自动化通信系统在全分布式变电站中的实现
0 引言
通信在变电站自动化中占有非常重要的地位。其内容包括当地开关场的采集控制单元与变电站监控管理层之间的通信，变电站当地与远方调度中心之间的通信。不同的变电站自动化系统结构意味着不同的通信网组态，它们在通信速度、可靠性和可扩展性上的指标都不同。
变电站自动化系统的结构形式一般分为集中式和分层分布式两种。集中式是传统的结构形式，通常由一台前置机负责对各种采集和控制设备进行数据交换，并将信息传送给上位机。这种系统的前置机过度繁忙，速度慢，可靠性较差，并且任何一种采集或控制设备故障将影响整个系统运行。这些问题使集中式结构的应用受到很大限制。分层分布式结构一般包括3层：第1层为变电站监控层，承担站内人机接口、监视、管理、控制等任务；第2层为通信处理层，负责对下层就地装置进行通信管理，并与远方调度中心通信，承担采集、控制和远动职能；第3层是就地的模拟量、开关量和脉冲量数据采集、保护和控制操作出口，通常为分布式结构。3 层之间靠通信联系。分层分布式系统的方案有很多种，本文论述了一种全分布式的变电站自动化通信系统。
1 通信系统总体方案
系统结构如图1所示。系统由监控主机、2块通信管理卡、1台远动管理机和若干就地单元组成。
图1 通信系统结构图
Fig.1 Structure of communication system
2块通信管理卡分别访问相应就地单元，得到各种数据信息。监控主机通过访问通信管理卡完成变电站主控室监控功能。远动管理机通过访问通信管理卡得到数据，按远动规约传给远方调度中心，并接收调度中心遥控、遥调命令，交给通信管理卡执行，实现就地通信规约和远动通信规约的转换及远动功能［4］。就地单元按间隔设计，引进法国的微机型装置，具有测量、保护、控制等功能，设有就地人机接口进行监控，可独立运行，投退不影响系统工作。
2块通信管理卡是自带CPU、双口RAM的智能卡，插在监控主机的PC总线插槽上。每块通信管理卡由4个RS—485接口引出4个通道，编号分别为 0～3和4～7，每个通道上至多可挂8个就地单元，以485总线型网络连接。根据变电站规模所需的就地单元数可以决定用几块通信管理卡。
2块通信管理卡同时运行，每块卡4个通道并行工作。其通信速度不会因为多个通道的存在而降低，而只与每个通道上的单元数有关。当通道挂满8个单元时，减少了空缺单元的等待延迟时间，通信速度最快。通信管理卡与监控主机并行工作，由于通信管理卡插在监控主机总线上，主机可用访问内存的方式访问通信管理卡，从而使监控主机获取通信管理卡数据的速度非常快，同时也简化了监控主机的编程。
通信管理卡的独立工作能力较强，只需在上电时由主机内的程序对它们进行初始化，在此之后通信管理卡可以与监控主机并行工作而不占用主机资源。即使监控主机故障（除非主机电源中断），通信管理卡仍能正常工作，而远动功能正常，信息不会丢失，且就地单元可正常进行就地监控。
远动管理机也是带有CPU，RAM的智能卡。它带有2个RS—485接口和1个RS—232接口。如图1，远动管理机占用通信管理卡1和通信管理卡2的各1个通道与其通信。它还由RS—232接口通过Modem与远方调度中心通信。3个接口并行工作。
就地单元按间隔设计，采用微机型装置，接入TV，TA二次侧电量和开关、刀闸的辅助接点位置，有出口控制回路，具有测量、保护和就地监视、控制功能。就地单元通过485网与相对应的通信管理卡通信。它的通信功能包括：传送本间隔的测量量，开关、刀闸位置信号和保护动作情况；控制开关位置；保护的定值修改及保护软投退。就地单元采用485总线插口式接线方式，新增、投退线路不会影响整个通信网正常工作。
综上所述，通信管理卡、远动管理机和就地单元都是智能型独立运行设备，彼此间只通过485网通信联系，所有通信环节并行进行，数据交换速度较快。所有智能设备，包括通信管理卡与监控主机，故障后互不影响，系统具有较好的可靠性和可扩展性。
2 通信软件设计
通信软件的设计，涉及到各个设备的配合问题，这里只介绍通信软件工作的机理。
2.1 数据采集机理
