某變電站遠動終端延壽改造設計

國網陜西省電力公司西安供電公司 李 濤

西安工程大學電子信息學院 黃 凱

西安工程大學計算機學院 王 瓊 孫 媛

某變電站遠動終端延壽改造設計

國網陜西省電力公司西安供電公司 李 濤

西安工程大學電子信息學院 黃 凱

西安工程大學計算機學院 王 瓊 孫 媛

根據變電站運行要求，某變電站遠動終端的電源系統和主控CPU需要重新設計，替換原有裝置的相應模塊，接入電能量遠方終端采集的瞬時量數據，恢復遠動終端正常的監控功能；同時擴展遠動終端的網絡通信功能，實現雙平面網絡通信接口，設計IEC60870-5-104通信規約模塊，滿足遠動終端接入調度數據網的要求。在完成某變電站設備改造施工和聯調任務之后，成功恢復了裝置的運行和網絡接入，收到了良好的設備延壽的效果。

遠動終端；調度數據網；信息接入；通信規約

引言

按照電力系統自動化設備的運行規律，變電站遠動終端（Remote Terminal Unit, RTU）正逐步被綜合自動系統和變電站智能化設備取代。在變電站遠動終端被淘汰的過程中，部分變電站改造處于相對滯后的狀態，在新系統投入使用之前，這些老舊設備還必須繼續運行，實現變電站安全監視與數據采集的功能。國網陜西省電力公司西安供電公司目前還有7座變電站的遠動終端仍需要繼續運行，但是這些變電站的遠動終端已有近20年的運行歷史，設備部件老化需要更換；配件大多已經停產而無法采購；新的通信系統已投入使用，以前的通信接口和通信協議都不方便接入新的系統；原有設備制造商早已退出市場，不再提供技術支持。為此，需要對現有的遠動終端進行技術改造，以滿足變電站安全監控的要求，延長這些設備的壽命。

通過對現場運行設備的實地考察，并對設備的實現技術和實施方案進行深入地研究分析，本項目的主要任務如下：

① 改造原有設備的電源系統，采用新的電源供電；

② 按照原有設備的尺寸規范重新設計主控CPU板，替代原有模塊的運行；

③ 擴展雙平面網絡接口，以便接入新的調度數據網絡；

④ 設計IEC60870-5-104通信規約，以方便接入調度自動化系統主站。

⑤ 使用智能電氣設備（Intelligent Electric Device, IED）進行遙測數據采集，停用轉換精度已不符合要求的變送器。

1.電源系統

需要改造的變電站遠動終端是一種分布式控制設備，其電源系統包括三個部分：主控單元電源、I/O單元電源和I/O過程通道電源[1]。經過長期運行之后，該設備的電源系統已經老化，電源模塊中的泵電容的介質都已揮發，電源輸出不穩定，輸出毛刺多，導致RTU設備運行經常出現故障。為此，采用臺灣明偉公司出廠的S-60-Q、T-60-B、NES-75-24三種型號的電源重新設計了裝置的電源系統。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的主控單元使用臺灣研華公司生產的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標準結構。由于所使用Intel486DX CPU芯片已停產，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模板的尺寸結構不相符，無法插接到專用機箱之中。為此，本文采用盛博科技生產的PC104規范的VDX1070 CPU模板重新設計主控單元的CPU板。主控單元CPU板的組成結構如圖1所示。

如圖1所示，CPU模板主要由VDX1070、接口插座、VDX1070所需電池供電和復位等輔助電路、AT總線、雙路網絡控制器等部分組成。其中，接口插座包括PS2鍵盤插座、2路RJ45網絡接口、2路RS232 DB9座、1路DB15 VGA座，面板上還設計了1個LED電源指示燈；模板實現了PC104總線到AT總線的轉換；也擴展了雙網絡接口控制器。有關雙網絡控制器的設計在下節做出說明。

