应用。图I-1 S C A D A系统简单示意图1.2.2 电力系统自 动化的S C A D A 系统 最初，S C A D A系统只是在配电网上开发。2 0 世纪7 0 年代后期，由 于实现配电网自 动化的需要，S C A D A系统被引进到配电网监控中。应用于电力系统的S C A D A是以计算机为基础调度自动化系统。它对现场的运行设备进行监视和控制，以实现
21、数据采集、设备控制测试、参数调节以 及各类信号报警等各项功能。利用 S C A D A系统，调度员可以掌握电网当前的运行工况以及发展趋势，给电网的调度带来了极大方便。此外，利用 S C A D A系统采集的实时信息，可以 对电力系统的扰动进行在线快速分析计算，从而预测事故跳闸的后果;可以开发在线潮流计算、系统仿真、校正控制等高级功能软件 2 3 11.2.3 变电站综合自 动化系统中的S C A D A 系统 变电站的监视控制与数据采集系统(S C A D A)是变电站综合自 动化的重要组成部分，完成对变电站内数据采集与控制，是能量管理系统(E MS)和配电管理系统(D MS)应用软件的实时数
22、据来源和操作控制的执行机构，是电网调度自 动化的基础。它作为能量管理系统和配电管理系统最主要的子系统，具有信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、帮助快速诊断出系统故障状态等优势。现在已经成为电力调度不可缺少的工具，在提高电网运行的可靠性、安全性和经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自 动化与现代化，提高调度的效率和水平方面有着不可替代的作用。同时 S C A D A系统又是人与设备之间的桥梁，通过S C A D A，用户可以了解和控制现场设备。具体来说，监控系统的作用表现在以下几个方面:(1)变电站有许多运行信息需要测量，这些信息包括线路的电压、电流、电 度、开关的分闸与合闸
23、等。要想变电站正常运转，就必须实时的对这些量进行采集、分析和处理，同时为工作人员观测到这些数据提供窗口。监控系统提供了这些功能。(2)工作人员可以 通过监控系统向 现场的测控设备下达控制命令(包括开关的分闸、合闸等)，从而实现通过计算机对变电站的运行进行有效控制;同时，监控系统还起到了对远程设备进行参数调节、修改以及向上级电力调度系统发送数据、向中心监控系统上传电力系统的数据等作用。(3)变电站在运行的过程中不可避免的要出现各种异常情况，比如线路短路、过载、过电压等。另外，变电 站的一些运行状态也会不断的变化。这些异常与状态的变化都需要进行及时的响应，因为它们可能会影响电力系统的稳定，甚至还会
24、引起重大的事故，造成经济损失和人员伤亡。监控系统提供了事件与报警系统，使得电力系统运行的各种异常状态以 及各种情况的变化都能迅速得到响应，从而为电力系统的安全提供了保证。1.3课题的背景及来源 随着我国国民经济的持续发展，电力工业的装机容量和用电量大幅度增加，电网不断扩大，对用电质量和可靠性要求也越来越高。变电 站作为电网中线路的 连接点，其数量在逐步增加，各种信息量越来越多。变电 站的安全与经济运行己 经成为电 力系统安全经济运行的重要组成部分。这就对变电 站综合自动化水平要求越来越高。而同时，在技术发展方面，由于微机保护技术的广泛应用，各种硬件设备的成本降低，测控设备种类的极大丰富，再加上
25、现场总线技术发展迅速，以其适应恶劣的工业环境等特点在变电站自动化中得到应用，这使得变电站综合自 动化技术的发展得到很大提高。目 前，有不少高校、研究单位和制造厂商投入到变电 站综合自 动化系统的 研究和制造工作中 O fz l 本课题受某单位委托，要完成变电站综合自 动化的各种功能，包括:监视控制功能、微机保护功能、备用电源自 投功能、通信功能和系统功能等。系统采用分布式微机保护，在所用柜、电源柜、母联柜、电容柜和馈出柜上分别安装微机保护单元;各单元可以与上位机进行通讯，其功能及定值设置既可以在本单元设定，也可以通过上位机集中设定下传;采集到的各类数值既能在各保护单元显示，也可以在上位机集中显
26、示;上位机能够生成各种日、月、季、年报表并打印;上位机能够与调度进行远程通信，实现远程控制。1.4论文的主要研究内 容 本文首先分析了变电站综合自 动化系统的整体设计方案，然后从变电站综合自 动化对监控系统的要求出发，在确保稳定、可靠的前提下，设计实现了一套以实时数据库管理系统为核心的当地监控系统，完成了对变电站各保护单元的四遥功能;完成上位机对数据进行查询、处理、显示、保存功能;实现与其他应用软件的数据接口 功能。木文作者主要做的工作包括:(1)查阅、收集了国内 外变电 站综合自 动化系统的资料，并根据资料设计了当地监控系统的总体结构。(2)应用面向对象技术开发了基于 Wi n d o w
