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变电站综合自动化结业论文 变电站综合自动化分布式通信系统研究引言通信是变电站综合自动化系统非常重要的基础功能。借助于通信，各断路器间隔中保护测控单元、变电站计算机系统、电网控制中心自动化系统得以相互交换信息和信息共享，提高了变电站运行的可靠性，减少了连接电缆和设备数量，实现变电站远方监视和控制。摘要通信在变电站综合自动化中占有非常重要的地位。其内容包括当地开关场的采集控制单元与变电站监控管理层之间的通信，以及变电站当地与远方调度中心之间的通信。变电站自动化系统的结构形式一般有集中式和分层分布式两种。不同的系统结构意味着不同的通信系统组态，它们在通信速度、可靠性和可扩展性方面的指标都有不同。现在的主流是分层分布式1，2，它的结构一般包括三层。第一层为变电站监控层，承担站内人机接口、监视、管理、控制等任务。第二层为通信管理层CONTROL ENGINEERING China版权所有，负责对下层就地装置进行通信管理，并与远方调度中心通信。承但着采集、控制和远动职能。它可通过传统的RS-422/485总线、局站中速网络(Lon works及CAN技术)或高速标准LAN技术通信。虽然RS-485总线通信速度不高CONTROL ENGINEERING China版权所有，但110 kV及以下电压等级和非枢纽变仍采用这一传统的方式。第三层是就地的模拟量、开关量和脉冲量数据采集、保护和控制操作出口，通常为分布式结构。三层之间靠通信联系。分层分布式系统的方案有很多种。结合当前国内变电站的实际情况。分别对新建无人值守变电站和旧站改造两种情况提出了设计方案。并着重从通信的角度进行论述。关键字：变电站 综合自动化 通信一、通信的基本概念通信是变电站综合自动化系统非常重要的基础功能。借助于通信，各断路器间隔中保护测控单元、变电站计算机系统、电网控制中心自动化系统得以相互交换信息和信息共享，提高了变电站运行的可靠性，减少了连接电缆和设备数量，实现变电站远方监视和控制。变电站自动化系统通信主要涉及以下几个方面的内容。(1)各保护测控单元与变电站计算机系统通信。(2)各保护测控单元之间互通信。(3)变电站自动化系统与电网自动化系统通信。(4)其他智能化电子设备IED与变电站计算机系统通信。(5)变电站计算机系统内部计算机间相互通信。实现变电站综合自动化的主要目的不仅仅是用以微机为核心的保护和控制装置来代替传统变电站的保护和控制装置，关键在于实现信息交换。通过控制和保护互连、相互协调，允许数据在各功能块之间相互交换，可以提高他们的性能。通过信息交换，互相通信，实现信息共享，提供常规的变电站二次设备所不能提供的功能，减少变电站设备的重复配置，简化设备之间的互连，从整体上提高自动化系统的安全性和经济性，从而提高整个电网的自动化水平。因此，在综合自动化系统中，网络技术、通信协议标准、分布式技术、数据共享等问题，必然成为综合自动化系统的关键问题。通信的基本目的是在信息源和受信者之间交换信息。信息源，指产生和发送信息的地方，如保护、测控单元。受信者指接收和使用信息的地方。如，计算机监控系统、调度中心SCADA系统。要实现信息源和受信者之间相互通信，两者之间必须有信息传输路径。如电话线、无线电通道等。信息源、受信者和传输路径是通信的三要素。实现和完成通信，需要信息源和受信者合作。如，信息源必须在受信者准备好接收信息时，才能发送信息。受信者一方必须准确知道通信何时开始，何时结束。信息的发送速度必须与受信者接收信息速度相匹配，否则，可能会造成接收到信息混乱。除此之外，信息源和受信者之间还必须制定某些约定。约定可能包括：信息源和受信者间的传输是否可以同时还是必须轮流，一次发送的信息总量，信息格式，以及如果出现意外(诸如出现差错时)该做什么。在通信过程中，所传输的信息不可避免地会受到干扰和破坏，为了保证信息传输准确、无误，要求有检错和抗干扰措施。数字通信系统的工作方式按照信息传送的方向和时间，可分为单工通信、半双工通信、全双工通信等三种方式。1.单工通信是指消息只能按一个方向传送的工作方式。2.半双工通信是指消息可以双方向传送，但两个方向的传输不能同时进行，只能交替进行。3.全双工通信是指通信双方同时进行双方向传送消息的工作方式。为完成数据通信，两个计算机系统之间必须有一个高度的协调。计算机之间为协调动作而进行的信息交换一般成为计算机通信。