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[導(dǎo)讀]嵌入式以太網(wǎng)在電力高壓監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵。該文研究了新一代基于嵌入式以太網(wǎng)電力高壓監(jiān)控系統(tǒng),并給出了網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案及其功能特點(diǎn)。實(shí)踐證明新一代高壓監(jiān)控系統(tǒng)更具有良好的互操作性和開放性,能夠滿足日后變電站自動化發(fā)展的需求,代表了變電站自動化發(fā)展的最新成果。

  1嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)
 

  由于互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。嵌入式以太網(wǎng)因?yàn)樗俣瓤?,帶寬較寬,互操作性好,可擴(kuò)展性強(qiáng),價(jià)格便宜等特點(diǎn)在嵌入式控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,變電站自動化系統(tǒng)選用嵌入式以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代表了變電站自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的最新方向。

  用于智能設(shè)備的嵌入式微處理器、主頻速度、控制軟件的水平都有了很大的提高,再加上互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及,這些計(jì)算機(jī)發(fā)展的新成就都有力的推動了嵌入式以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。代表世界電力標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展先進(jìn)領(lǐng)域的IEC國際標(biāo)準(zhǔn)化組織,為使不同廠商的自動化產(chǎn)品具有互操作性,已制定了關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信體系IEC61850。盡管該標(biāo)準(zhǔn)還沒有頒布正式版本,但已經(jīng)出版的IEC61850委員會草案中,已經(jīng)明確定義了嵌入式以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)作為唯一的變電站自動化領(lǐng)域的通信網(wǎng)絡(luò),這將是技術(shù)發(fā)展的國際大趨勢。

  2高壓監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

  基于以太網(wǎng)的高壓監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式可以非常靈活,在小型變電站自動化系統(tǒng)中可以采用簡單的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),各智能設(shè)備直接通過以太網(wǎng)連接到主控通信單元。

  《IEC61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)推薦大中型變電站的自動化系統(tǒng)應(yīng)該采用按間隔配置、面向?qū)ο蟮慕M網(wǎng)方式,如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)體系大致分為三層結(jié)構(gòu)。

 

 

 

  最上層為站控層。包括雙主控通信單元,雙機(jī)為冗余熱備用方式,主控通信單元負(fù)責(zé)管理全站范圍的智能通信單元,收集各智能單元的數(shù)據(jù)送往調(diào)度主站,并把主站下發(fā)的控制命令分發(fā)到相應(yīng)的采集單元;雙機(jī)數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)同步刷新;其備份方式既可以為主備方式,也可并列運(yùn)行。根據(jù)用戶的需求可以在網(wǎng)絡(luò)上配置高級應(yīng)用管理單元,如當(dāng)?shù)毓δ?,無功綜合控制服務(wù)器,無防控制服務(wù)器,備用電源自動投切服務(wù)器等高級應(yīng)用功能,這些高級應(yīng)用管理單元既可以以專用軟件模塊的方式集中在主控通信單元實(shí)現(xiàn)(當(dāng)?shù)毓δ艹猓?,也可以分布到網(wǎng)絡(luò)的其它節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的管理功能。

  中間層為間隔通信單元。負(fù)責(zé)管理、收集本間隔內(nèi)智能設(shè)備的數(shù)據(jù),送往站控層;接收站控層的控制命令,分發(fā)到相應(yīng)的智能設(shè)備,同時(shí)可以通過相應(yīng)的軟件模塊完成本間隔內(nèi)的自動控制功能。間隔通信單元也可以根據(jù)用戶的需要配置為雙機(jī)熱備用的方式。

  智能單元包括測控模塊和保護(hù)模塊,分別完成測控功能和保護(hù)功能。

  主控通信單元和間隔通信單元采用雙網(wǎng)分流、故障切換的通信模式。正常通信過程中,雙網(wǎng)分別傳輸不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容,一旦其中的一條網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障,則另一條網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)起傳輸全部數(shù)據(jù)的功能。這樣不但提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,也極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

  間隔通信單元與各智能設(shè)備之間通過10Mbit/s以太網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于本網(wǎng)段內(nèi)設(shè)備相對較少,完全可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

  合理的網(wǎng)絡(luò)配置可以減小網(wǎng)絡(luò)沖突,提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。[!--empirenews.page--]3網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

  網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是設(shè)備可互操作性的基礎(chǔ),現(xiàn)階段,在變電站自動化領(lǐng)域還沒有可以直接遵循的國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850無疑是今后網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的發(fā)展方向,但國際標(biāo)準(zhǔn)的制定和頒布仍然需要一段時(shí)間。我們在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定上,采用了IEC61850的基本設(shè)計(jì)規(guī)范,即采用面向設(shè)備、面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