27、s 2 0 0 0的人机界面模块，为整个系统的各级用户提供了简单友好、方便灵活的监视控制图形用户界面。人机系统提供权限管理，不同级别的用户有不同的权限，系统管理员为最高级用户，可以增加、删除其他级别用户。(3)开发了 通讯管理模块的U S B应用程序，完成网络适配器与监控系统的实时数据库接口 通讯功能。(4)开发的历史数据库系统以M i c r o s o f t A c c e s s 为基层数据库平台，采用了开放的数据库连接标准O D B C 管理历史数据。系统提供了查询、增加、删除、修改等功能。(5)以 C+十 为开发语言，自 行设计了实时数据库管理系统。该管理系统除了及时准确地获得现场
28、数据以 外，同时也可以实现与图形系统、历史数据库系统、远方调度通讯、报表系统、报警系统等的连接功能。第二章 变电站综合自 动化系统的总体设计方案2.1 变电 站综合自 动化系统的总体结构形式2.i.1 变电 站综合自 动化系统的设计原则和要求11 11 11 1 为了达到变电站综合自 动化的总目 标，自 动化系统应满足以下要求:(1)综合自 动化系统应集变电站的继电保护、测量、监视、运行控制和通信于一个分级分布的系统中，能全面代替常规的二次设备。系统的功能和配置必须具备R T U 的全部功能，以满足和促进变电站无人值班的实施。(2)微机保护的软、硬件设施要与监控系统相对独立又要相互协调。即在运
29、行中，继电保护的动作行为只与保护装置有关，不依赖于监控系统的其他环节，以 保证在综合自 动化系统中，任何其他环节不影响保护子系统的正常工作;同时，保护又要与监控系统保持紧密的通信联系。另外，微机保护装置应具有串行接口 或现场总线接口，向计算机监控系统提供保护动作信息或保护定值等信息。(3)系统应该具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力。在考虑系统的总体结构时，要注意主、次分清，对关键环节要有一定的冗余。综合系统的各个子系统要相对独立，要具有独立的故障自诊断和自 恢复功能。任一部分发生故障时，应通知监控主机发出警告指示，并能迅速将自 诊断信息送往控制中心。(4)要有远程通信功能，依靠先进的通信网络和
30、合理的通信协议，可以将站内运行的有关数据及信息远传至调度中心或者设备运行管理单位。(5)具有良 好的人机界面，以便运行人员通过屏幕了解各种运行状况，并可以进行必要的控制操作。在有人值班时，人机联系功能在当地监控系统的后台机上进行;无人值班时，该功能在上级调度中心的主机或者工作站上进行.(6)系统的可扩展性和适应性要好，以便适应不同的要求，可以 组成不同规模和不同技术等级的系统。2.1.2 综合自 动化系统的结构模式10 1 变电站综合自 动化系统的发展过程与集成电路技术、微计算机技术、通信技术和网络技术密切相关。随着这些高科技的不断发展，综合自 动化系统的体系结构也不断发生变化，其功能和性能以
31、及可靠性等也不断提高。从国内外变电站综合自 动化系统的发展过程来看，其结构形式可以 分为集中式和分层分布式两种类型。集中式的综合自 动化系统一般采用功能较强的计算机扩展其 U O及外围接口，集中 采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算和处理。该模式面向功能，按保护、监控、故障记录和其他的自 动控制等功能分为若干个相对独立的子系统.分别单独集中完成。图2-1 是集中式变电站自 动化系统的典型框图。该系统是在变电站控制室内设置计算机系统作为变电站自动化的心脏，另设置一数据采集和控制部件用以采集数据和发出控制命令。微机保护柜除保护部件外，每柜有一管理单元，其串行口 于变电 站自 动化
32、系统的数据采集及控制部件相连接，传送保护装置的各种信息和参数，整定和显示保护定值，投/%保护装置。该种模式中，每台计算机的功能比较集中，如果一台计算机出故障影响面比较大;另外，还存在软件复杂，修改工作量大以及组太不灵活等缺点。但因其集保护功能、人机功能、“四遥”功能、自 检功能于一身，具有工作可靠，结构简单，性价比比较高的特点，仍适用于一些小型变电站。打 印 机彩 显键 盘当 地 监 控 系 统远方调度中心鼠 标保护部件理管护元保单机微MODEM数 据 采 集 及 控 制 部 分交 直 流 采 样 YC开 关 量 采 集 YX电 能 表 脉 冲 采 集 Y M开 关 控 制 输 出 丫 K 图
