基于rs-500总线的电力高压监控系统

基于rs-500总线的电力高压监控系统

0现场数据采集慢济钢集团电力高压系统的自动化程度进一步提高，但通过在i/o槽内连接到工业控制装置的数据采集卡，并在现场收集现场的rs-485系列微型计算机保护设备。系统响应缓慢，无法传输数据，不利于整个工具设计体系的监控和规划管理，无法实现个人价值。1自动化系统通信变电站自动化系统实质上是由多台微机组成的分层分布式控制系统,包括微机监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统。各子系统又由多个智能模块组成,例如在微机保护子系统中,有变压器保护、电容器保护、各种线路保护等。因此,在变电站自动化系统内部,必须通过内部数据通信实现各子系统内部和各子系统之间的信息交换和信息共享。目前,该公司已基本实现微机保护,厂区110、35、10、6kV高压系统内微机保护单元及智能仪表多数只能支持串行接口标准,采用RS-485接口Modbus通信协议。RS-485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式,目前高压系统内设备间的RS-485通信网络都采用半双工方式。由于RS-485总线采用半双工通信方式时,同一时刻只能有1个节点为主节点(即可占用总线发送数据),如果有2个或2个以上节点同时向RS-485总线发送数据,那么会导致数据发送失败,因此如何实现多主节点对底层保护设备的访问是项目要解决的一大难题。1.1加主机的i/o已启动如图1所示,某降压变电站用2台主机实现原始的双机监控方案,2台主机都可以作为独立的工作站对底层的保护进行监控。但这种用程序来解决主从机切换问题受到许多限制:2台主机的驱动程序、同一保护设备在接口表中的配置、设备对应的标签名、寄存器地址都要一致。这种双机热备,主机与从机的I/O驱动程序都启动了,只是从机不从自身的I/O驱动程序采集数据,不能保证启动后的从机I/O驱动程序不对RS-485总线设备进行通信访问。实际上这种方式不是真正意义上的双机切换模式,只能是一台当机后另一台可以对底层设备进行写操作。最终还是要通过串口采集卡来采集数据,最大波特率只能设成9600,系统响应速度仍然很慢。1.2主机主节点系统故障时改进后的RS-485总线设备双机监控方案,物理结构上只增加了2块以太网卡、1个小交换机及1根五类线,监控软件改为网络版的SCADA软件,配置了1台主机、1台从机,如图2所示。通常情况下由主机的串口采集卡与下层的保护设备进行通信,从机通过网络(TCP/IP)实时监视主机状态,并从主机的网络数据库获取所需数据,不启动自身的I/O驱动程序;一旦从机发现主机停止响应,便接管控制,启动自身的I/O驱动程序进行数据采集。故障主机重启后,查询从机的状态,完成与从机信息同步后,从机停止控制工作,将控制权还给主机。从理论上看,这种方法是可行的,2台上位机只有1台I/O驱动程序对RS-485总线设备进行通信访问,是一种单主节点系统。但这种方法有以下不足:(1)2台上位机必须通过网络相互通信,网络通信的中断将导致2台上位机都成为主机,从而同时访问RS-485总线设备,使系统瘫痪。(2)主机故障排除后,要重新接管控制,而此时从机的I/O驱动程序已启动,退出是困难的。(3)当主机的串口卡出现异常时,从机不能判断主机的串口卡是否工作正常,因而也就失去了双机的优势。实际上用当前的组态软件实现双机热备时,主从机的I/O驱动程序都启动了,只是从机不从自身的I/O驱动程序采集数据,不能保证启动后的I/O驱动程序不对RS-485总线设备进行通信访问。1.3采集系统及平台鉴于以上两种方案的局限性,提出主从服务器上位机架构方案。本方案中,采集设备为主从通信管理机,通过电力系统IEC104协议实现数据的远传及遥控功能,同时增加GPS全网对时功能,以保证全网数据及信息的准确性。多后台/双通信管理机监控方案如图3所示。2遥信和遥感通信经过不断研究和探索,开发出基于LINUX操作系统的通信管理机规约转换程序,制定了最优的可实施方案。图4为实际厂站/电力调度组网实施方案,底层保护设备接入通信管理机的串口,上层通过以太网与就地服务器、远方调度中心通信。本方案采用IEC60870-5-104协议实现数据远传。IEC60870-5-104协议既是变电站到控制中心的唯一通信协议,也是变电站自动化系统到控制中心的唯一的通信协议。