变电站综合自动化通信网络的设计与实现

摘 要：本文论述了一种变电站综合自动化系统通信网络的设计。该通信系统具有信息传送效率高，安全、可靠性好，可扩展性强的特点。通信软件应用RTOS开发平台，采用先进的、标准的和成熟的通信网络技术，充分考虑网络的开放性、可扩充性等相关问题，并已成功应用于多家变电站。

关键词：变电站 综合自动化 通信网 接口 实时多任务操作系统

0.引言

变电站是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。近年来，随着我国经济高速发展，电压等级和电网复杂程度也大大的提高。传统变电站一次设备和二次设备已无法满足降低变电站造价和提高变电站安全与经济运行水平这两方面的要求。

而现在变电站所采用的综合自动化技术是将站内继电保护，监控系统，信号采集，远动系统等结合为一个整体，使硬件资源共享，用不同的模式软件来实现常规设备的各种功能。用局域网来代替电缆，用主动模式来代替常规设备的被动模式。具有可靠、安全、便于维护等特点。

分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠性提出了更高的要求，选择一个可靠、高效的网络结构，是解决问题关键。90年代中期，国内外曾掀起一场“现场总线热”，但是由于技术上的原因以及采用设备总线时信息量大且传输较慢的特点，造成了现场总线存在多种标准，阻碍了其发展。以太网经过若干年的发展，技术上日臻成熟。随着嵌入式以太网微处理器的发展，以太网已十分便利的应用于变电站综合自动化系统。以太网具有高速、可靠、安全、灵活的特点，使其在变电站综合自动化系统中有广阔的应用前景。

1.变电站通信系统结构

系统结构示意图如图1所示。

从图上可以看出：

1)管理和控制一体化局域网将无可争议地选用以太网。

2)间隔级控制总线在FF-H2总线尚未成熟的情况下，工业级以太网和Profibus MMS(Manufacturing Messageing Specification制造厂信息规范)将是一个比较好的选择。

3)可编程逻辑控制器PLC被发展成PCC(Programable computer controller),即用智能模块实现逻辑及自动控制功能，它比常规的PLC具有可交流采样、通讯组态方便等优点。

2.变电站综合自动化系统通信网的基本设计原则

通信在变电站综合自动化占有重要的地位。其内容包括当地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。系统通讯网架的设计是十分关键的，本文从以下方面考虑变电自动化系统通信网的设计：

1)电力系统的连续性和重要性，通讯网的可靠性是第一位的。

2)系统通讯网应能使通讯负荷合理分配，保证不出现“瓶颈”现象，保证通讯负荷不过载，应采用分层分布式通讯结构。此外应对站内通讯网的信息性能合理划分，根据数据的特征是要求实时的，还是没有实时性要求以及实时性指标的高低进行处理。另外系统通信网设计应满足组合灵活，可扩展性好，维修调试方便的要求。

3)应尽量采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种标准的通信接口，并考虑系统升级的方便。

4)应考虑针对不同类型的变电所的实际情况和具体特点，系统通信网络的拓扑结构是 灵活多样的且具有延续性。

5)系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约。

6)对于通信媒介的选用，设计原则是在技术要求上支持采用光纤，但实际工程中也考虑以屏蔽电缆为主要的通信媒介。

7)为加速产品的开发，保持对用户持续的软件支持，对用户提出的建议及要求的快速响应，就要求摆脱小作坊式的软件开发模式，使软件开发从“小作坊阶段”进入“大生产阶段”， 采用先进的通信处理器软件开发平台实时多任务操作系统RTOS并开发应用与其之上的通信软件平台。

3.通信网的软硬件安装

3.1.硬件的选择

为了保证通信网的可靠性，通信网构成芯片必须保证在工业级以上，以满足湿度、温度和电磁干扰等环境要求。通讯CPU采用摩托罗拉公司或西门子公司的工控级芯片，通讯介质选择屏蔽电缆或光纤。

3.2. 接口程序

采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种标准的通信接口，并考虑系统升级的方便。装置通信CPU除保留标准的RS232/485口用于系统调试维护外，其它各种接口采用插板式结构，设计支持以下三类共七种方式：标准RS485接口，考虑双绞线总线型和光纤星型耦合型;标准 Profibus FMS 接口，考虑双绞线总线型、光纤环网、光纤冗余双环网;标准Ethernet ，考虑双绞线星型和光纤星型(通信管理单元考虑以上两种类型的双冗余配置)。

