基于工業以太網的超高壓變電站監控系統的設計和應用

馬洪蕊

（防災科技學院，三河 065201）

0 引言

隨著微電子技術、計算機軟硬件技術的發展，近年來超高壓變電站監控系統在以下三個方面都有不同程度的進展：

1）系統體系結構：由傳統的單一的集中模式向相對分散式、分層分布分散式多種體系結構模式轉變，由傳統的面向單個測量、控制對象向面向電網元件（如進線、出線、變壓器、母線、電容器等）轉變，由各功能單獨考慮向系統功能綜合考慮轉變。

2）總線結構：無論是模塊級、間隔級還是站級，均由專用、低速向通用、標準化、高速轉變，原來采用的位總線、LonWorks、CAN、FF等現場總線統一向以太網轉變。

3）信息共享度：保護監控功能以及數據共享從邏輯上的結合越來越緊密，物理上的結合也將隨著光電傳感技術的不斷發展和完善而更加緊密[1～3]。

本文根據SPA(西門子輸配電自動化)電力系統自動化產品的特點和客戶的需要，設計出了基于工業以太網的、適合我國國情的超高壓變電站自動化監控系統。

1 系統結構

整個系統由網絡系統、間隔層、站控層三部分構成，系統參考配置拓撲結構如圖1所示。

本系統在每個區域，如一個測控柜，或者一個繼保小室配置一臺Hirschman工業以太網交換機，將這些交換機采用光纖首尾相連，組成環形工業以太網，構成整個網絡的骨干部分。

圖1 系統結構

站控層是我們掌控整個系統的直接窗口，由操作員站、站控通信單元、網關通信工作站、對時裝置和工程師站組成，這些單元的設備都采用以太網接口接入站控層工業以太網交換機，通過以太網完成同相應單元的數據交換。

間隔層以電網單元（如一條線路或一臺主變）作為可控對象，采用SPA的AM1703系列產品作為間隔層的測控裝置，完成對電網單元的狀態采集和實際操作控制。同時，間隔層的每個測控單元配備了工業級的100M以太網卡，以太網卡接入相應區域的交換機，從而完成測控單元同系統其他部分的數據交換。

2 網絡系統

網絡是整個系統信息傳輸的公路，網絡的好壞對系統信息傳輸的影響就如同道路對人的影響一樣重要。

工業以太網技術是普通以太網技術在控制網絡延伸的產物，其源于后者，但不同于后者[4]。工業以太網技術必須面對在工業環境下作為控制網絡要解決的一系列問題，其中以下兩個問題是最為重要的：

1）通信實時性問題

以太網采用的CSMA/CD的介質訪問控制方式，其實質上是非實時的。平等競爭的介質訪問控制方式不能滿足工業自動化領域對通信的實時性要求。因此以太網一直被認為不適合在底層工業網絡中使用。需要有針對這一問題的切實可行的解決方案。

2）對環境適應性與可靠性問題

以太網是按辦公環境設計的，將它應用于工業控制環境，其魯棒性、抗干擾能力等是許多從事自動化的專業人士所特別關心的。在產品設計時要特別注重材質、元器件的選擇。使產品在強度、溫度、濕度、振動、干擾、輻射等環境參數方面滿足工業現場的要求。還要考慮到在工業環境下的安裝要求，例如采用DIN導軌安裝等[4]。

對于通信實時性問題，本文采用了如下方案解決：

1）本文采用的網絡設備均為百兆以太網設備，保證數據在網絡上傳輸的快速性；

2）監控系統采用了冗余環形光纖工業以太網，使得網上每一個節點都能與任一其它節點直接通信，從根本上消除了主從方式中的瓶頸現象，保證信息的實時性，提高了通信效率；

3）在網絡的應用層面，采用IEC60870-5-104通信規約進行數據的傳輸。該規約是國際電工委員會第57技術委員會為適應以電力系統（包括EMS、SCADA和配電自動化系統）自動化發展的需要而提出來的。本文系統內的通信采用變位傳輸模式，即只有狀態發生變化的遙信量或變化超過閾值的遙測量才上送，這樣，保證了對系統網絡帶寬要求盡量小、系統數據刷新盡量快。