33、2-1集中式结构的综合自 动化系统框图 分层分布式系统从逻辑上将变电站自动化系统划分为两层，即变电站层(站级测控主单元)和间隔层(间隔单元)。该系统采用一种面向对象的设计思想，按每个电网元件(例如:一条出线、一台变压器、一组电 容器等)为对象，集测 量、保 护、控 制 为 一 体，设 计 在 同 一 机 箱，分 散 安 装 在 开 关 柜 上 或 其 他 一 次设备附近.这些现场单元部件可独立完成遥测遥信的数据采集及处理、遥控命令的 执行以及继电 保护功能。变电 站控制室内设置了 计算机系统，通过现场总线等网络对各现场单元部件进行通信联系。另外，为了增加系统的可靠性，保证高压线路保护装置和变压
34、器保护装置等重要的装置处于较好的工作环境，对这些装置可以采用集中组屏安装在控制室内，同样可以通过现场总线进行通信。图2-2是该种分布分层式结构示意图。变电站层间隔层出口回路出口回路状态信号出口回路状态信号 图2-2分散分布式结构的综合自 动化框图 分层分布式结构的变电 站综合自 动化系统有如下优点l0 :(1)配电线路的保护和测控单元，采用分散式结构，就地安装在各开关柜内，减少了保护屏数量，使主控室面积大大缩小，也有利于实现无人值班。(2)保护和控制功能集中到同一装置中，简化了变电站二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。(3)现场单元可独立完成监控和保护功能，即使通信网出现问题，各间隔层的
35、下位仍能执行其相应功能。增加了 保护的可靠性。(4)各模块与监控主机间通过局域网或现场总线连接，信息的传输均为数字信号，所以系统抗干扰能力强。2.1.3 本系统的 框架设计鉴于对集中式结构和分层分布式结构的 分析并结合实际的情况，本变电 站综合自 动化系统设计成分层分布式结构，分为变电站层和间隔层。两层之间建立了 基于C A N总线的站内通讯网，如图2-3 所示。变电站层C A N 总间隔层线路监控保护单元1线路监控保护单元n 电容器保护单元 图2-3变电站系统总体结构 变电站层包括前置机通信单元和后台监控主机单元，这些构成了 上位机系统。间隔层也就是下位机系统，按断路器间隔划分，包括主变监测
36、保护单元、主变后备保护单元、线路监测保护单元、电容器保护单元等。系统底层网络采用C A N总线技术。上位机和下位机的各单元分别作为C A N总线的节点挂接在总 线上，相互之间 通过总线 进行 数据 传输和通 信联系 2 0 12.2变电站底层通讯网络选择 现场总线作为一种全数字的双向多站点通信系统，按照国际标准化组织I S O和开放系统互连O S l 提供网络服务，可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、造价低、维护成本低。现己 被用在越来越广泛的领域。以下是几种常见现场总线的简介 l l II 2 o 1,基金会现场总线 基金会现场总线(F F,F o u n d a t i o n
37、F i e l d b u s)以I S O/O S I 开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为F F 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自 动化测控应用的需要，定义了 信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括F F 通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7 层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的D D L 设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实 现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以 及构筑集成自 动化系统、网络系统的系统集成技术。L
38、 o n W o r k s L o n W o r k s 是1 9 9 2 年美国E C H E R O N公司推出的一种现场总线技术。该种技术采用了L o n T a l k协议，L o n T a l k协议最大的特点是对 O S I的七层协议的支持，是直接面对对象的网络协议，其具体实现采用网络变量这一形式。L o n W o r k s技术是将L o n T a l k 协议封装在N e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。主要用于楼宇自 动化、智能小区、交通运输等领域。P R O F I T B U S P R O F I T B U S 是由P r o f i t b u
