Comprehensive Automation System of Substation Based on Field bus CAN Chen San-bao1， Qiu Ai-bing2 (Wuhan University of Technology and Engineering ，Wuhan Hubei，430063) Abstract: Through the description of comprehensive automation system and field bus of substation，combined with the engineering example， the paper introduces the basic function and characteristics of automation system of substation based on advanced field bus technology。 It also discusses that the Field bus technology is the trend of comprehensive automation system and electric system automation as well as ，it is useful for the designing of the engineering。 Key word: Substation comprehensive automation Electric system automation Field bus CAN Monitored control system 摘要：通過(guò)對(duì)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN技術(shù)的介紹，結(jié)合具體工程實(shí)踐，介紹采用先進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能和特點(diǎn)，論述了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)化，乃至電力系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展的趁勢(shì)，供工程設(shè)計(jì)參考。 關(guān)鍵詞：變電站綜合自動(dòng)化 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN 監(jiān)控系統(tǒng) 1． 引言 電力系統(tǒng)是一個(gè)特殊的系統(tǒng)，其安全性、可靠性要求高，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)營(yíng)和管理的自動(dòng)化。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的日臻完善，以及電力系統(tǒng)減員增效要求的提出，實(shí)現(xiàn)電站綜合自動(dòng)化，從而達(dá)到無(wú)人值班，已成為電力系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展的趁勢(shì)。目前，采用符合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)方向的高性能微控制器，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)中低壓輸配電線(xiàn)路及主設(shè)備的綜合自動(dòng)化功能。而且能集保護(hù)、監(jiān)控 、調(diào)控、通信于一體，既可聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，也可獨(dú)立運(yùn)行，既可適合有人監(jiān)控中心，也可適合無(wú)人值班的要求。眾所皆知，變電站綜合自動(dòng)化關(guān)鍵在于大量的現(xiàn)場(chǎng)采集信息和數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心，也能將監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令準(zhǔn)確無(wú)誤地發(fā)送到控制單元，及時(shí)采取措施避免事故發(fā)生，這就需要變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)有可靠的通信保障。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化中的廣泛應(yīng)用，有效地解決了變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的通信問(wèn)題。 2． 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 2.1 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖所示： 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)一般由站控層、通信管理層和間隔層構(gòu)成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采用分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備分為站控層、通信管理層及間隔層，間隔層原則上按一次設(shè)備組織，每一間隔層設(shè)備包括測(cè)量、控制、保護(hù)、信號(hào)、通信、錄波等基本功能，并完成各自的特殊功能，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)信息共享及保護(hù)、監(jiān)控功能的綜合化，極大簡(jiǎn)化二次回路，節(jié)省系統(tǒng)投資，由于間隔層設(shè)備可放在開(kāi)關(guān)柜或一次設(shè)備附近，大為減少主控室面積，節(jié)約控制電纜，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。通信管理層由于各間隔層設(shè)備通信協(xié)議的多樣性，要實(shí)現(xiàn)不同裝置的數(shù)據(jù)鏈接，可加入前置機(jī)（通信管理裝置）完成通信控制和規(guī)約轉(zhuǎn)化，使其在功能上實(shí)現(xiàn)通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)化等功能；通信協(xié)議采用電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互聯(lián)，采用全球定位系統(tǒng)（GPS），支持硬件對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，減少GPS與設(shè)備間的連接，并保證對(duì)時(shí)精度，硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)以支持多種通信接口，包括以太網(wǎng)、串行通信接口、可擴(kuò)充的其他現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口等；軟件上具有規(guī)約庫(kù)以支持RS-232、RS-485、LONWORKS及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）等多種類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，從而具備良好的軟、硬件擴(kuò)展性。站控層包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、運(yùn)行工作站、維護(hù)工作站、監(jiān)視工作站等。 2.2 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能 以某110KV變電站為例，根據(jù)變電站高壓供電系統(tǒng)一次系統(tǒng)的整體要求，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)決定采用CL2000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，在此，結(jié)合工程實(shí)踐，介紹該系統(tǒng)用于變電站監(jiān)控系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)。 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)由WXH-322A/01微機(jī)線(xiàn)路保護(hù)裝置，WBH-90系列微機(jī)變壓器保護(hù)裝置，ZBH-91A/05變壓器本體保護(hù)裝置，WBH-92A/02微機(jī)變壓器后備保護(hù)裝置，WMC-31A03微機(jī)母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)裝置，WBH-93A/02微機(jī)廠用電保護(hù)裝置，WBT-31A/01微機(jī)備用電源自投裝置，微控制器SAB-C167CR（SIEMENS公司產(chǎn)），工作站微機(jī)及相應(yīng)設(shè)備組成。