基于現(xiàn)場總線CAN變電站綜合自動化系統(tǒng)

　　電力系統(tǒng)是一個特殊的系統(tǒng)，其安全性、可靠性要求高，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)營和管理的自動化。隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高，現(xiàn)場總線技術(shù)的日臻完善，以及電力系統(tǒng)減員增效要求的提出，實(shí)現(xiàn)電站綜合自動化，從而達(dá)到無人值班，已成為電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的趁勢。目前，采用符合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)方向的高性能微控制器，現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對中低壓輸配電線路及主設(shè)備的綜合自動化功能。而且能集保護(hù)、監(jiān)控 、調(diào)控、通信于一體，既可聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成綜合自動化系統(tǒng)，也可獨(dú)立運(yùn)行，既可適合有人監(jiān)控中心，也可適合無人值班的要求。眾所皆知，變電站綜合自動化關(guān)鍵在于大量的現(xiàn)場采集信息和數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確，實(shí)時上傳到監(jiān)控中心，也能將監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令準(zhǔn)確無誤地發(fā)送到控制單元，及時采取措施避免事故發(fā)生，這就需要變電站綜合自動化系統(tǒng)有可靠的通信保障。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化中的廣泛應(yīng)用，有效地解決了變電站綜合自動化系統(tǒng)中的通信問題。

　　2.變電站綜合自動化系統(tǒng)

　　2.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)的構(gòu)成

　　變電站綜合自動化系統(tǒng)一般由站控層、通信管理層和間隔層構(gòu)成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備分為站控層、通信管理層及間隔層，間隔層原則上按一次設(shè)備組織，每一間隔層設(shè)備包括測量、控制、保護(hù)、信號、通信、錄波等基本功能，并完成各自的特殊功能，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)信息共享及保護(hù)、監(jiān)控功能的綜合化，極大簡化二次回路，節(jié)省系統(tǒng)投資，由于間隔層設(shè)備可放在開關(guān)柜或一次設(shè)備附近，大為減少主控室面積，節(jié)約控制電纜，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。通信管理層由于各間隔層設(shè)備通信協(xié)議的多樣性，要實(shí)現(xiàn)不同裝置的數(shù)據(jù)鏈接，可加入前置機(jī)(通信管理裝置)完成通信控制和規(guī)約轉(zhuǎn)化，使其在功能上實(shí)現(xiàn)通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)化等功能;通信協(xié)議采用電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互聯(lián)，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)，支持硬件對時網(wǎng)絡(luò)，減少GPS與設(shè)備間的連接，并保證對時精度，硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)以支持多種通信接口，包括以太網(wǎng)、串行通信接口、可擴(kuò)充的其他現(xiàn)場總線接口等;軟件上具有規(guī)約庫以支持RS-232、RS-485、LONWORKS及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP)等多種類型的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，從而具備良好的軟、硬件擴(kuò)展性。站控層包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、運(yùn)行工作站、維護(hù)工作站、監(jiān)視工作站等。

　　2.2 變電站綜合自動化系統(tǒng)功能

　　以某110KV變電站為例，根據(jù)變電站高壓供電系統(tǒng)一次系統(tǒng)的整體要求，變電站綜合自動化系統(tǒng)決定采用CL2000變電站綜合自動化系統(tǒng)，在此，結(jié)合工程實(shí)踐，介紹該系統(tǒng)用于變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)。

　　變電站綜合自動化系統(tǒng)由WXH-322A/01微機(jī)線路保護(hù)裝置，WBH-90系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置，ZBH-91A/05變壓器本體保護(hù)裝置，WBH-92A/02微機(jī)變壓器后備保護(hù)裝置，WMC-31A03微機(jī)母線差動保護(hù)裝置，WBH-93A/02微機(jī)廠用電保護(hù)裝置，WBT-31A/01微機(jī)備用電源自投裝置，微控制器SAB-C167CR(SIEMENS公司產(chǎn))，工作站微機(jī)及相應(yīng)設(shè)備組成。CL2000變電站綜合自動化系統(tǒng)系列保護(hù)裝置具有一般的主要功能，如開關(guān)量的變位遙控，電壓電流的模擬輸入，斷路器遙控分口，脈沖累加，遙控事件記錄及順序記錄(SOE)，邏輯閉鎖等。

