典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
(2)Lon Works现场总线(局部操作网络)
Lon Works 是1991 年美国Echelon 公司推出的一种现场总线技术,主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力工业等。现在它已经进入第三代产品,能把各局域网互联成广域网。该种技术采用了Lon Talk 协议,LonTalk 协议最大的特点是对OSI 的七层协议的支持,是直接面对对象的网络协议,其具体实现采用网络变量这一形式。Lon Works 技术是将LonTalk 协议封装在Neuron 的神经元芯片中而得以实现。
(3)Profibus(Process Fieldbus)
Profibus是由Profitbus-DP、Profitbus-FMS 、Profitbus-PA 构成的系列。DP 型用于分散外设间的高速数据传输,适用于自控设备和外围设备之间的数据交换。FMS 意为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器等。而PA 型则用于过程自动化,通过总线供电,提供本质安全性,可用于危险防爆区域。
(4)CAN 现场总线
CAN (Controller Area Network),即控制器局域网,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,而且该网络具有很高可靠性。由于CAN特性卓越以及可靠性极高,所以非常适合工业过程中监控设备的互连。该总线规范已被IOS国际标准组织制定为国际标准(ISO-11898),并且己经被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN 总线协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模式基础上的,其模型结构取了OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。CAN 总线采用双绞线串行通信方式,具有很强的检错功能,可以在高噪声干扰环境中使用,而且使用该种总线方式作为通信网络,开发成本比较低。
考虑到变电站对可靠性、实时性、经济性的要求,我选择了CAN 总线作为底层通信网络。这种基于CAN 总线的分层分布式变电站综合自动化微机监控系统结构具有以下的特点:
(1)数据的采集以每个间隔单元为基础,属于该设备间隔中功能所需信息都经本间隔的采集单元完成,设备的属性和间隔单元中的数据是直接一一对应的;
(2)调度对该设备的开关进行遥控操作,是由该间隔中的控制功能部件完成;
(3)变电站层或调度端要对变电站任何信息的获取,不需要增加任何中间设备,而是通过数字通信方式获得即可,由站端监控系统通过逐一询问每个间隔单元达到对整个系统设备的控制;
(4)对信息的采集是按照每一个间隔进行的,间隔单元层信息采集属于并行处理,无论是测量还是控制都可实现响应的快速性;
(5)变电站内的所有设备的间隔单元,全部挂在同一个数据网上,物理地位是平等的,都以相同的方式与上一级站点(变电站层监控)进行信息交换,但在逻辑处理上可以有多种多样的,如可对不同的设备设立不同的优先级;
(6)按现场总线的通信原则对设备的访问次序不需要固定顺序,只要规定的时间内访问完各间隔即可(实时性),但考虑到现场总线传递的数据帧较短,为提高通信的效率,仍然以监控系统的前置机对各设备间隔单元的周期性访问方式进行,由于可设置优先权,把前置机优先级别设为最低;
(7)在数据的采集过程中,己经确立了数据和信息之间的关系,采集过程反应了数据的实际意义。
采用CAN总线作为变电站的通信网络,其优点是数据传输速度快,短帧结构受干扰的概率小,硬件循环冗余码纠错,误码率低,真正的多主冗余系统使保护信息和变位信息能及时上送,实时性好;而且一个网络通常能容纳110个节点,传输211到229种不同的数据块,这种规模对于低压变电站的保护测控装置的通信而言是足够的。基于CAN总线的控制系统各智能单元统一由上位机进行管理,控制功能由现场智能单元实现,该系统运行于多主工作方式,从而减轻了上位机的负担,降低了系统的风险。从系统运行的结果看,各功能单元工作良好,功能单元相互间及与上位机都能保持良好的通信,系统运行稳定且具有较强的抗干扰能力[1][3][16]。
3.2.2 以太网技术
系统主网采用单/双10/100M以太网结构,由10/100M交换机构建,采用国际的网络标准协议。系统以太网通信网络结构图如图3-2所示。
图3-2 以太网通信网络结构图
主网的双网配置是为了完成负荷平衡以及热备用的双重功能。在网络任一点有故障时,双以太网便能快速切换,切换时间对于10Mb/s以太网小于20ms,100Mb/s以太网小于0.5s。这样就能够保证连接于网络上的设备的正常通信,其可靠性相当于双总线网络,能满足110kV~500kV变电站自动化系统的要求。在正常情况下,系统负荷双网平衡,一旦其中一个网络故障,另一个网络就承担全部的通信负荷,以保证实时系统的可靠性。交换式快速以太网的端口带宽,比共享式以太网提高了10倍以上,充分保证了信息交换的实时性,同时也使各种分布式的功能成为可能。
系统主网(变电站层)采用代表网络技术发展最新方向的10/100M以太交换机构成的工业以太网。工业以太网采用交换式集线器和全双工通信,可使网络上的冲突域不复存在(全双工通信),或碰撞机率大大降低(半双工),因此通信确定性和实时性大大提高;工业以太网针对恶劣的工业现场环境来设计(如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等),解决了在极端条件下网络不能稳定工作的问题:从而稳定性与可靠性大大提高。该工业以太网解决了不同协议间不能通讯的困扰,可以直接和局域网的计算机互连而不需额外的硬件设备;它方便数据在局域网的共享,可以用IE浏览器访问终端数据,而不必需要专门的软件;可以和现有的基于局域网的EPR数据库管理系统实现无缝连接,并且特别适合远程控制;配合电话交换网和GSM、GPRS无线电话网便能实现远程数据采集;采用统一的网线,减少了布线成本和难度,避免多种总线并存。快速以太网传输速率可以达到100Mb/s,可容纳1024个节点,距离可达2 5km。
总之,10/100M以太交换机形式的工业以太网正因为有上述的诸多优点,所以在国内外得到了迅速的普及,也为我所选择[1][5][18]。
3.3 上位机系统
上位机系统相对于下位机系统来说相当于主站,主要是对下位机各测控、保护单元进行监控;相对于远方的调度部门来说,又相当于子站,上传变电站的运行信息,同时执行该调度的控制和调节命令,完成相应的功能。
3.3.1 网络适配器
上位机系统中的网络适配器在变电站层里相当于前置通信单元,担负着数据传输和规约转换的任务。为了实现监视和控制功能,上位机需要与下位机交换数据。不同的下位机可能采集不同的数据、实现不同的功能、有不同的通信协议。为此,上位机如果要取得变电站运行的实时数据和下达遥控、遥调命令时,必须得经过前置通信单元的解释、整理和传送。当上位机想得到下面的实时信息时,网络适配器从下位机那里取得数据,进行解释、整理后,然后上发给上位机;上位机在下达遥控、遥调命令时,先将指令发到网络适配器,网络适配器再按照下位机的协议下发到指定单元,从而实现这些命令。
网络适配器主要有以下三方面的功能:一是提供CAN 总线的接口;二是提供PC 机即当地监控机的接口;另外还要与调度中心的通信接口,即与MODEM 对接。本系统采用了NSC200系列网络适配器。它可以采用单机和双机冗余这两种配置方式[1][3][16]。
3.3.2 后台监控主机
后台监控主机主要作用是完成当地监控的功能。除了要完成变电站正常运行时主设备的运行参数和状态数据实时采集和处理的任务外;还要对不正常运行状态和事故状态运行的数据进行
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