类似地，当两个或更多的计算机通过一个通信网相互连接时，计算机站的集合称之为计算机网络。二、系统组成2.1系统总体结构系统结构如图1所示，由监控主机、智能式多端口通信管理卡和若干台就地单元组成。第一层是监控主机，它由通信管理层得到实时数据，承担着人机接口、监视、管理、控制等变电站主控室功能。同时，第一层也可包括远方调度中心1，它通过长距离通信通道访问第二层。第二层是通信管理卡，它主动访问下层单元，得到各种数据信息，向上一层提供实时数据;并接受上一层的控制命令，转发给下一层执行。它也承担着通信规约解释、转换工作5，使上一层与下层采集、控制设备型号无关，有利于系统的模块化。第一层、第二层的结构对于新站和旧站改造都适用。图1通信系统结构图(新站)第三层是采集、控制设备及继电保护。对于新建的变电站，一般由按间隔设计的就地单元组成。所谓就地单元，应具有对该间隔的测量、保护、控制等功能。它接入了TV，TA二次侧电量和开关、刀闸的辅助结点位置，有出口控制回路，可独立运行，投退不影响系统工作。就地单元应有通信接口，可完成与上一层的数据交换。对于旧站的自动化改造，第三层要复杂一些。由于老站一般只有就地的保护装置和模拟量、开关量观测表记，因此在原有装置的基础上，应增加具有通信功能的采集控制设备。如图2所示，系统增加了开关量采集及控制单元、模拟量采集单元和电度量采集单元，分别完成对原有相应设备的数据采集和控制出口。这些单元具有与上一层通信的功能，将实时数据传送给通信管理卡，并接受通信管理卡的控制命令进行控制操作。图2通信系统结构图(旧站改造)2.2各层之间的联系2.2.1第一层与第二层的联系监控主机和远方调度中心都是通过通信管理层得到实时数据的，因此通信管理层是通信系统的核心，它直接影响到整个自动化系统的性能。为了增强可靠性，本系统的通信管理卡采用双CPU结构。其中CPU1用来向下层单元采集数据，CPU2用来和远方调度中心通信。通信管理卡插在监控主机的PC总线插槽上，并带有双口RAM。监控主机以访问内存的方式得到通信管理卡双口RAM上的数据，从而使监控主机获取实较强，只需在上电时由监控主机内的程序对它们进行初始化，此后通信管理卡可以与监控主机并行工作而不占用主机资源。即使监控主机故障，它们仍能正常工作，除非主机电源消失，而此时只失去变电站主控室监控功能，远动功能正常，下层设备工作正常，信息不会丢失。远方调度中心通过远程通信访问通信管理卡，一般是采用专用微波通道。通信管理卡的CPU2专门处理这种通信，将RAM中的数据按远动规约传送给调度中心。2.2.2第二层与第三层的联系对于新站如图1所示，通信管理卡由多个RS-485通信接口引出多个通道ch 0n1，每个通道上至多可挂n2台就地单元，以RS-485总线型网络连接。通信管理卡的n1个通道并行工作控制工程网版权所有，每个通道上采用轮询的方式访问n2个就地单元。可见n1个通道的实时通信取决于通信管理卡CPU1的处理速度，而CPU的处理速度远远大于实际运行中的通信波特率，因此能用软件切换保证多个通道并行工作。就地单元通过RS-485网与通信管理卡通信。它的通信功能包括：传送本间隔的测量量，开关、刀闸位置信号和保护动作情况，控制开关位置控制工程网版权所有，保护的定值修改及保护软投退。就地单元采用485总线插口式接线方式，新增、投退线路不会影响整个通信网正常工作。对于旧站改造方案如图2所示。尽量选择同一种通信规约的采集控制单元，这样可以把各采集控制单元平均分布在各通道上，节省通信管理卡CPU资源。否则就要求把相同规约的单元挂在同一通道上，以使总线上的数据格式相同，避免软件控制出错。如果由于变电站设备纷杂或数据量很大导致CPU资源不足，可以考虑增加通信管理卡的个数n3，让多个通信管理卡同时工作，提高整个系统通信的速率。实际上可以看出数据更新周期只与通道上需要轮询的单元数n2有关，只要选定满足数据更新速度的n2，通过增加n1和n3可以满足任何大容量变电站的要求，从而既保证了通信管理卡向下采集数据、执行控制命令的速度，又不限制下层设备的数据量。二、变电站综合自动化系统通信的任务变电站综合自动化系统通信包括两个方面的内容：一是变电站内部各部分之间的信息传递，如保护动作信号传递给中央信号系统报警；二是变电站与操作控制中心的信息传递，即远动通信。向控制中心传送变电站的实时信息，如：电压、电流、功率的数值大小、断路器位置状态、事件记录等；接收控制中心的断路器操作控制命令以及查询和其他操作控制命令。