對環境適應性與可靠性問題，本文采用了如下方案解決：

1）我們采用的Hirschman工業級以太網交換機，其有針對性的設計以及多年的實際應用經驗，有效的保證了在工業現場環境應用的可靠性；

2）單元化、模塊化以及多種安裝方式的工業以太網交換機也使得系統的擴展變得簡單易行；

3）采用Hirschman工業級以太網交換機組成的光纖冗余環連接，小于20ms的自愈時間也使得系統的可靠性和實時性有了極大的保證；

通過上述設計，有效的解決了以太網在控制網絡中應用存在的問題，在我們的實際應用中表明，在極端情況下，網絡負荷小于20%，完全可以滿足變電站監控系統數據傳輸的實時性要求，并且有著優異的環境適應能力。

3 間隔層

間隔層需要完成對整個電站設備的開關量、狀態量、模擬量采集以及設備的控制，在整個變電站自動化控制系統中起著至關重要的作用。

本系統間隔層測控單元分散分布在位于現場設備附近的繼電保護小室中。由于測控單元處在有很強電磁干擾的環境中，為此，間隔層采用SPA AM1703系列裝置。AM1703所有模塊/軟件均根據電力系統特點專門設計，并且經過大量工程項目的驗證，具有很好的適應性和非常高的可靠性。

AM1703裝置由機架、電源模塊、CP1001 CPU模塊和根據需要配置的I/O模塊以及一個現地操作面板組成。整個測控單元的模塊具有以下特點：

1）測控單元通過以太網卡接入模塊化的工業以太網交換機中；

2）單元所有I/O模塊均為智能I/O，采集量的越限監視、平滑、防抖、濾波等均由I/O板直接完成，不占用主CPU的處理時間。系統數據采集、處理與傳輸充分滿足擴展需要，當DI/AI/PT100信號數量不斷增加時，DI點的時標精度、AI/PT100信號點的處理、傳送周期，都不應受到影響，使系統性能顯著提高；

3）為簡化交流電量測量系統（如線路電流、電壓、頻率、有功、無功）的測量，提高系統穩定可靠性，廣泛采用交流電量采樣板AI1304，AI1304專門針對電力系統的特點量身定做，具有三相電流、三相電壓以及一相同期電壓輸入。AI1304不但可以完成交流電量采樣工作，通過參數設置，可以方便的判斷出是否滿足同期條件，大大簡化了系統配置；

4）獨立的現地顯示操作面板，方便實用；

5）所有模塊采用金屬外殼封裝，純光纖總線，具有極強的抗干擾能力；

6）單元具有自診斷功能，可以實時的將該單元的各模塊的狀態信息上送到操作員站。

在測控單元中，上述硬件有效保證了測控單元數據采集和傳輸的準確和及時，這為正確可靠的完成對開關、刀閘等設備的控制操作提供了重要的前提條件。每個測控單元具有獨立的CPU，根據采集的相應信息，獨立完成本單元的設備邏輯閉鎖、開關、刀閘操作等控制流程。

4 站控層

正如前文所述，站控層由操作員工作站、站控通信單元、網關通信工作站、對時裝置和工程師站組成，是我們掌控整個系統的直接窗口，其穩定、安全、可靠并具有良好的實時性至關重要，為此本文做了如下設計保證整個站控系統的系統性能。

4.1 操作員工作站

操作員工作站是整個站控層的核心部分，該部分硬件采用了兩臺HP高端工作站作為操作員站主機，操作系統采用Windows 2003 Server，兩臺操作員站工作站采用SPA SCALA 6.x后臺應用軟件，保證了系統平臺的穩定可靠。操作員站系統具有以下特點：

1）SCALA 6.x由服務器端和客戶端組成，分別獨立運行。服務器端和客戶端既可以分別運行在不同主機上，也可以采用緊湊型結構，集成到同一臺主機上運行。本文采用了緊湊型結構。

2）兩臺操作員站均安裝了SCALA 6.x服務器端，兩套服務器互為冗余熱備，兩套服務器通過網絡實時同步，當其中一臺出現故障時，可實現無縫切換，有效的保證了系統的穩定運行。