39、s-D P、P r o f i t b u s-F M S,P r o f i t b u s-P A 构成的系列。D P 型用于分散外设间的高速数据传输，适用于自 控设备和外围设备之间的数据交换。F M S意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自 动化、可编程控制器等。而P A 型则用于过程自 动化，通过总线供电，提供本质安全性，可用于危险防爆区域。C A N总线 C A N(C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k)控制局域网是一种具有很高可靠性，支持分布式控制、实时控制的串行通信网络。该总线规范已被 I O S国际标准组织制定为国际标准，并已 被公认
40、为几种最有前途的 现场总线之一。C A N总线协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模式基础上的，其模型结构取了O S I 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。C A N 总线采用双绞线串行通信方式，具有很强的检错功能，可以在高噪声干扰环境中使用，而且使用该种总线方式作为通讯网络，开发成本比较低。考虑到变电站对可靠性、实时性、经济性的要求，我们选择了C A N总线作为底层通讯网络。这种基于C A N总线的分层分布式变电站综合自 动化系统的监控系统结构具有以下的特点:(1)数据的采集以每个间隔单元为基础，属于该设备间隔中功能所需信息都经本间隔的采集单元完成，设备的属性和间隔单元中的数据是直接
41、一一对应的;(2)调度对该设备的开关进行遥控操作，是由该间隔中的控制功能部件完成:(3)变电站层或调度端要对变电站任何信息的获取，不需要增加任何中间设备，而是通过数字通信方式获得即可，由站端监控系统通过逐一询问每个间隔单元达到对整个系统设备的控制;(4)对信息的采集是按照每一个间隔进行的，间隔单元层信息采集属于并行处理，无论是测量还是控制都可实现响应的快速性;(5)变电站内的所有设备的间隔单元，全部挂在同一个数据网上，物理地位是平等的，都以相同的方式与上一级站点(变电站层监控)进行信息交换，但在逻辑处理上可以有多种多样的，如可对不同的设备设立不同的优先级;(6)按现场总线的通讯原则对设备的访问
42、次序不需要固定顺序，只要规定的时间内访问完各间隔即可 实时性)，但考虑到现场总线传递的数据帧较短，为提高通讯的效率，仍然以监控系统的前置机对各设备间隔单元的周期性访问方式进行，由 于可设置优先权，把前置机优先级别设为最低;(7)在数据的采集过程中，已 经确立了数据和信息之间的关系，采集过程反应了数据的实际意义。2.3上位机系统 上位机相对于下位机来说相当于主站，主要是对下位机各测控保护单元进行监控;相对于远方调度来说又相当于子站，上传变电站运行信息，同时响应调度的命令，完成相应的功能。2.2.1 网络适配器 上位机中的网络适配器在变电站层里相当于前置通信单元，担负着数据传输和规约转换的任务。上
43、位机需要与下位机交换数据来实现控制功能，而不同的下位机可能有不同的通信协议、采集不同的数据、实现不同的功能。通信单元与下位机通信取得数据，并进行解释、整理，然后上发给上位机;上位机要执行遥控、遥调操作时，先将指令发到通信机，通信机在按照下位机协议下发到指定单元。本系统中，前置通信单元主要有三方面的功能:一方面与C A N总线接口，另一方面与 P C机即当地监控机接口，另外还要与调度中心的通信接口即与M O D E M的接口。这有利于无人值班变电站的实现。本系统采用了自 行开发的基于U S B 接口的C A N 卡设计方案。U S B(U n i v e r s a l S e r i a l
44、B u s)即 通用串 行总线，是1 9 9 5 年康柏、微软、I B M,D E C 等公司为了解决传统总线的不足推广的一种新型串 行通信标准，它可以 解决传统的计算机外设接口 不通用以 及有限的接口 数目 无法满足多外设连接的问题。我们选用U S B 接口 主要是源于U S B 技术具有以 下优点(1 (1)易于使用 U S B 非常通用，很多种外设都可以 使用它，不需要为每个外设配备不同的接口和协议。当U S B 外设连接到一个正在运行的系统时，W 工 N D O W S 能自动检测到外设并载入合适的驱动程序。当U S B 设备拔下时，系统能检测到并卸载相应的驱动程序。U S B 连接简