站内通信采用Polling式异步通信规约。如图2所示，在通道0～2，4～6，通信管理卡为主机，就地单元为从机。通信管理卡由各485接口不停地向各就地单元采集数据，存放在自己的数据区内，保证数据的实时性。监控主机或远动管理机访问通信管理卡时直接从其RAM中得到实时数据，而不必等待它向下访问就地单元的过程。通信管理卡发送一个字符、接收一个字符，都是以定时器中断方式实现。由于CPU的处理速度与通信速率相差很大的数量级，对于4个RS —485串行通信口来说，以中断方式收发使CPU进行数据管理的时间很宽裕，因而4个通道可以并行工作。
图2 通信系统工作机理示意图
Fig.2 Diagram of communication software mechanism
由于通信管理卡插在监控主机总线上，其数据区可以映射到监控主机的RAM上，监控主机能以访问内存的方式得到实时数据，而不需要占用通信管理卡的CPU处理时间。
通信管理卡通过通道3、通道7与远动管理机通信，远动管理机为主机，通信管理卡为从机。远动管理机不停地通过2个RS—485接口访问通信管理卡，获得实时数据，并按照远动规约转发给远方调度中心。3个接口可并行工作，机理同通信管理卡。
2.2 控制操作通信机理
若在主控室进行控制操作，监控主机向通信管理卡1或卡2下发控制命令，再由通信管理卡将命令向某就地单元转发下去。就地单元执行完毕后将执行结果等数据回送给通信管理卡，此时监控主机以访问内存的方式得到通信管理卡数据区内的执行结果。
若在远方调度中心进行遥控或遥调，远动管理机按远动规约收到控制命令后，按就地通信规约将命令内容转发给通信管理卡1或卡2，由通信管理卡向下执行。执行之后，远动管理机从通信管理卡上读取执行结果等数据，按远动规约送往调度中心。
3 工程实践
长沙马王堆110 kV/10 kV变电站按无人值班变电站设计。通信网由2块通信管理卡、1台远动管理机和48个就地单元组成。通信管理卡采用法国施耐德集团梅兰日兰（Merlin Gerin）公司生产的Applicom International可编程通信卡。就地单元采用其Sepam系列产品，实现了测量、线路保护、元件保护、断路器分合控制、自动Q—V调节、低频减载等功能。就地通信规约采用就地单元认可的Jbus通信规约，通信速率在 9600 bit/s即可满足要求［5］。远方通信规约根据调度中心的要求采用了美国1801 Polling式远动规约，通信速率为1200 bit /s。系统经过验收，各项指标均达到变电站运行标准，已于1998年4月29日正式投运。投运以来，通信工作正常，信息交换速度快，可靠性高。实践证明这种完全分布式通信系统具有较好的性能。
4 结语
本文论述的全分布式变电站自动化通信系统具有以下特点：
a.速度快。上层监控主机能以访问内存的方式读取通信处理层的数据。通信处理层中，就地通信和远动职能分别由2块通信管理卡和1台远动管理机并行完成。通信管理卡采用多通道并行的工作方式与下层就地单元通信。
b.可靠性高。通信处理层的通信管理卡、远动管理机和下层的智能式就地单元各自独立工作。它们只通过通信网弱联系，某设备故障不影响其他设备正常运行通信。通信管理卡在主机故障后仍能正常工作，除非电源中断。
c.可扩展性强。新增、投退线路时，可在通信网上加挂按间隔设计的就地单元，不影响通信网正常工作。新增线路不会降低通信速度。在大规模扩建时，可以增加通信管理卡，增加1块卡可扩增32条线路。
参考文献
[1] 刘玉忠，吴俊勇，刘 沛.变电站综合自动化中的数据通信.见：全国高等学校电力系统及其自动化专业第十三届学术年会论文集.广州：1997
[2] 杨奇逊.变电站综合自动化技术发展趋势.电力系统自动化，1995，19（10）：7～9
[3] 金 韬，唐 涛，阙连元.分散式变电站自动化系统分析与讨论.电力系统自动化，1997，21（10）
[4] Booth C, Mcdonald J R. Substation Based Data Interpretation Techniques for Improved Power System Management. IEEE Trans on Power Delivery, 1997, 9（2）
[5] 朱丽安，帅军庆.关于110 kV，35 kV变电站综合自动化系统的功能要求.电网技术，1997，21（1）
