某變電站遠(yuǎn)動(dòng)終端延壽改造設(shè)計(jì)

國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司 李 濤

西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 黃 凱

西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 王 瓊 孫 媛

某變電站遠(yuǎn)動(dòng)終端延壽改造設(shè)計(jì)

國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司 李 濤

西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 黃 凱

西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 王 瓊 孫 媛

根據(jù)變電站運(yùn)行要求，某變電站遠(yuǎn)動(dòng)終端的電源系統(tǒng)和主控CPU需要重新設(shè)計(jì)，替換原有裝置的相應(yīng)模塊，接入電能量遠(yuǎn)方終端采集的瞬時(shí)量數(shù)據(jù)，恢復(fù)遠(yuǎn)動(dòng)終端正常的監(jiān)控功能；同時(shí)擴(kuò)展遠(yuǎn)動(dòng)終端的網(wǎng)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)雙平面網(wǎng)絡(luò)通信接口，設(shè)計(jì)IEC60870-5-104通信規(guī)約模塊，滿足遠(yuǎn)動(dòng)終端接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的要求。在完成某變電站設(shè)備改造施工和聯(lián)調(diào)任務(wù)之后，成功恢復(fù)了裝置的運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)接入，收到了良好的設(shè)備延壽的效果。

遠(yuǎn)動(dòng)終端；調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)；信息接入；通信規(guī)約

引言

按照電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律，變電站遠(yuǎn)動(dòng)終端（Remote Terminal Unit, RTU）正逐步被綜合自動(dòng)系統(tǒng)和變電站智能化設(shè)備取代。在變電站遠(yuǎn)動(dòng)終端被淘汰的過程中，部分變電站改造處于相對(duì)滯后的狀態(tài)，在新系統(tǒng)投入使用之前，這些老舊設(shè)備還必須繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)變電站安全監(jiān)視與數(shù)據(jù)采集的功能。國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司目前還有7座變電站的遠(yuǎn)動(dòng)終端仍需要繼續(xù)運(yùn)行，但是這些變電站的遠(yuǎn)動(dòng)終端已有近20年的運(yùn)行歷史，設(shè)備部件老化需要更換；配件大多已經(jīng)停產(chǎn)而無法采購；新的通信系統(tǒng)已投入使用，以前的通信接口和通信協(xié)議都不方便接入新的系統(tǒng)；原有設(shè)備制造商早已退出市場，不再提供技術(shù)支持。為此，需要對(duì)現(xiàn)有的遠(yuǎn)動(dòng)終端進(jìn)行技術(shù)改造，以滿足變電站安全監(jiān)控的要求，延長這些設(shè)備的壽命。

通過對(duì)現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備的實(shí)地考察，并對(duì)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和實(shí)施方案進(jìn)行深入地研究分析，本項(xiàng)目的主要任務(wù)如下：

① 改造原有設(shè)備的電源系統(tǒng)，采用新的電源供電；

② 按照原有設(shè)備的尺寸規(guī)范重新設(shè)計(jì)主控CPU板，替代原有模塊的運(yùn)行；

③ 擴(kuò)展雙平面網(wǎng)絡(luò)接口，以便接入新的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)；

④ 設(shè)計(jì)IEC60870-5-104通信規(guī)約，以方便接入調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)主站。

⑤ 使用智能電氣設(shè)備（Intelligent Electric Device, IED）進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)采集，停用轉(zhuǎn)換精度已不符合要求的變送器。

1.電源系統(tǒng)

需要改造的變電站遠(yuǎn)動(dòng)終端是一種分布式控制設(shè)備，其電源系統(tǒng)包括三個(gè)部分：主控單元電源、I/O單元電源和I/O過程通道電源[1]。經(jīng)過長期運(yùn)行之后，該設(shè)備的電源系統(tǒng)已經(jīng)老化，電源模塊中的泵電容的介質(zhì)都已揮發(fā)，電源輸出不穩(wěn)定，輸出毛刺多，導(dǎo)致RTU設(shè)備運(yùn)行經(jīng)常出現(xiàn)故障。為此，采用臺(tái)灣明偉公司出廠的S-60-Q、T-60-B、NES-75-24三種型號(hào)的電源重新設(shè)計(jì)了裝置的電源系統(tǒng)。其中S-60-Q輸出有±5V、±12V四路輸出，用于主控單元供電；T-60-B輸出有+5V、±12V三路輸出，用于I/O單元供電。為了滿足多個(gè)I/O單元的供電要求，這里采用了雙T-60-B并列工作的模式，提供120W的輸出功率；NES-75-24只有一路+24V輸出，用于遙控輸出通道的供電。

2.主控CPU板

需要改造的RTU的主控單元使用臺(tái)灣研華公司生產(chǎn)的MIC2340 CPU板。該模板是一種6U高的AT總線板，屬于研華公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。由于所使用Intel486DX CPU芯片已停產(chǎn)，該模板也早已斷貨，必須采用其它模板替代。由于能采購到的CPU模板的尺寸結(jié)構(gòu)不相符，無法插接到專用機(jī)箱之中。為此，本文采用盛博科技生產(chǎn)的PC104規(guī)范的VDX1070 CPU模板重新設(shè)計(jì)主控單元的CPU板。主控單元CPU板的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，CPU模板主要由VDX1070、接口插座、VDX1070所需電池供電和復(fù)位等輔助電路、AT總線、雙路網(wǎng)絡(luò)控制器等部分組成。其中，接口插座包括PS2鍵盤插座、2路RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、2路RS232 DB9座、1路DB15 VGA座，面板上還設(shè)計(jì)了1個(gè)LED電源指示燈；模板實(shí)現(xiàn)了PC104總線到AT總線的轉(zhuǎn)換；也擴(kuò)展了雙網(wǎng)絡(luò)接口控制器。有關(guān)雙網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)在下節(jié)做出說明。