主程序设计采用在通信管理机内建MontaVista嵌入式Linux2.4.18系统的方法,同时基于该系统开发出新的Modbus通信程序及相关的配置文件,利用新的通信程序与保护单元进行通信,通信方式为轮询。该通信程序按照配置文件中的配置轮流询问每个高压微机保护单元的遥信、遥测、SOE事件、故障录波等数据,同时解析处理保护返回的数据,并按照IEC60870-5-104的帧格式进行打包,定时发送给就地服务器及远方调度系统,完成Modbus到IEC60870-5-104规约的转换任务。就地服务器后台系统采用IEC60870-5-104协议的接口程序,接收通信管理机主动上传过来的数据,对收到的数据进行解析、处理,实现遥信、遥测功能。由于保护采用Modbus协议,主要的通信方式是轮询,为保证系统的响应时间,正常情况下管理机只主动上传SOE和遥测数据,保证SOE、遥测的响应时间,后台系统启用IEC104的总召唤功能,定时召唤管理机中的遥信数据。这样就减少了正常运行时IEC104报文种类的数量,提高了SOE、遥测发送的频率,加快了系统对遥测、SOE事件的响应速度,同时为了保证后台遥信变位的快速响应,特意增加了SOE刷新遥信状态的功能。虽然管理机平时不主动上传遥信数据,但有遥信变位发生时,后台系统接收到相应的SOE事件后就会进行SOE的报警处理,同时更新实时数据库和动态画面,以保证系统对遥信、遥测、SOE事件的响应速度。对于后台发送的遥控命令,管理机收到后采用多线程处理方式,不中断数据上发,而是调用遥控处理线程,将遥控对象所在通道的轮询挂起,在处理完遥控命令后恢复轮询,从而保证了遥控的速度,且遥控时不影响其它功能的正常发挥。有故障出现时,管理机将自动读取故障装置波形文件,并将数据上传到后台系统。图5为通信管理机主程序流程图,图6为底层保护单元Modbus通信协议程序流程图,图7为IEC104从站程序。3双机变换技术的开发3.1基于管理机的主机为了确保数据采集的可靠性与遥控的准确率,大型且重要变电站都采用双机冗余结构,负责四遥功能的通信管理机均配置冗余。底层保护设备采用Modbus协议,而该协议限制2台管理机同时访问保护,因此将2套管理机分为主从机。正常情况下,2套管理机同时运行,主机负责主要的通信任务,从机处于监听状态;当主机出现故障时,从机由监听状态转为主动发送状态,负责系统通信任务,从而实现故障时自动切换,保证了系统的正常运行。3.2自动切换系统RS-485通道及管理机端口故障,系统能根据其状况对每个通道进行独立切换;管理机故障自动切换;管理机内部程序错误,系统死机时,自动切换到从机;管理机掉电自动切换。3.3从机中心端的控制板发送数据双机切换多采用握手机制,整机切换。本系统采用新的切换原理,不通过定时的握手来判断切换,而是通过监视数据流情况来判断切换条件,即系统正常时,只有主机工作,从机在线监听;切换条件满足时,从机开始工作。当主机RS-485通道或管理机端口发生故障时,在设定的时间内通过该端口的数据流将会出现异常或没有数据通过,此时处于监听状态的从机该端口数据流也会出现异常或无数据,从机判断后,通过网口向主机发送消息,请求该端口主动向RS-485通道发送数据;主机端口接到该握手信号后,自动关闭该端口,发送同意从机该端口工作的消息;从机接到后,立刻启动该端口。这种情况下切换的时间主要取决于设定的数据流监视时间,可根据现场要求及各端口的配置情况调整,以满足电力调度系统双机切换时间短于50s的要求。管理机内部发生故障或者掉电时,管理机所有的RS-485通道都关闭,从机监视各端口数据流出现的问题,同时向主机发送每个端口的切换消息。由于主机故障或掉电,无法响应从机请求,因此从机在预定时间内没收到返回消息时,主机立即开放各端口,担负整个系统的通信任务,切换时间基本与上述的相同。3.4本机的主理机口网口介绍为保证切换过程中产生的SOE事件、故障波形、遥信变位等情况能正确、完整地上传后台,对切换的原理进行了完善。当2台管理机正常运行时,两者间有数据同步功能,所有的数据都同步通过固定网口,该网口以直连的形式工作,能保证2台管理机内数据一致。当主管理机出现故障、掉电或通道发生故障时,故障管理机内的程序会终止各通信口和相应端口的发送任务,此时若有新的事件产生,保护内的事件交换区内计数增加。切换时,主机无法和保护通信,事件无法读取,保存在管理机中的事件标识不会改变。切换完成后,从机访问保护,若发现事件标识不一致,就知道有新事件产生;于是读取该事件,同时发送SOE及遥信