　　WXH-322A/01微機(jī)線路保護(hù)裝置是多CPU并行設(shè)計(jì)，距離保護(hù)，零序保護(hù)及錄波，測距分別由單獨(dú)CPU完成，各CPU插件在電氣及結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，無依賴關(guān)系，它能實(shí)現(xiàn)以下功能：

　　(1)保護(hù)功能：a) 三段式相間距離保護(hù); b) 三段式接地距離保護(hù); c) 四段式零序方向過流保護(hù);d) 故障測距; e) 振蕩閉鎖; f) 三段式反向及低壓閉鎖過流保護(hù); g) 檢無壓、檢同期三相一次重合閘，手動同期合閘; h) 低周低壓減載保護(hù); i) 過負(fù)荷保護(hù)或報(bào)警; j) PT斷線告警。

　　(2)測量功能：a) 采集測量電壓，三相或二相測量電流，計(jì)算有功功率，無功功率，功率因數(shù); b) 測量頻率，每周波72點(diǎn)自適應(yīng)采樣; c) 采用12路開關(guān)量; d) 采用4路脈沖量(正負(fù)脈沖 均可); e) 遠(yuǎn)方及本地操作。

　　3.由現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通信功能

　　通信功能是綜合自動化出別于常規(guī)站最明顯的標(biāo)志之一，通信網(wǎng)絡(luò)變電站內(nèi)間隔信息可充分共享，并通過通信接口與外界信息系統(tǒng)交換信息，同時節(jié)省大量電纜，構(gòu)成一個快速、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動化系統(tǒng)的基本要求，也是電力系統(tǒng)運(yùn)行管理功能的基本前提。

　　近年來，隨著我國電力自動化的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)通信方式也不斷改進(jìn)，現(xiàn)場在總線技術(shù)因其組網(wǎng)方便，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)很多，電力自動化系統(tǒng)中最常用的是LONWORKS和CAN總線。

　　LONWORKS總線通信速率為78Kbps和1.25Mbps，CAN總線通信速率為1Mbps。CAN總線是一種有效支持分布控制和實(shí)時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是一種通信速率可達(dá)1Mbps的多主總線[1]。

　　具有優(yōu)先搶占方式進(jìn)行總線仲裁的作用機(jī)理，通信速率高，錯誤幀可自動重發(fā)，永久故障可自動隔離，不影響整個網(wǎng)絡(luò)正常工作，可靠性高，而且協(xié)議簡單，開放性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活，成本低等特點(diǎn)，能為電力自動化提供開放性、全分布及可互操作性的通信平臺。

　　CAN總線的主要特點(diǎn)：

　　(1)CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)，任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主次，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息;

　　(2)CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)最多8個字節(jié)，這樣不僅滿足控制領(lǐng)域中傳遞控制命令，工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)的一般要求，且保證了通信的實(shí)時性，CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分為不同等級，可滿足不同實(shí)時要求，高優(yōu)先級最多可在134μS內(nèi)得到傳輸;

　　(3)CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突時間。CAN的直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km/ 5Kbps，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m?？蓲旖釉O(shè)備最多可達(dá)110個。CAN節(jié)點(diǎn)在自身發(fā)生錯誤時具有自動關(guān)閉功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

　　本系統(tǒng)間隔層主要由保護(hù)單元和測控單元組成，每個測控單元監(jiān)控多路饋進(jìn)饋出，采用先進(jìn)現(xiàn)場總線CAN，現(xiàn)場通信采用雙絞線，總線速率達(dá)1 Mbps，快速、可靠、方便靈活，通信規(guī)約支持IEC-60870-5-101格式，克服RS485網(wǎng)絡(luò)上只能有一個主節(jié)點(diǎn)而無法構(gòu)成多冗余系統(tǒng)的缺陷，具有很高的價(jià)格比。另外，采用雙CAN現(xiàn)場總線內(nèi)部定期對備用CAN進(jìn)行備用檢測，提高了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的冗余度。