圖1 主控單元CPU板的組成

3.雙網絡接口擴展

結合項目組先前的所開展的電力系統自動化設備網絡接入研究和產品設計開發的經驗儲備[2-4]，為了降低軟件開發的難度，達到項目設計短平快的效果，這里也選擇了RTL8019AS用于雙平面網絡接口設計。

考慮到網卡的特定應用要求，在實現主控CPU模塊雙平面網絡接口時,對網絡控制器和TCP/IP協議棧都進行了專門的定制和剪裁，既滿足應用的需求，又減少網卡對資源的占用[4]：

（1）RJ45接口。根據連接需要，這里只選擇了UTP雙絞線接口實現網絡接入，并使用HR601860網絡變壓器與RJ45連接器實現信號連接。

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

表1 RTL8019AS定制配置

（3）數據總線。主控CPU模板采用PC104總線與與RTL8019AS進行數據交互，這里采用16位數據總線實現網卡芯片的訪問控制。

（4）地址總線。使用12 條I/O地址線與RTL8019AS實現連接，固定網卡芯片的訪問地址，如表1所示。

根據以上的設計的方案，以其中1路網絡控制器為例，擴展網絡接口的電路原理如圖2所示。

在完成電路板生產安裝和TCP/IP協議棧驅動程序設計實現之后，并對其網絡通信功能和性能指標進行了測試，達到了電力系統自動化設備網絡實時數據傳輸的要求。

圖2 網卡電路原理圖

4.IEC104通信規約

在完成主控單元硬件平臺搭建和網絡驅動程序設計之后，將項目組之前設計的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實時數據傳輸功能。

5.遙測數據采集

遙測數據是RTU裝置采集的重要測量參數，經過長期運行之后，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的方案實現遙測數據的采集。

所需改造的變電站都已實現了變電站電量自動抄表功能。全電子式多功能電能表都采集了計量點瞬時量的實時數據，而電能表中的瞬時量就是RTU的遙測量，也就是說變電站電能量遠方終端中已采集了變電站的遙測數據，這里需要完成的是電能量遠方終端到RTU的通信連接，將其采集的瞬時量數據轉儲到RTU中，再由RTU上傳至調度自動化系統主站。

變電站電能量遠方終端支持與其它計算機采用RS485方式通過Modbus協議進行實時數據通信的功能。為此，在RTU和電能量遠方終端之間敷設RS485電纜，實現了二者之間的通信連接。在完成2個設備信息表配置之后，電能量遠方終端采集的瞬時量數據能夠正確地傳送到RTU裝置中，從而實現了RTU遙測數據采集的功能。

6.結束語

根據RTU設備現場運行的實際情況，在完成電源系統重新設計中，設計了 具有雙網功能的主控CPU板，移植實現IEC104規約和電能量遠方終端中瞬時量數據的引入之后，對裝置自身進行了調試和檢測，完成了RTU裝置與調度自動化主站系統的通信聯調，RTU完成了遙信、遙測和遙控“三遙”功能，而且能夠穩定可靠地實現變電站的安全監控功能，達到了RTU設備延壽的目的。

[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措施[J]．西安工程大學學報,2011 25(3)．

[2]黃國兵,金勇,賈榮興．某電能量遠方終端雙平面網絡接口設計[J]．西安工程大學學報,2016,30(1)．

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

[4]李章林,張立民．TCP/IP在51單片機上的實現特點和方法[C]．2003年全國單片機及嵌入式系統學術年會論文集(上冊),2003:380-384．

[5]劉園園,賈榮興,金勇等．基于網絡安全機制的IEC104的協議包設計與實踐[J]．電工技術,2015(2)．

李濤(1971—），男，陜西西安人，工程師，主要從事配電自動化、配電網規劃設計、電網標準化建設等方面的研究；

黃凱（1994—），男，陜西西安人，主要從事電力系統及其自動化專業的學習與研究。

西安市2012年產業技術創新計劃-技術轉移促進工程（項目編號：CX12185-4）。