自動化通信網絡設計分析論文

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摘要：本文論述了一種變電站綜合自動化系統通信網絡的設計。該通信系統具有信息傳送效率高，安全、可靠性好，可擴展性強的特點。通信軟件應用RTOS開發平臺，采用先進的、標準的和成熟的通信網絡技術，充分考慮網絡的開放性、可擴充性等相關問題，并已成功應用于多家變電站。

關鍵詞：變電站綜合自動化通信網接口實時多任務操作系統

0.引言

變電站是輸配電系統中的重要環節，是電網的主要監控點。近年來，隨著我國經濟高速發展，電壓等級和電網復雜程度也大大的提高。傳統變電站一次設備和二次設備已無法滿足降低變電站造價和提高變電站安全與經濟運行水平這兩方面的要求。

而現在變電站所采用的綜合自動化技術是將站內繼電保護，監控系統，信號采集，遠動系統等結合為一個整體，使硬件資源共享，用不同的模式軟件來實現常規設備的各種功能。用局域網來代替電纜，用主動模式來代替常規設備的被動模式。具有可靠、安全、便于維護等特點。

分散分層分布式是變電站綜合自動化系統的發展方向，這就對通信的可靠性提出了更高的要求，選擇一個可靠、高效的網絡結構，是解決問題關鍵。90年代中期，國內外曾掀起一場“現場總線熱”，但是由于技術上的原因以及采用設備總線時信息量大且傳輸較慢的特點，造成了現場總線存在多種標準，阻礙了其發展。以太網經過若干年的發展，技術上日臻成熟。隨著嵌入式以太網微處理器的發展，以太網已十分便利的應用于變電站綜合自動化系統。以太網具有高速、可靠、安全、靈活的特點，使其在變電站綜合自動化系統中有廣闊的應用前景。

1.變電站通信系統結構

系統結構示意圖如圖1所示。

從圖上可以看出：

1）管理和控制一體化局域網將無可爭議地選用以太網。

2）間隔級控制總線在FF-H2總線尚未成熟的情況下，工業級以太網和ProfibusMMS（ManufacturingMessageingSpecification制造廠信息規范）將是一個比較好的選擇。

3）可編程邏輯控制器PLC被發展成PCC(Programablecomputercontroller),即用智能模塊實現邏輯及自動控制功能，它比常規的PLC具有可交流采樣、通訊組態方便等優點。

2.變電站綜合自動化系統通信網的基本設計原則

通信在變電站綜合自動化占有重要的地位。其內容包括當地采集控制單元與變電站監控管理層之間的通信，變電站當地與遠方調度中心之間的通信。系統通訊網架的設計是十分關鍵的，本文從以下方面考慮變電自動化系統通信網的設計：

1）電力系統的連續性和重要性，通訊網的可靠性是第一位的。

2）系統通訊網應能使通訊負荷合理分配，保證不出現“瓶頸”現象，保證通訊負荷不過載，應采用分層分布式通訊結構。此外應對站內通訊網的信息性能合理劃分，根據數據的特征是要求實時的，還是沒有實時性要求以及實時性指標的高低進行處理。另外系統通信網設計應滿足組合靈活，可擴展性好，維修調試方便的要求。

3）應盡量采用國際標準的通信接口，技術上設計原則是兼容目前各種標準的通信接口，并考慮系統升級的方便。

4）應考慮針對不同類型的變電所的實際情況和具體特點，系統通信網絡的拓撲結構是靈活多樣的且具有延續性。

5）系統通信網絡應采用符合國際標準的通信協議和通信規約。

6）對于通信媒介的選用，設計原則是在技術要求上支持采用光纖，但實際工程中也考慮以屏蔽電纜為主要的通信媒介。

7）為加速產品的開發，保持對用戶持續的軟件支持，對用戶提出的建議及要求的快速響應，就要求擺脫小作坊式的軟件開發模式，使軟件開發從“小作坊階段”進入“大生產階段”，采用先進的通信處理器軟件開發平臺實時多任務操作系統RTOS并開發應用與其之上的通信軟件平臺。

3.通信網的軟硬件安裝

3.1.硬件的選擇

為了保證通信網的可靠性，通信網構成芯片必須保證在工業級以上，以滿足濕度、溫度和電磁干擾等環境要求。通訊CPU采用摩托羅拉公司或西門子公司的工控級芯片，通訊介質選擇屏蔽電纜或光纖。

3.2.接口程序

采用國際標準的通信接口，技術上設計原則是兼容目前各種標準的通信接口，并考慮系統升級的方便。裝置通信CPU除保留標準的RS232/485口用于系統調試維護外，其它各種接口采用插板式結構，設計支持以下三類共七種方式：標準RS485接口，考慮雙絞線總線型和光纖星型耦合型；標準ProfibusFMS接口，考慮雙絞線總線型、光纖環網、光纖冗余雙環網；標準Ethernet，考慮雙絞線星型和光纖星型（通信管理單元考慮以上兩種類型的雙冗余配置）。

