淺析微機故障錄波器通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

2019-11-03 09:59:43

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供稿：網(wǎng)友

王黎，孫云蓮
武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北省武漢市 430072

　　摘要：分析了故障錄波器中故障信息傳輸?shù)奶攸c，提出了故障錄波器通信網(wǎng)絡(luò)各部分的通信形式和采用的通信協(xié)議，以及故障錄波器與電力管理信息系統(tǒng)（MIS）互聯(lián)采用雙網(wǎng)卡設(shè)計的解決方案。

　　關(guān)鍵詞：故障錄波器；電力管理信息系統(tǒng)；雙網(wǎng)卡；電力系統(tǒng)

　　1 引言

　　故障錄波器是電力監(jiān)測系統(tǒng)的一種重要設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于我國各發(fā)電廠、變電站，其主要功能是記錄電力系統(tǒng)中發(fā)生故障（短路）前后的電壓、電流波形，以便事后對故障原因進行技術(shù)分析，確定故障發(fā)生的時刻。進入20世紀(jì)90年代以來，隨著個人計算機（PC）技術(shù)的飛速發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛，工業(yè)PC機正以其具有可靠的性能、開放的結(jié)構(gòu)、品種繁多的軟件平臺、優(yōu)良的性能價格比而受到工業(yè)界的重視。同時隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得電力系統(tǒng)中變電站、發(fā)電廠之間的信息聯(lián)網(wǎng)成為可能。通過聯(lián)網(wǎng)，工作人員在中心調(diào)度所就可以快捷、方便地分析各變電站故障錄波器所記錄的信息。然而要實現(xiàn)信息共享，錄波器就必須具有強大的通信能力。本文主要在分析故障錄波器通信特點的基礎(chǔ)上給出了通信網(wǎng)絡(luò)所使用的通信形式和通信協(xié)議，并最后給出了實現(xiàn)錄波器與電力管理信息系統(tǒng)互聯(lián)所采用的形式。

　　2 故障錄波器通信網(wǎng)絡(luò)的特點和面臨的問題

　　電力系統(tǒng)調(diào)度自動化構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡(luò)是記錄電網(wǎng)運行的穩(wěn)態(tài)過程，而故障錄波器記錄的是電網(wǎng)故障時的暫態(tài)過程。這就決定了在電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障錄波器必須在幾秒鐘內(nèi)采集到大量的數(shù)據(jù)，例如，以12 bit錄波精度計算，記錄一典型的單相接地重合閘過程，錄波器須在4.2s內(nèi)采集60kB以上的數(shù)據(jù)[1]。因此要想將各變電站或發(fā)電廠的故障數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至調(diào)度中心，計算機網(wǎng)絡(luò)必須是一種遠(yuǎn)程的、高可靠性的、數(shù)據(jù)吞吐量大的系統(tǒng)。

　　錄波器聯(lián)網(wǎng)的一個重要特點是“間斷性”。只有當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時錄波器才啟動，錄波器網(wǎng)絡(luò)才有大量數(shù)據(jù)要傳輸，其余時間均處在閑置狀態(tài)。然而一旦進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，通信網(wǎng)絡(luò)就可能被占用幾分鐘甚至十幾分鐘的時間。這與電力監(jiān)控系統(tǒng)是不同的[2]。

　　隨著電力系統(tǒng)自動化技術(shù)的發(fā)展，調(diào)度自動化系統(tǒng)發(fā)展的方向之一是實現(xiàn)與電力管理信息系統(tǒng)（MIS）的“無縫連接”。故障錄波器作為電網(wǎng)暫態(tài)過程的監(jiān)測系統(tǒng)也必須具有向有關(guān)部門發(fā)布信息的能力。因此如何與MIS連接是故障錄波器網(wǎng)絡(luò)面臨的又一問題。

　　3 微機故障錄波器通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

　　目前，我國電廠、變電站所使用的故障錄波器，其通信部分主要包括上下位機之間、上位機與遠(yuǎn)方調(diào)度中心之間的故障數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。在不同的設(shè)備之間，數(shù)據(jù)的傳輸距離以及傳輸量各不相同，因此應(yīng)根據(jù)具體的傳輸情況采用不同的通信方式，以提高設(shè)備的利用率，節(jié)約設(shè)備投資，降低通信費用。另外，在現(xiàn)在使用的故障錄波器中，下位機通常采用工控機（ipC），主要用來對被監(jiān)控電流、電壓進行不間斷的采樣，以及在有故障時記錄故障信息。由于系統(tǒng)在通常情況下被占用，加上工控機運行速度較慢，所以上位機承擔(dān)了故障錄波器通信的大部分工作。下面介紹錄波器通信網(wǎng)絡(luò)中所采用的通信形式和通信協(xié)議，主要包括上、下位機以及與遠(yuǎn)方調(diào)度中心之間的通信。