3）SCALA 6.x系統具有獨立的實時數據庫，事件分辨率小于1ms，具有良好的實時性。

4）客戶端是整個監控系統的人機接口，本文中的兩臺操作員工作站均安裝了SCALA 6.x客戶端，并根據變電站監控系統的特點和客戶的要求，設計出了功能強大、性能穩定、響應迅速、友好的人機界面。通過該客戶端，操作員可以實時監視現地設備的運行狀態，完成對設備運行狀態的分析、診斷，并根據實際情況發出相應命令，完成對現地設備的操作控制。

4.2 站控通信單元和網關通信工作站

對超高壓變電站監控系統而言，不但需要同現地測控單元進行通信，也需要同其他單元，如電網調度系統、繼電保護系統、直流供電系統等進行數據通信，以便操作人員及時準確的監視到全站各個系統的信息。由于不同系統采用的通信規約各異，對于電力監控系統集成者來說同第三方系統的數據通信是一個難點。

SPA AK1703系列產品具有強大的通信擴展功能，每個裝置可擴展多個CPU，每個CPU上可以擴展4個串口或者兩個以太網口，并且可以提供多達200余種的最常用的通信規約。因此，本文采用AK1703做為站控通信單元，對內，配置以太網卡，接入站控層工業以太網交換機，采用標準IEC60870-5-104同操作員站和測控單元進行通信；對外，根據系統的需要配備相應數量的接口和對應的固件，并進行相應的參數化配置即可完成同第三方系統的互聯互通，極大的方便了整個系統的集成。

對AK1703不支持的通信規約，本文根據實際需要，配置了一臺網關通信工作站，通過SPA提供的開放的網關開發包接口函數，可以方便的開發出相應的網關程序，對內同樣采用IEC60870-5-104同操作員站和測控單元進行通信，對外通過網關程序完成第三方通信規約到IEC60870-5-104規約的轉換，實現系統間的數據通信。

4.3 對時裝置

在電力系統中，對時精度對事件記錄、故障分析等起著重要作用，為此我們的系統選用了時鐘精度1μs的MEINBERG公司的對時裝置，該裝置由天線、對時服務器組成，其具有以下特點：

1）本文對時服務器具備NTP網絡對時功能，對SPA產品系列的監控設備采用這種對時方式；

2）系統GPS能完成針對來自其他供貨商的子系統的對時，支持國際流行的多種對時方案，包括IRIG-A，IRIG-B，串行通信，秒脈沖，分鐘脈沖，可以根據相應設備的需要配置響應的對時接口；

3）在整個測控系統中，對時精度小于1ms。

4.4 工程師站

工程師站肩負著對監控系統的開發維護功能，在其上面安裝了操作員站和測控單元的開發和維護軟件。

通過工程師站上安裝的SAT TOOLBOX II OPM軟件，采用面向對象的方法，可以方便的建立系統中各單元的上、下位機數據庫，對相同或相似的間隔我們只需簡單的復制、拷貝即可完成對這些間隔的軟件的編制，大大節省了開發周期，同時也方便了系統單元的擴展。

SCALA 6.x人機界面開發工具同樣采用面向對象的開發方法，系統自帶的針對電力系統設計的設備對象使得開發人員象搭積木一樣輕松完成界面的構建。

5 結論

本系統采用開放的工業以太網結構，分層分布分散式的系統結構，對象化、模塊化的系統設計，為今后的維護和單元的擴展帶來了極大的方便。針對電力系統設計的測控單元和冗余熱備的SCADA服務器、人性化的人機界面和靈活的通信接口，保證了整個系統的優異性能。系統采用面向對象的開發工具簡單易學，大大縮短了開發周期。強大的診斷工具和在線測試軟件方便了用戶對系統的維護。該系統在全國數十個超高壓變電站的實際運行表明，其具有很高的可靠性、穩定性以及良好的實時性，取得了很好的運行效果和經濟效益。

[1] 魯國剛. 變電站自動化技術的發展綜述[J]. PLC&FA.2004(12).

[2] 劉清瑞. 再論超高壓變電站自動化系統的發展策略[J].電力自動化設備. 2002(12).

[3] 金午橋. 變電站自動化系統的發展策略[J]. 電力系統自動化. 1999(23).

[4] 陽憲惠. 工業數據通信與控制網絡[M]. 清華大學出版社.[5] 譚文恕. 有關變電站自動化系統國際標準的動態[J]. 電氣自動化時代. 2003(6).