1综合自动化系统的现场级通信综合自动化系统的现场级通信，主要解决综合自动化系统内部各子系统与上位机(监控主机)之间的数据通信和信息交换问题，其通信范围是在变电站内部。对于集中组屏的综合自动化系统来说，实际是在主控室内部；对于分散安装的综合自动化系统来说，其通信范围扩大至主控室与子系统的安装地(如断路器屏柜间)，通信距离加长了。综合自动化系统现场级的通信方式有并行数据通信、串行数据通信、局域网络和现场总线等。2综合自动化系统与上级调度的通信综合自动化系统必须兼有RTU的全部功能，应能够将所采集的模拟量、断路器状态信息及事件顺序记录等远传至调度端；应能接收调度下达的各种操作、控制、修改定值等命令。即完成新型RTU等全部四遥功能。三、数据通信的传输方式1并行数据通信方式并行数据通信是指数据的各位同时传送，可以用字节为单位(8位数据总线)并行传送，也可以用字为单位(1 6位数据总线)通过专用或通用的并行接口电路传送，各位数据同时发送，同时接收，其特点如下。(1)传输速度快。有时可高达每秒几十、几百兆字节。(2)并行数据传送的软件和通信规约简单。(3)并行传输需要传输信号线多，成本高，因此只适用于传输距离较短且传输速度较高的场合。在早期的变电站综合自动化系统中，由于受当时通信技术和网络技术的限制，变电站内部通信大多采用并行通信方式，而在综合自动化系统的结构上多采用集中组屏的方式。2行数据通信串行通信是数据一位一位顺序地传送,串行通信有以下特点。(1)串行通信的最大优点是串行通信数据的各不同位，可以分时使用同一传输线，这样可以节约传输线，减少投资，并且可以简化接线。特别是当位数很多和远距离传送时，其优点更为突出。(2)串行通信的速度慢，且通信软件相对复杂。因此适合于远距离传输，数据串行传输距离可达数千公里。在变电站综合自动化系统内部，各种自动装置间或继电保护装置与监控系统间，为了减少连接电缆，简化接线，降低成本，常采用串行通信。3域网络通信局域网络是一种在小区域内使各种数据通信设备互连在一起的通信网络。局部网络可分为两种类型：局部区域网络，简称局域网(LAN)；计算机交换机(CBX)。局域网是局部网络中最普遍的一种。局域网络为分散式的系统提供通信介质、传输控制和通信功能的手段。局域网络的典型的特性是：高数据传输速率，01lOOMbp。；短距离，0.125krn；低误码率局域网的核心是互连和通信，网络的拓扑结构、传输介质、传输控制和通信方式是局域网的四大要素。四、通信过程的实现4.1数据采集过程数据采集过程即站内监控主机和远方调度中心得到下层设备实时数据的过程。通信管理卡和下层单元之间的通信采用Polling式异步通信规约，通信管理卡为主，就地单元或采集控制单元为从。通信管理卡不停地向通道上每个单元轮询采集实时数据，存放在双口RAM中，各通道由软件切换并行工作。监控主机可以直接以访问映射内存的方式得到通信管理卡双口RAM上存放的实时数据，而不必占用通信管理卡CPU的处理时间，也不必等待通信管理卡的访问过程。远动职能是专门由通信管理卡的CPU2负责处理的，这样可以提高可靠性，加快通信速度。CPU2将通信管理卡上的实时数据按照远动规约传送给调度中心。远动规约一般由调度中心决定。若是异步通信，调度中心为主，通信管理卡为从;若是同步通信，通信管理卡主动向调度中心发送数据。4.2 控制操作通信过程若在变电站主控室进行控制操作，监控主机通过双口RAM将命令交给通信管理卡处理。由通信管理卡将命令向某下层单元发送下去。下层单元执行完毕后将执行结果等数据回送给通信管理卡，此时监控主机通过双口RAM得到执行结果。若在远方调度中心进行遥控或遥调，通信管理卡按远动规约收到控制命令后，按就地通信规约将命令内容转发给某一下层单元执行。下层单元执行完毕后将执行结果等数据回送给通信管理卡，通信管理卡将这些数据按远动规约送往调度中心。时数据的速度非常快，同时也简化了监控主机的编程。通信管理卡的独立工作能力五、结语本文论述的分布式变电站综合自动化通信系统具有以下特点：(1) 通信速度快。上层监控主机以访问内存的方式得到通信处理层的数据。通信管理卡采用多通道并行工作方式与下层就地单元通信。就地通信和远动通信并行完成。(2) 可靠性高。通信管理卡在监控主机故障后仍正常工作，除非主机电源消失。其余智能设备只通过通信网络联系，某设备故障不影响其他设备正常运行。(3) 可扩展性强。对于新建变电站，新增、投退线路时，可在通信网