基于以太網(wǎng)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李響

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

基于以太網(wǎng)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李響

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，底層主控模塊為核心，結(jié)合模糊控制策略，構(gòu)建了電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有遙測(cè)、遙感、遙控等功能，可以有效地對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。經(jīng)測(cè)試證明，該系統(tǒng)可靠有效，具有一定的推廣價(jià)值。

以太網(wǎng)；嵌入式；監(jiān)控；電力系統(tǒng)

電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代電網(wǎng)運(yùn)行管理的重要手段。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)監(jiān)控的功能也日趨完善。

電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用在于收集電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并將這些信息進(jìn)行一定程度的處理和加工，然后將結(jié)果提供給工作人員。工作人員通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的觀察，確定電網(wǎng)運(yùn)行的狀況。而與此同時(shí)，系統(tǒng)也可自動(dòng)地監(jiān)視各運(yùn)行參數(shù)的合理性，當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)偏離正常的情況時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，給予工作人員一定的提示。工作人員在控制臺(tái)可以遠(yuǎn)程控制電網(wǎng)的運(yùn)行，當(dāng)工作人員沒(méi)有及時(shí)解決問(wèn)題時(shí)，電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)生成一系列控制命令，并將命令以一定方式通知工作人員，以保證電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

從以上功能可以看出，一個(gè)功能完善的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有其自身的特點(diǎn)：

(1)具有存儲(chǔ)和分析大量數(shù)據(jù)的能力。電力系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量眾多，這就要求相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地描述監(jiān)控系統(tǒng)所管理的設(shè)備及其運(yùn)行信息，同時(shí)又必須具有良好的數(shù)據(jù)分析功能，可以幫助工作人員在最短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的反映和識(shí)別；

(2)系統(tǒng)必須具用高的可靠性。電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行是涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)，廣大人民群眾生命生活的大事。因此，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行管理和監(jiān)視必須能夠保證24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，要求整個(gè)系統(tǒng)要具有互相支援，互為后備，可以脫機(jī)維護(hù)和故障排除時(shí)間短的特點(diǎn)；

(3)強(qiáng)健的通信系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。良好的監(jiān)控系統(tǒng)必須對(duì)電力系統(tǒng)中所發(fā)生的各個(gè)“事件”在最短的時(shí)間內(nèi)作出及時(shí)的反應(yīng)，這就要求系統(tǒng)具有一個(gè)良好的通信系統(tǒng)，可以暢通無(wú)阻地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令的上傳下達(dá)。

針對(duì)以上要求，本文論述了以工業(yè)以太網(wǎng)為核心的遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和相關(guān)設(shè)計(jì)，并利用模糊控制策略改進(jìn)了系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于工業(yè)以太網(wǎng)的電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次：信息管理層、控制層和設(shè)備層。

信息管理層由上層信息中心組成，利用TCP/IP協(xié)議，對(duì)從設(shè)備層傳遞來(lái)的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、篩選和處理后，形成一整套完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果顯示在生產(chǎn)調(diào)度大屏幕上，一方面可以有效地觀察生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行及時(shí)處理；另一方面為安全高效的生產(chǎn)方案的制定提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

控制層的作用主要有兩個(gè)：一個(gè)是處理設(shè)備層上傳過(guò)來(lái)的各種信息；第二是下達(dá)信息管理層的控制命令。對(duì)于第一種功能，控制層利用單片機(jī)及嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)成主控模塊，對(duì)設(shè)備層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、匯總，構(gòu)成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取模式，并生成現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控顯示系統(tǒng)；對(duì)于第二種功能，控制層需要按照信息管理層或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)急反映，分門別類地將控制命令下傳至設(shè)備層的控制元器件上，以生成有效的控制過(guò)程。控制層采用雙機(jī)冗余方式，采用1 000M工業(yè)以太網(wǎng)從具有CAN總線結(jié)構(gòu)的設(shè)備層接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送入服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)備層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。因此，在局部采用CAN總線結(jié)構(gòu)，整體采用工業(yè)以太網(wǎng)。各CAN總線的終端連接相應(yīng)的電壓互感器和電流互感器等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳感器和控制命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)，形成采集數(shù)據(jù)流和控制命令流。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型