  如圖2所示,網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約建立在TCP/IP協(xié)議之上,分為三層體系結(jié)構(gòu)。

 

 

 

  通信服務(wù)層建立在TCP/IP之上,完成通信鏈路的建立和維護(hù),通信服務(wù)層給上一層提供可靠的端到端的通信服務(wù)。

  服務(wù)原語層把規(guī)約層的原語調(diào)用轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)報(bào)文結(jié)構(gòu),并通過通信服務(wù)層把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在異種機(jī)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下,完成數(shù)據(jù)報(bào)文主機(jī)字節(jié)順序和網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序的互相轉(zhuǎn)化。本協(xié)議支持與IEC61850相一致的服務(wù)原語。支持的基本的服務(wù)原語有:數(shù)據(jù)對象服務(wù)層調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)原語完成客戶和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫之間的同步刷新,設(shè)備管理,目錄服務(wù)等面向應(yīng)用的功能。對象服務(wù)采用客戶/服務(wù)器模型。本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持豐富的數(shù)據(jù)對象,每種數(shù)據(jù)對象定義了對象值和對象屬性兩個(gè)部分,數(shù)據(jù)對象包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象、事件數(shù)據(jù)對象、控制對象、文件對象等類別。

  4嵌入式網(wǎng)絡(luò)管理

  電力系統(tǒng)中,變電站點(diǎn)多面廣,同時(shí)為適應(yīng)減員增效和現(xiàn)代化管理的要求,很大一部分變電站都是無人值班變電站,這就要求變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)該有極高的可靠性和可維護(hù)性。隨著計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展和國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的建設(shè),通過互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)各級自動化系統(tǒng)將成為一種新的發(fā)展趨勢。也為基于嵌入式web服務(wù)器的設(shè)備配置管理技術(shù)提供了良好的條件。

  新型高壓監(jiān)控系統(tǒng)支持基于web方式的設(shè)備管理。經(jīng)過授權(quán)的用戶可以在客戶端采用標(biāo)準(zhǔn)的web瀏覽器(如IE)在網(wǎng)絡(luò)的任一節(jié)點(diǎn)(甚至互聯(lián)網(wǎng))方便、迅速的配置和管理設(shè)備,存取網(wǎng)絡(luò)信息。實(shí)現(xiàn)對變電站設(shè)備的在線管理,對采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)變電站運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí),可以根據(jù)用戶的設(shè)定自動發(fā)送電子郵件,或者手機(jī)短消息等報(bào)警信息到指定用戶,及時(shí)通知管理人員處理設(shè)備故障。在正常運(yùn)行期間,也可以根據(jù)用戶的設(shè)置,定期自動地向指定電子郵件信箱發(fā)送設(shè)備運(yùn)行日志等。

  基于web的設(shè)備管理方式大大減輕了設(shè)備運(yùn)行人員的勞動,使得設(shè)備管理部門能夠及時(shí)了解變電站運(yùn)行信息,對設(shè)備故障的處理也更加快速有效。伴隨著國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的發(fā)展,基于web的設(shè)備維護(hù)將比以往基于遠(yuǎn)程撥號的維護(hù)方式更加優(yōu)越。

  5嵌入式自動控制

  隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,用于變電站自動化智能設(shè)備的處理能力越來越強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)速度也越來越快,原來必須有一些獨(dú)立的裝置才能完成的自動功能,現(xiàn)在可以分布到新型監(jiān)控系統(tǒng)中各智能設(shè)備上來實(shí)現(xiàn),變電站自動化的發(fā)展方向也必然朝著全分散式系統(tǒng)發(fā)展。

  通過強(qiáng)大、高效的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò),各智能設(shè)備之間可以很方便地實(shí)現(xiàn)信息共享。新型監(jiān)控系統(tǒng)全面支持IEC61131-3定義的5種可編程邏輯控制語言。用戶定義自己的邏輯,實(shí)現(xiàn)各種自動控制功能,通過配置信息可以把自動控制功能分布到各個(gè)智能設(shè)備上,從而實(shí)現(xiàn)真正的分布式自動控制功能。如分布式無功綜合控制,分布式小電流接地選線,分布式電源備自投等自動化功能。

  6結(jié)束語

  新一代高壓監(jiān)控系統(tǒng)中采用了國際先進(jìn)的變電站技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),積極靠攏IEC國際標(biāo)準(zhǔn),使得系統(tǒng)具有良好的互操作性和開放性。采用嵌入式以太網(wǎng)技術(shù),大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性,具有良好的可擴(kuò)充易使用的特點(diǎn),能夠滿足日后變電站自動化發(fā)展的需求,它代表了變電站自動化發(fā)展的最新成果。

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