3.3. 通信协议和通信规约

系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约，应建立符合变电站综合自动化系统结构的计算机间的网络通讯，根据变电站自动化系统的实际要求，在保证可靠性及功能要求的基础上，尽量注意开放性及可扩充性，并且所选择的网络应具有一定的技术先进性和通用性，尽量靠国际标准。长期以来，不同的变电站监控系统采用不同的通信协议和通信规约，如何实现不同系统的互连和信息共享成为一个棘手的问题，应采用规范化、符合国际标准的通信协议和规约。为此在系统中选用了应用于RS485网络的IEC61870-5-103规约、应用于Profibus 的MMS行规以及应用于TCP/IP上的MMS行规。它们都具有可靠性、可互操作性、安全性、灵活性等特点。

4.通信软件的设计与实现

通信软件的设计涉及到多种设备的配合问题，本文只以DF3003变电站综合自动化系统的通信网络为例，介绍变电站综合自动化系统通信软件设计与运行原理。

4.1. 软件功能与运行原理

在DF3003变电站综合自动化系统中，采用二级分层分布式网络。针对110KV中压变电站的要求，我们可采取图2所示的组网方式。后台与主站都是一种监控系统，其主要功能为监视各智能单元的运行状态，并能对各智能单元进行控制。而监控系统为完成其主要功能所需要的各种数据都是由通讯转换器DF3211或保护管理单元DF3210来提供的。因此，从数据流控制的角度来看，通讯程序主要完成智能单元运行状态信息的上报和监控系统控制信息的下发两种功能。智能单元的运行状态信息一般包括遥测数据、遥信数据、电度数据、突发数据等。监控系统的控制信息则包括遥控命令、对时命令、查询命令等。本文中的变电自动化系统通讯程序所要完成的数据结构与函数过程如图3所示。

4.2. 软件开发平台——RTOS

随着应用的复杂化，对控制精度、智能化程度的要求越来越高，一个微处理器往往要同时完成很多任务。体现在变电站自动化通信产品中，由于信息采集量越来越大，信息交换越来越频繁，简单地用单一任务来轮询，往往造成通信的“瓶颈”现象，如保护和测量设备采集到的实时信息无法及时向上传递。多任务编程的特点是：程序在功能上以任务的形式存在，

各个任务之间相对独立，可通过操作系统提供的资源，进行任务间的信息交换和相互控制，可通过优先级、时间片来控制各任务执行的顺序。多任务编程的特点打破了传统软件顺序执行的框架，便于程序的系统开发、调试及维护。实时多任务操作系统RTOS(Real Time Operating System)是面向21世纪嵌入式设计的基础和标准开发平台。高性能软件开发平台可以使嵌入式软件程序的开发进入规模化和产业化生产。有了高性能开发平台，可以极大的提高软件开发的效率，RTOS体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，在此基础上，可以设计一种更为通用的通用软件平台，软件工程师可以在不大量变动系统其他任务的情况下增加或删除一个通信规约;一个大项目开发的过程中，可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要制订好规程和协议即可，既缩短了开发时间，又降低了最终通信软件产品对于具体某个人的依赖性。

4.3. 与因特网结合

通信管理单元提供内置的WEB-SERVER，可动态向外部系统发布数据，这部分可采用在RTOS之上外购WEB—SERVER模块来开发完成，更为方便的是，在设置各种系统参数和浏览现场实时数据时，只需要一个标准的浏览器软件，如Microsoft 的IE即可。

5. 改进的网架结构

当变电综合自动化系统中的通信可靠性要求进一步提高时，可采用图4所示的网架结构。即对通信管理单元和通道实行主备切换的模式，但这种模式对通信管理单元和通信切换器的要求较高。在这种模式下，当通信管理单元损坏或通道故障时均得到切换，因此这种模式更可靠、更安全。

6.结论

本文所述的变电站综合自动化通信系统采用代表国际技术发展潮流，先进的、标准的和成熟的通信网络技术。采用双网网络，双机热备用，光纤双环冗余自愈系统，采用国际标准通信规约协议，充分考虑网络的开放性、可扩充性及工程化的相关问题。本通信系统具有速度快，可靠性高，可扩展性强等特点，已经成功的应用于多家变电站。