3.3.通信協議和通信規約

系統通信網絡應采用符合國際標準的通信協議和通信規約，應建立符合變電站綜合自動化系統結構的計算機間的網絡通訊，根據變電站自動化系統的實際要求，在保證可靠性及功能要求的基礎上，盡量注意開放性及可擴充性，并且所選擇的網絡應具有一定的技術先進性和通用性，盡量靠國際標準。長期以來，不同的變電站監控系統采用不同的通信協議和通信規約，如何實現不同系統的互連和信息共享成為一個棘手的問題，應采用規范化、符合國際標準的通信協議和規約。為此在系統中選用了應用于RS485網絡的IEC61870-5-103規約、應用于Profibus的MMS行規以及應用于TCP/IP上的MMS行規。它們都具有可靠性、可互操作性、安全性、靈活性等特點。

4.通信軟件的設計與實現

通信軟件的設計涉及到多種設備的配合問題，本文只以DF3003變電站綜合自動化系統的通信網絡為例，介紹變電站綜合自動化系統通信軟件設計與運行原理。

4.1.軟件功能與運行原理

在DF3003變電站綜合自動化系統中，采用二級分層分布式網絡。針對110KV中壓變電站的要求，我們可采取圖2所示的組網方式。后臺與主站都是一種監控系統，其主要功能為監視各智能單元的運行狀態，并能對各智能單元進行控制。而監控系統為完成其主要功能所需要的各種數據都是由通訊轉換器DF3211或保護管理單元DF3210來提供的。因此，從數據流控制的角度來看，通訊程序主要完成智能單元運行狀態信息的上報和監控系統控制信息的下發兩種功能。智能單元的運行狀態信息一般包括遙測數據、遙信數據、電度數據、突發數據等。監控系統的控制信息則包括遙控命令、對時命令、查詢命令等。本文中的變電自動化系統通訊程序所要完成的數據結構與函數過程如圖3所示。

4.2.軟件開發平臺——RTOS

隨著應用的復雜化，對控制精度、智能化程度的要求越來越高，一個微處理器往往要同時完成很多任務。體現在變電站自動化通信產品中，由于信息采集量越來越大，信息交換越來越頻繁，簡單地用單一任務來輪詢，往往造成通信的“瓶頸”現象，如保護和測量設備采集到的實時信息無法及時向上傳遞。多任務編程的特點是：程序在功能上以任務的形式存在，

各個任務之間相對獨立，可通過操作系統提供的資源，進行任務間的信息交換和相互控制，可通過優先級、時間片來控制各任務執行的順序。多任務編程的特點打破了傳統軟件順序執行的框架，便于程序的系統開發、調試及維護。實時多任務操作系統RTOS（RealTimeOperatingSystem）是面向21世紀嵌入式設計的基礎和標準開發平臺。高性能軟件開發平臺可以使嵌入式軟件程序的開發進入規模化和產業化生產。有了高性能開發平臺，可以極大的提高軟件開發的效率，RTOS體現了一種新的系統設計思想和一個開放的軟件框架，在此基礎上，可以設計一種更為通用的通用軟件平臺，軟件工程師可以在不大量變動系統其他任務的情況下增加或刪除一個通信規約；一個大項目開發的過程中，可以有多個工程師同時進行系統的軟件開發，各個人之間只要制訂好規程和協議即可，既縮短了開發時間，又降低了最終通信軟件產品對于具體某個人的依賴性。

4.3.與因特網結合

通信管理單元提供內置的WEB-SERVER，可動態向外部系統數據，這部分可采用在RTOS之上外購WEB—SERVER模塊來開發完成，更為方便的是，在設置各種系統參數和瀏覽現場實時數據時，只需要一個標準的瀏覽器軟件，如Microsoft的IE即可。

5.改進的網架結構

當變電綜合自動化系統中的通信可靠性要求進一步提高時，可采用圖4所示的網架結構。即對通信管理單元和通道實行主備切換的模式，但這種模式對通信管理單元和通信切換器的要求較高。在這種模式下，當通信管理單元損壞或通道故障時均得到切換，因此這種模式更可靠、更安全。

6.結論

本文所述的變電站綜合自動化通信系統采用代表國際技術發展潮流，先進的、標準的和成熟的通信網絡技術。采用雙網網絡，雙機熱備用，光纖雙環冗余自愈系統，采用國際標準通信規約協議，充分考慮網絡的開放性、可擴充性及工程化的相關問題。本通信系統具有速度快，可靠性高，可擴展性強等特點，已經成功的應用于多家變電站。