圖1 主控單元CPU板的組成

3.雙網(wǎng)絡(luò)接口擴(kuò)展

結(jié)合項(xiàng)目組先前的所開展的電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接入研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備[2-4]，為了降低軟件開發(fā)的難度，達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)短平快的效果，這里也選擇了RTL8019AS用于雙平面網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)。

考慮到網(wǎng)卡的特定應(yīng)用要求，在實(shí)現(xiàn)主控CPU模塊雙平面網(wǎng)絡(luò)接口時(shí),對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制器和TCP/IP協(xié)議棧都進(jìn)行了專門的定制和剪裁，既滿足應(yīng)用的需求，又減少網(wǎng)卡對(duì)資源的占用[4]：

（1）RJ45接口。根據(jù)連接需要，這里只選擇了UTP雙絞線接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，并使用HR601860網(wǎng)絡(luò)變壓器與RJ45連接器實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接。

（2）工作方式。主控CPU模板VDX1070主板采用跳線方式對(duì)RTL8019A進(jìn)行訪問控制，其定制的配置如表1所示。

表1 RTL8019AS定制配置

（3）數(shù)據(jù)總線。主控CPU模板采用PC104總線與與RTL8019AS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這里采用16位數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡芯片的訪問控制。

（4）地址總線。使用12 條I/O地址線與RTL8019AS實(shí)現(xiàn)連接，固定網(wǎng)卡芯片的訪問地址，如表1所示。

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)的方案，以其中1路網(wǎng)絡(luò)控制器為例，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口的電路原理如圖2所示。

在完成電路板生產(chǎn)安裝和TCP/IP協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之后，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)通信功能和性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，達(dá)到了電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖2 網(wǎng)卡電路原理圖

4.IEC104通信規(guī)約

在完成主控單元硬件平臺(tái)搭建和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)之后，將項(xiàng)目組之前設(shè)計(jì)的1EC60870-5-104軟件模塊[5]移植到RTU的主控單元軟件中，使得RTU具備了目前廣泛使用的IEC104實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能。

5.遙測數(shù)據(jù)采集

遙測數(shù)據(jù)是RTU裝置采集的重要測量參數(shù)，經(jīng)過長期運(yùn)行之后，電力變送器或損壞或精度不夠，需要更換變送器，但是該型號(hào)的變送器早已斷貨，老舊變電站的PT和CT回路的圖紙缺失，更換新的變送器十分困難。為了解決這一問題，采用RTU接入IED的方案實(shí)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的采集。

所需改造的變電站都已實(shí)現(xiàn)了變電站電量自動(dòng)抄表功能。全電子式多功能電能表都采集了計(jì)量點(diǎn)瞬時(shí)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而電能表中的瞬時(shí)量就是RTU的遙測量，也就是說變電站電能量遠(yuǎn)方終端中已采集了變電站的遙測數(shù)據(jù)，這里需要完成的是電能量遠(yuǎn)方終端到RTU的通信連接，將其采集的瞬時(shí)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到RTU中，再由RTU上傳至調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)主站。

變電站電能量遠(yuǎn)方終端支持與其它計(jì)算機(jī)采用RS485方式通過Modbus協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的功能。為此，在RTU和電能量遠(yuǎn)方終端之間敷設(shè)RS485電纜，實(shí)現(xiàn)了二者之間的通信連接。在完成2個(gè)設(shè)備信息表配置之后，電能量遠(yuǎn)方終端采集的瞬時(shí)量數(shù)據(jù)能夠正確地傳送到RTU裝置中，從而實(shí)現(xiàn)了RTU遙測數(shù)據(jù)采集的功能。

6.結(jié)束語

根據(jù)RTU設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行的實(shí)際情況，在完成電源系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了 具有雙網(wǎng)功能的主控CPU板，移植實(shí)現(xiàn)IEC104規(guī)約和電能量遠(yuǎn)方終端中瞬時(shí)量數(shù)據(jù)的引入之后，對(duì)裝置自身進(jìn)行了調(diào)試和檢測，完成了RTU裝置與調(diào)度自動(dòng)化主站系統(tǒng)的通信聯(lián)調(diào)，RTU完成了遙信、遙測和遙控“三遙”功能，而且能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)變電站的安全監(jiān)控功能，達(dá)到了RTU設(shè)備延壽的目的。

[1]黃國兵,鄭劍敏,董建靈．某變電站遙控誤出口原因分析與改進(jìn)措施[J]．西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011 25(3)．

[2]黃國兵,金勇,賈榮興．某電能量遠(yuǎn)方終端雙平面網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)[J]．西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2016,30(1)．

[3]賈榮興,石華棟,藺元等．大柳塔熱電廠自動(dòng)化信息接入方案[J]．電子世界,2014(7):37-38．

[4]李章林,張立民．TCP/IP在51單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)和方法[C]．2003年全國單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(上冊),2003:380-384．

[5]劉園園,賈榮興,金勇等．基于網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制的IEC104的協(xié)議包設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]．電工技術(shù),2015(2)．

李濤(1971—），男，陜西西安人，工程師，主要從事配電自動(dòng)化、配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)等方面的研究；

黃凱（1994—），男，陜西西安人，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)習(xí)與研究。

西安市2012年產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃-技術(shù)轉(zhuǎn)移促進(jìn)工程（項(xiàng)目編號(hào)：CX12185-4）。