45、单，一般的P C 机都有两个U S B 端口，我们只须通过两根简易电缆就可以连接U S B 端口和外设，而不再需要打开机箱。另外，U S B 支持热插拔，可以 在任何时候连接和断开外设，而不管系统和外设是否开机，都不会损坏P C和外设。(2)数据传输快速可靠 U S B 数据传输的可靠性来自 于硬件设计和传输协议两方面。U S B 控制器和电缆的硬件规范可以消除大多数可能引 起数据错误的噪声。此外，U S B 协议使用了错误检测功能，在检测到错误的情况下通知发送者，并重新发送数据。检测、通知和重新发送都是由硬件自 动完成，不需要任何程序。(3)低成本和低功耗 U S B 接口的组件和电 缆并不
46、贵，带有U S B 接口 的设备与带有相同 功能的 老接口 的设备费用相比 是相同 或更少。对于低速设备来说，成本会更少。另外，当总线连续3 m s 没有活动时，U S B 总线会检测到并自 动关闭 它的电 源，并能够在需要的时候开启。这个特征具有降低电源消耗从而带来保护环境的好处。(4)协议灵活 U S B 提供了四种数据传输形式:控制、批量、中断、等时传输。这使得U S B技术适合于类型的外设。其中包括大块和小块数据交换传输类型;有和没有时间限制的传输类型;对不须延迟的数据。U S B 可以保证传输的速率和传输所需要的最长时间。(5)开发周期短 U S B 技术已 经得到了W 工 N D
47、O W S 9 8 或以 上多种流行操作系统的支持，这些操作系统内部自 带U S B 驱动程序(包括总线驱动程序和主机控制器驱动程序)，因此，开发者在设计程序时，只须编写与应用程序通信的设备驱动程序，而无须再开发U S B 设备底层的驱动程序，并且，一些控制器芯片厂商所提供的驱动，开发者可以 直接拿来或稍作修改就可以使用。另外，外设负责响应请求来发送和接收配置数据，也负责在被请求时 读或写 其他数据。在一些芯片中，一些功能是以微代码的形式固化在硬件上的，不需要编程。所有这些都给开发人员带来了极大的方便，从而缩短了产品的研发周期。2.2.2 后台 监控主机 后台主机主要完成当地监控功能，除了要完
48、成变电站主设备正常运行参数和状态数据的实时采集和处理;还要对不正常和事故状态的数据进行分析处理;同时要完成保护定值的修改和下发、调度命令的及时解释和执行等。具体说来其功 能 可以 分 成以 下 几 个方 面 3 7 1.(1)收集并保存变电站下位机各单元采集的现场实时数据，录入并保存反映变电站系统和各设备状态的离线数据。(2)运行系统软件以及应用软件，处理实时数据，下发相应控制调节命令，对历史数据进行运算、统计、绘图、打印 和输出等处理，为系统运行管理提供依据。(3)主站提供报警提示。当各设备出现故障，包括断路器跳闸、保护装置动作等，以 及各种不正常事件，如:设备变位、状态异常、模拟量越限以及
49、下位机各间隔单元状态异常时，主监控机会发出响应的提示。(4)给用户提供各种形式的信息显示界面，其中包括以 地图为背景的实时系统运行工况图。本方案中上位机的后台主机为监控主机。作为调度、运行及专业人员的人机交互窗口，该监控主机以图形显示、报表打印、语音报警等各种方式对系统运行状况进行实时监控、可控装置的控制调节等，完成调度中心的“四 遥”功有 Y aG o2.4下位机测控保护单元 保护测控单元主要由三个模块组成:采集保护模块、主C P U模块和通信模块。为了提高系统的运行速度，减轻单个 C P U运行负荷，每个单元均采用双C P U结构，一片C P U完成模拟量采集和处理、开关量输入/输出和人机
50、接口 功能。另一片C P U与C A N总线接口通信。应用双口R A M完成两C P U之间的数据交换。采 集 保 护 模 块 19 1=4 1 电力系统保护单元系统中，数据进入保护功能处理程序之前要进行一系列的预处理。由电力系统输入继电保护装置的模拟信号主要有两类，一类是来自P T或C T 的交流电压、电流信号，另一类是来自 分压器或分流器的直流电压电流信号。这些信号首先被转换成与微型计算机相匹配的电平，通过模拟滤波削去其中的高频成分，然后由采样保持环节将连续信号离散化。由于输入信号往往不止一个，所以由多路转换器逐一交给A/D 转换器拜城数字量。这些数字量还应在存储器中按先后顺序排列，以方便