　　在上下位機之間，由于傳輸距離較近，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，通常采用10/100M網(wǎng)卡及網(wǎng)線直接連接，以保證傳輸?shù)目焖傩浴Ｆ渫ㄐ艆f(xié)議采用Netware 的數(shù)據(jù)包通信協(xié)議IPX。但I(xiàn)PX協(xié)議不是面向連接的協(xié)議，因此使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詿o法得到保證。在一般情況下，IPX協(xié)議的可靠性只能達(dá)到95%[3]。當(dāng)下位機采集到故障信息時立即將其封裝為IPX協(xié)議幀，并將其立即發(fā)送給上位機進行處理，上位機在啟動時即建立后臺接收進程，等待下位機發(fā)送數(shù)據(jù)。為了進一步提高傳輸?shù)目煽啃裕瑒t須采用丟包重發(fā)機制。通常情況下，下位機記錄的故障信息量較大，而IPX通信協(xié)議數(shù)據(jù)包的大小又被限定在576B之內(nèi)，所以故障文件先被分拆成一系列數(shù)據(jù)包然后再進行發(fā)送。在上位機可設(shè)定數(shù)據(jù)包檢測機制，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)包即可要求下位機重新發(fā)送，這樣就可以提高向上位機傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。

　　另外，由于上位機與遠(yuǎn)方調(diào)度中心之間的距離較遠(yuǎn)，通常可利用電力系統(tǒng)內(nèi)部微波電話網(wǎng)絡(luò)采用調(diào)制解調(diào)器（MODEM）點對點（Point to Point，PPP）協(xié)議進行通信。當(dāng)上位機接收到故障信息并對其進行分析處理后，則將分析結(jié)果打包封裝為PPP協(xié)議幀，并在上位機負(fù)擔(dān)較輕時主動建立與遠(yuǎn)方調(diào)度中心的連接并將故障分析結(jié)果發(fā)送給遠(yuǎn)方調(diào)度中心以供使用。MODEM通信為面向連接的通信，故可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴５乾F(xiàn)在使用的MODEM，由于傳輸線路的原因使得其數(shù)據(jù)傳輸率被控制在55.6kb/s以內(nèi)，因此這就成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。為此，必須對上位機分析過的故障信息文件先進行壓縮，然后才能遠(yuǎn)傳至調(diào)度中心，以供專業(yè)人員和調(diào)度人員使用。

　　4 微機故障錄波器與電力管理信息系統(tǒng)(MIS)的互聯(lián)

　　自20世紀(jì)80年代中期以來，隨著計算機硬件、軟件性能的不斷發(fā)展和提高，電力管理信息系統(tǒng)（MIS）建設(shè)作為電力企業(yè)達(dá)標(biāo)、創(chuàng)一流的指標(biāo)，使得電力MIS的建設(shè)加速發(fā)展。經(jīng)過十幾年的建設(shè)，我國電力行業(yè)各部門多建立了自己的MIS，但目前的應(yīng)用大多還局限于代替人工進行數(shù)據(jù)處理，故障記錄還停留在手工記錄階段，這給故障信息的最終記錄和綜合管理帶來極大不便。另外，故障錄波器作為電網(wǎng)暫態(tài)過程的監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)該將故障信息傳送到有關(guān)部門。因此故障錄波器與電力管理信息系統(tǒng)（MIS）的互聯(lián)就成為迫切需要解決的問題。