電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)采集電流、電壓等信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，采用電壓互感器和電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

(1)電壓互感器：根據(jù)所測(cè)量電壓的具體量度、實(shí)際使用環(huán)境和測(cè)量精度的要求，每一條線路可以選擇不同型號(hào)的電壓互感器來(lái)完成測(cè)量。本設(shè)計(jì)中測(cè)試所用的是0～3MA 2MA/ 2MA電壓互感器，這是一種微型精密電壓傳感器，具有高精度和一致性好的特點(diǎn)。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電壓互感器基本原理圖

從圖2中可以看出，該產(chǎn)品為有源輸出，R為取樣電阻，C和r用于相位補(bǔ)償，R'為限流電阻。該類型電壓互感器一次側(cè)用來(lái)測(cè)電網(wǎng)電壓，具有不受二次負(fù)荷影響，測(cè)量精度高，使用簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，可以滿足采集電壓的要求。

(2)電流互感器：電流互感器種類也很多，應(yīng)用至電網(wǎng)監(jiān)控當(dāng)中的電流量采集多選擇穿心電流互感器。本設(shè)計(jì)選用的電流互感器有兩種使用方法，如圖3和圖4所示。

圖3 電阻法采樣電路原理圖

圖4 IC法采樣電路原理圖

當(dāng)用電阻法直接獲得采樣電壓時(shí)，其性能參數(shù)如表1所示。

當(dāng)用IC法直接獲得采樣電壓時(shí)，其性能參數(shù)如表2所示。

3 以太網(wǎng)協(xié)議及模糊控制策略的使用

本設(shè)計(jì)的中間層利用了工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)局部數(shù)據(jù)的通信，并利用32位ARM芯片構(gòu)成網(wǎng)關(guān)，形成與Internet網(wǎng)的連接。工業(yè)以太網(wǎng)選用EPA來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的通信協(xié)議。其底層采用IEEE802系列規(guī)范形成協(xié)議模型的物理屋和數(shù)據(jù)鏈路層，并在其上形成了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，并且增加了用戶層。

上層通信采用Internet網(wǎng)，協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，EPA協(xié)議和TCP/IP的轉(zhuǎn)換依靠ARM芯片來(lái)完成。為了提高轉(zhuǎn)換的效率，采用模糊控制策略對(duì)數(shù)據(jù)的周期性報(bào)文和非周期的報(bào)文的發(fā)送和接收進(jìn)行有序的控制。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

如圖5所示，所有的數(shù)據(jù)流和控制流生成數(shù)據(jù)庫(kù)，在規(guī)則庫(kù)中規(guī)則體系的作用下，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)法形成推理機(jī)制，生成輸出選項(xiàng)，存入容錯(cuò)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)完成了基于工業(yè)以太網(wǎng)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)備層采用CAN總線通信，并利用底層主控模塊采集數(shù)據(jù)，利用工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)傳入容錯(cuò)服務(wù)器。上層信息管理層與嵌入式網(wǎng)關(guān)間利用Internet網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并利用模糊控制策略構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送控制規(guī)則[1-2]。

圖5 模糊控制系統(tǒng)框圖

[1]汪萍.基于DSP的變電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．淮南:安徽理工大學(xué)，2007：36-39.

[2]崔偉．基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)[D]．大連：遼寧師范大學(xué)，2013：31-34.

Design of power gridmonitoring system based on ethernet

LIXiang
(Chongqing College ofElectronic Engineering，Chongqing 401331，China)

The monitoring system of power grid was built w ith the bottom main controlmodule as the core and combined w ith the fuzzy control strategy based on industrial ethernet.The system has the functions such as telemetry，remote sensing and remote control.And it can monitor and effectively remotely control the power system. The testproves that this system is reliable and efficient，and ithas certain promotion value.

ethernet;embedded;monitoring;power system

TM 727

A

1002-087 X(2016)07-1498-03

2016-02-25

重慶市教委科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(kj132205)

李響(1979—)，男，湖北省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。