通信在变电站自动化中占有非常重要的地位。其内容包括当地开关场的采集控制单元与变电站监控管理层之间的通信，变电站当地与远方调度中心之间的通信。不同的变电站自动化系统结构意味着不同的通信网组态，它们在通信速度、可靠性和可扩展性上的指标都不同。
变电站自动化系统的结构形式一般分为集中式和分层分布式两种。集中式是传统的结构形式，通常由一台前置机负责对各种采集和控制设备进行数据交换，并将信息传送给上位机。这种系统的前置机过度繁忙，速度慢，可靠性较差，并且任何一种采集或控制设备故障将影响整个系统运行。这些问题使集中式结构的应用受到很大限制。分层分布式结构一般包括3层：第1层为变电站监控层，承担站内人机接口、监视、管理、控制等任务；第2层为通信处理层，负责对下层就地装置进行通信管理，并与远方调度中心通信，承担采集、控制和远动职能；第3层是就地的模拟量、开关量和脉冲量数据采集、保护和控制操作出口，通常为分布式结构。3 层之间靠通信联系。分层分布式系统的方案有很多种，本文论述了一种全分布式的变电站自动化通信系统。
1 通信系统总体方案
系统结构如图1所示。系统由监控主机、2块通信管理卡、1台远动管理机和若干就地单元组成。
图1 通信系统结构图
Fig.1 Structure of communication system
2块通信管理卡分别访问相应就地单元，得到各种数据信息。监控主机通过访问通信管理卡完成变电站主控室监控功能。远动管理机通过访问通信管理卡得到数据，按远动规约传给远方调度中心，并接收调度中心遥控、遥调命令，交给通信管理卡执行，实现就地通信规约和远动通信规约的转换及远动功能［4］。就地单元按间隔设计，引进法国的微机型装置，具有测量、保护、控制等功能，设有就地人机接口进行监控，可独立运行，投退不影响系统工作。
2块通信管理卡是自带CPU、双口RAM的智能卡，插在监控主机的PC总线插槽上。每块通信管理卡由4个RS—485接口引出4个通道，编号分别为 0～3和4～7，每个通道上至多可挂8个就地单元，以485总线型网络连接。根据变电站规模所需的就地单元数可以决定用几块通信管理卡。
2块通信管理卡同时运行，每块卡4个通道并行工作。其通信速度不会因为多个通道的存在而降低，而只与每个通道上的单元数有关。当通道挂满8个单元时，减少了空缺单元的等待延迟时间，通信速度最快。通信管理卡与监控主机并行工作，由于通信管理卡插在监控主机总线上，主机可用访问内存的方式访问通信管理卡，从而使监控主机获取通信管理卡数据的速度非常快，同时也简化了监控主机的编程。
通信管理卡的独立工作能力较强，只需在上电时由主机内的程序对它们进行初始化，在此之后通信管理卡可以与监控主机并行工作而不占用主机资源。即使监控主机故障（除非主机电源中断），通信管理卡仍能正常工作，而远动功能正常，信息不会丢失，且就地单元可正常进行就地监控。
远动管理机也是带有CPU，RAM的智能卡。它带有2个RS—485接口和1个RS—232接口。如图1，远动管理机占用通信管理卡1和通信管理卡2的各1个通道与其通信。它还由RS—232接口通过Modem与远方调度中心通信。3个接口并行工作。
就地单元按间隔设计，采用微机型装置，接入TV，TA二次侧电量和开关、刀闸的辅助接点位置，有出口控制回路，具有测量、保护和就地监视、控制功能。就地单元通过485网与相对应的通信管理卡通信。它的通信功能包括：传送本间隔的测量量，开关、刀闸位置信号和保护动作情况；控制开关位置；保护的定值修改及保护软投退。就地单元采用485总线插口式接线方式，新增、投退线路不会影响整个通信网正常工作。
综上所述，通信管理卡、远动管理机和就地单元都是智能型独立运行设备，彼此间只通过485网通信联系，所有通信环节并行进行，数据交换速度较快。所有智能设备，包括通信管理卡与监控主机，故障后互不影响，系统具有较好的可靠性和可扩展性。
2 通信软件设计
通信软件的设计，涉及到各个设备的配合问题，这里只介绍通信软件工作的机理。
2.1 数据采集机理