　　由于我國各電廠都有自己的內(nèi)部局域網(wǎng)，因此可以將故障錄波器上位機接入電廠的內(nèi)部局域網(wǎng)從而實現(xiàn)與電力MIS的互聯(lián)。互聯(lián)時可使用常見的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如IEEE 802.3 以太網(wǎng)、IEEE 802.4令牌總線網(wǎng)以及IEEE 802.5令牌環(huán)網(wǎng)。為了提高傳輸效率，合理分配上位機的系統(tǒng)資源，可以進行雙網(wǎng)卡設(shè)計，即在上位機內(nèi)增加一塊專門負(fù)責(zé)與MIS通信的網(wǎng)卡，其類型應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)所采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。這樣既可以保證上、下位機之間的通信，又可以減輕下位機的負(fù)擔(dān)。其通信協(xié)議可以采用目前網(wǎng)絡(luò)上通用的TCP/IP協(xié)議，這樣就可以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性和高效性。目前電廠中所使用的MIS大部分為B/S模式體系結(jié)構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器模式，所有的MIS數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器上，各用戶通過網(wǎng)絡(luò)使用通用的瀏覽器瀏覽數(shù)據(jù)，這樣對于上位機處理分析過的數(shù)據(jù)只需要將其傳送到整個MIS的服務(wù)器上就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為電廠內(nèi)的各部門所使用。當(dāng)上位機將故障信息處理完后，其既可主動建立與MIS服務(wù)器的連接，將故障信息封裝為IP數(shù)據(jù)包傳送到服務(wù)器上，也可以將信息先保存在當(dāng)?shù)卮疟P上已備將來的MIS用戶通過網(wǎng)絡(luò)查詢。對于上位機內(nèi)的兩塊網(wǎng)卡，分別采用不同的通信協(xié)議，即IPX和TCP/IP協(xié)議分別承擔(dān)不同的通信任務(wù)。這樣不僅不會產(chǎn)生沖突，而且編制上位機程序也不會有障礙。

　　目前，各故障錄波器開發(fā)商采用的開發(fā)平臺是不同的，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不相同，因此各廠家生產(chǎn)的故障錄波器所記錄的故障信息其結(jié)構(gòu)也是不相同的。為了便于電力MIS記錄，可以在上位機上建立轉(zhuǎn)換模塊，將故障信息轉(zhuǎn)換成COMTRADE格式。由于COMTRADE格式為通用的故障信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的故障信息就可以被不同的電力MIS以及大多數(shù)的故障分析儀器所識別，使得故障信息具有較好的兼容性。圖1為通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框圖。

　　5 通信網(wǎng)絡(luò)功能

　　通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)的功能有： ① 自動接收電網(wǎng)故障錄波數(shù)據(jù)； ② 遠(yuǎn)方查閱故障數(shù)據(jù)； ③ 遠(yuǎn)方整定定值； ④ 遠(yuǎn)方啟動錄波； ⑤ 系統(tǒng)遠(yuǎn)方定時自檢； ⑥ 實時設(shè)備信息監(jiān)測等。

　　6 微機故障錄波器與電力MIS通信模塊軟件流程圖

　　微機故障錄波器與電力MIS通信模塊軟件流程圖如圖2所示。

　　7 結(jié)論

　　根據(jù)微機故障錄波器故障數(shù)據(jù)的傳輸特點和數(shù)據(jù)量大小而采用不同的通信形式和通信協(xié)議，即上、下位機之間采用網(wǎng)線直連方式使用IPX協(xié)議、錄波器與遠(yuǎn)方調(diào)度中心利用電力系統(tǒng)內(nèi)微波電話線路采用MODEM使用PPP協(xié)議進行通信、錄波器接入MIS內(nèi)部局域網(wǎng)使用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳遞到MIS服務(wù)器，使得故障錄波器具有較強的網(wǎng)絡(luò)通信能力。目前，故障錄波器已經(jīng)成為電力監(jiān)測系統(tǒng)不可或缺的一部分，現(xiàn)有的孤立錄波器必將被具有強大網(wǎng)絡(luò)通信能力的錄波裝置所取代。特別是利用先進的計算機技術(shù)使電網(wǎng)故障信息系統(tǒng)與電力MIS實現(xiàn)無縫連接以后，經(jīng)授權(quán)的用戶可以隨時隨地瀏覽故障信息，提高了電力自動化管理的技術(shù)水平，實現(xiàn)了故障信息管理的系統(tǒng)化、規(guī)范化。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 梁合慶．變電站綜合自動化中的故障錄波裝置[A]．變電站綜合自動化研討會論文集[C]．南京：電力自動化研究院，1995，201-202．

　　[2] 盛壽麟．電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控原理[M]．北京：中國電力出版社，1993．

　　[3] 陳堅．通信編程技術(shù)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998．

　　
摘自《電網(wǎng)技術(shù)》

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