　　站控層采用雙10 Mbps雙絞線以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)(能保證變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時性)，由雙服務(wù)器組成，站控層為值班人員提供全廠系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理功能，界面友好，容易使用。通過組件技術(shù)，軟件功能能實(shí)現(xiàn)“即插即用”，能較好地滿足電氣監(jiān)控系統(tǒng)的需要，軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，開放性較好。站控層操作系統(tǒng)可采用Windows2000/NT，數(shù)據(jù)庫選用SQL服務(wù)器，軟件主要功能模塊有前置、數(shù)據(jù)庫生成器、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、報(bào)表管理、報(bào)警信息、曲線、棒圖、動作告警、SOE、事故追憶、錄波分析、人機(jī)界面、自動抄表、設(shè)備管理、定值管理、設(shè)備在線診斷、系統(tǒng)組態(tài)等。電氣監(jiān)控系統(tǒng)中提供了故障信息傳輸系統(tǒng)、各級調(diào)度中心、電能計(jì)量系統(tǒng)、直流系統(tǒng)通信等接口驅(qū)動軟件。

　　總之，系統(tǒng)完成的主要功能有：實(shí)時數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫的建立與維護(hù)、控制操作、同步檢測、報(bào)警處理、順序記錄(SOE)、事故追憶、畫面生成及顯示、在線計(jì)算及制表、電能量處理、遠(yuǎn)動功能、電氣“五防”、時鐘同步、人機(jī)接口、系統(tǒng)自診斷與自恢復(fù)、與其他智能設(shè)備接口、運(yùn)行管理功能等。

　　4.主要軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中，微處理器SAB-C167CR的數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)10 MHz，能完成所有測量、控制及通信等功能，其特點(diǎn)是任務(wù)較多，各任務(wù)之間協(xié)調(diào)較為復(fù)雜，為了便于個任務(wù)之間協(xié)調(diào)與功能擴(kuò)充，CPU軟件系統(tǒng)采用了實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS來優(yōu)化和分配CPU時序和資源，保證程序的實(shí)時性和可靠性，以任務(wù)為對象進(jìn)行資源管理，任務(wù)調(diào)度和異常處理，通過RTOS管理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理的輕重緩急來合理分配占有CPU，優(yōu)化時序分時執(zhí)行，使之不閑置，不擁擠，每個處理過程又有多個不同優(yōu)先級別的任務(wù)組成，采用優(yōu)先搶占操作方式有效保證任務(wù)執(zhí)行的實(shí)時性，采用這一軟件結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是使程序?qū)崿F(xiàn)了真正的模塊化，各個任務(wù)單獨(dú)編程，不受其他任務(wù)的影響，任務(wù)的增減，調(diào)度非常方便。

　　軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：一部分是SAB-C167CR微處理器的軟件設(shè)計(jì)，包括與間隔層設(shè)備間CAN總線數(shù)據(jù)傳輸及上位機(jī)UBS的數(shù)據(jù)通信(使用USB接口方便現(xiàn)場，即插即用，便于PC機(jī)的維護(hù)與升級，滿足變電站數(shù)據(jù)通信的需要);另一部分為PC機(jī)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。這部分上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，若采用面向?qū)ο蟮恼Z言編寫程序，可使用ActiveX控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。對于微處理器和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，考慮到將來間隔層設(shè)備結(jié)構(gòu)的變化和硬件升級需要，程序設(shè)計(jì)分為兩層，底層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送;上層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀上午打包、解包及協(xié)議的解釋。

　　5.結(jié)論

　　隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和電氣設(shè)備微機(jī)化程度的提高，為數(shù)字化形式實(shí)現(xiàn)變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)保證。變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)具有開放性，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互操性(互換性)。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用是變電站綜合自動化發(fā)展的需要，運(yùn)用現(xiàn)場總線技術(shù) ，能解決變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信問題，能保證數(shù)據(jù)通信的速度、質(zhì)量、抗干擾能力，從而保證了變電站綜合自動化技術(shù)的有效實(shí)施。