站内通信采用Polling式异步通信规约。如图2所示，在通道0～2，4～6，通信管理卡为主机，就地单元为从机。通信管理卡由各485接口不停地向各就地单元采集数据，存放在自己的数据区内，保证数据的实时性。监控主机或远动管理机访问通信管理卡时直接从其RAM中得到实时数据，而不必等待它向下访问就地单元的过程。通信管理卡发送一个字符、接收一个字符，都是以定时器中断方式实现。由于CPU的处理速度与通信速率相差很大的数量级，对于4个RS —485串行通信口来说，以中断方式收发使CPU进行数据管理的时间很宽裕，因而4个通道可以并行工作。
图2 通信系统工作机理示意图
Fig.2 Diagram of communication software mechanism
由于通信管理卡插在监控主机总线上，其数据区可以映射到监控主机的RAM上，监控主机能以访问内存的方式得到实时数据，而不需要占用通信管理卡的CPU处理时间。
通信管理卡通过通道3、通道7与远动管理机通信，远动管理机为主机，通信管理卡为从机。远动管理机不停地通过2个RS—485接口访问通信管理卡，获得实时数据，并按照远动规约转发给远方调度中心。3个接口可并行工作，机理同通信管理卡。
2.2 控制操作通信机理
若在主控室进行控制操作，监控主机向通信管理卡1或卡2下发控制命令，再由通信管理卡将命令向某就地单元转发下去。就地单元执行完毕后将执行结果等数据回送给通信管理卡，此时监控主机以访问内存的方式得到通信管理卡数据区内的执行结果。
若在远方调度中心进行遥控或遥调，远动管理机按远动规约收到控制命令后，按就地通信规约将命令内容转发给通信管理卡1或卡2，由通信管理卡向下执行。执行之后，远动管理机从通信管理卡上读取执行结果等数据，按远动规约送往调度中心。
3 工程实践
长沙马王堆110 kV/10 kV变电站按无人值班变电站设计。通信网由2块通信管理卡、1台远动管理机和48个就地单元组成。通信管理卡采用法国施耐德集团梅兰日兰（Merlin Gerin）公司生产的Applicom International可编程通信卡。就地单元采用其Sepam系列产品，实现了测量、线路保护、元件保护、断路器分合控制、自动Q—V调节、低频减载等功能。就地通信规约采用就地单元认可的Jbus通信规约，通信速率在 9600 bit/s即可满足要求［5］。远方通信规约根据调度中心的要求采用了美国1801 Polling式远动规约，通信速率为1200 bit /s。系统经过验收，各项指标均达到变电站运行标准，已于1998年4月29日正式投运。投运以来，通信工作正常，信息交换速度快，可靠性高。实践证明这种完全分布式通信系统具有较好的性能。
4 结语
本文论述的全分布式变电站自动化通信系统具有以下特点：
a.速度快。上层监控主机能以访问内存的方式读取通信处理层的数据。通信处理层中，就地通信和远动职能分别由2块通信管理卡和1台远动管理机并行完成。通信管理卡采用多通道并行的工作方式与下层就地单元通信。
b.可靠性高。通信处理层的通信管理卡、远动管理机和下层的智能式就地单元各自独立工作。它们只通过通信网弱联系，某设备故障不影响其他设备正常运行通信。通信管理卡在主机故障后仍能正常工作，除非电源中断。
c.可扩展性强。新增、投退线路时，可在通信网上加挂按间隔设计的就地单元，不影响通信网正常工作。新增线路不会降低通信速度。在大规模扩建时，可以增加通信管理卡，增加1块卡可扩增32条线路。
参考文献
[1] 刘玉忠，吴俊勇，刘 沛.变电站综合自动化中的数据通信.见：全国高等学校电力系统及其自动化专业第十三届学术年会论文集.广州：1997
[2] 杨奇逊.变电站综合自动化技术发展趋势.电力系统自动化，1995，19（10）：7～9
[3] 金 韬，唐 涛，阙连元.分散式变电站自动化系统分析与讨论.电力系统自动化，1997，21（10）
[4] Booth C, Mcdonald J R. Substation Based Data Interpretation Techniques for Improved Power System Management. IEEE Trans on Power Delivery, 1997, 9（2）
[5] 朱丽安，帅军庆.关于110 kV，35 kV变电站综合自动化系统的功能要求.电网技术，1997，21（1）
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