CL2000變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)系列保護(hù)裝置具有一般的主要功能，如開(kāi)關(guān)量的變位遙控，電壓電流的模擬輸入，斷路器遙控分口，脈沖累加，遙控事件記錄及順序記錄（SOE），邏輯閉鎖等。 WXH-322A/01微機(jī)線(xiàn)路保護(hù)裝置是多CPU并行設(shè)計(jì)，距離保護(hù)，零序保護(hù)及錄波，測(cè)距分別由單獨(dú)CPU完成，各CPU插件在電氣及結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，無(wú)依賴(lài)關(guān)系，它能實(shí)現(xiàn)以下功能： （1）保護(hù)功能：a) 三段式相間距離保護(hù)； b) 三段式接地距離保護(hù)； c) 四段式零序方向過(guò)流保護(hù)；d) 故障測(cè)距； e) 振蕩閉鎖； f) 三段式反向及低壓閉鎖過(guò)流保護(hù)； g) 檢無(wú)壓、檢同期三相一次重合閘，手動(dòng)同期合閘； h) 低周低壓減載保護(hù)； i) 過(guò)負(fù)荷保護(hù)或報(bào)警； j) PT斷線(xiàn)告警。 （2）測(cè)量功能：a) 采集測(cè)量電壓，三相或二相測(cè)量電流，計(jì)算有功功率，無(wú)功功率，功率因數(shù)； b) 測(cè)量頻率，每周波72點(diǎn)自適應(yīng)采樣； c) 采用12路開(kāi)關(guān)量； d) 采用4路脈沖量（正負(fù)脈沖 均可）； e) 遠(yuǎn)方及本地操作。 3． 由現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通信功能 通信功能是綜合自動(dòng)化出別于常規(guī)站最明顯的標(biāo)志之一，通信網(wǎng)絡(luò)變電站內(nèi)間隔信息可充分共享，并通過(guò)通信接口與外界信息系統(tǒng)交換信息，同時(shí)節(jié)省大量電纜，構(gòu)成一個(gè)快速、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求，也是電力系統(tǒng)運(yùn)行管理功能的基本前提。 近年來(lái)，隨著我國(guó)電力自動(dòng)化的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)通信方式也不斷改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)在總線(xiàn)技術(shù)因其組網(wǎng)方便，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)很多，電力自動(dòng)化系統(tǒng)中最常用的是LONWORKS和CAN總線(xiàn)。LONWORKS總線(xiàn)通信速率為78Kbps和1.25Mbps，CAN總線(xiàn)通信速率為1Mbps。CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是一種通信速率可達(dá)1Mbps的多主總線(xiàn)[1]。具有優(yōu)先搶占方式進(jìn)行總線(xiàn)仲裁的作用機(jī)理，通信速率高，錯(cuò)誤幀可自動(dòng)重發(fā)，永久故障可自動(dòng)隔離，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常工作，可靠性高，而且協(xié)議簡(jiǎn)單，開(kāi)放性強(qiáng)，組網(wǎng)靈活，成本低等特點(diǎn)，能為電力自動(dòng)化提供開(kāi)放性、全分布及可互操作性的通信平臺(tái)。 CAN總線(xiàn)的主要特點(diǎn)： （1）CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)，任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主次，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息； （2）CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)最多8個(gè)字節(jié)，這樣不僅滿(mǎn)足控制領(lǐng)域中傳遞控制命令，工作狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)的一般要求，且保證了通信的實(shí)時(shí)性，CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分為不同等級(jí)，可滿(mǎn)足不同實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)最多可在134μS內(nèi)得到傳輸； （3）CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線(xiàn)沖突時(shí)間。CAN的直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km/ 5Kbps，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m。可掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。CAN節(jié)點(diǎn)在自身發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)具有自動(dòng)關(guān)閉功能，以使總線(xiàn)上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。 本系統(tǒng)間隔層主要由保護(hù)單元和測(cè)控單元組成，每個(gè)測(cè)控單元監(jiān)控多路饋進(jìn)饋出，采用先進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN，現(xiàn)場(chǎng)通信采用雙絞線(xiàn)，總線(xiàn)速率達(dá)1 Mbps，快速、可靠、方便靈活，通信規(guī)約支持IEC-60870-5-101格式，克服RS485網(wǎng)絡(luò)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)而無(wú)法構(gòu)成多冗余系統(tǒng)的缺陷，具有很高的價(jià)格比。另外，采用雙CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)內(nèi)部定期對(duì)備用CAN進(jìn)行備用檢測(cè)，提高了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的冗余度。 站控層采用雙10 Mbps雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)（能保證變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性），由雙服務(wù)器組成，站控層為值班人員提供全廠系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理功能，界面友好，容易使用。通過(guò)組件技術(shù)，軟件功能能實(shí)現(xiàn)“即插即用”，能較好地滿(mǎn)足電氣監(jiān)控系統(tǒng)的需要，軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，開(kāi)放性較好。站控層操作系統(tǒng)可采用Windows2000/NT，數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQL服務(wù)器，軟件主要功能模塊有前置、數(shù)據(jù)庫(kù)生成器、數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、報(bào)表管理、報(bào)警信息、曲線(xiàn)、棒圖、動(dòng)作告警、SOE、事故追憶、錄波分析、人機(jī)界面、自動(dòng)抄表、設(shè)備管理、定值管理、設(shè)備在線(xiàn)診斷、系統(tǒng)組態(tài)等。電氣監(jiān)控系統(tǒng)中提供了故障信息傳輸系統(tǒng)、各級(jí)調(diào)度中心、電能計(jì)量系統(tǒng)、直流系統(tǒng)通信等接口驅(qū)動(dòng)軟件。 總之，系統(tǒng)完成的主要功能有：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與維護(hù)、控制操作、同步檢測(cè)、報(bào)警處理、順序記錄（SOE）、事故追憶、畫(huà)面生成及顯示、在線(xiàn)計(jì)算及制表、電能量處理、遠(yuǎn)動(dòng)功能、電氣“五防”、時(shí)鐘同步、人機(jī)接口、系統(tǒng)自診斷與自恢復(fù)、與其他智能設(shè)備接口、運(yùn)行管理功能等。 4．主要軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中，微處理器SAB-C167CR的數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)10 MHz，能完成所有測(cè)量、控制及通信等功能，其特點(diǎn)是任務(wù)較多，各任務(wù)之間協(xié)調(diào)較為復(fù)雜，為了便于個(gè)任務(wù)之間協(xié)調(diào)與功能擴(kuò)充，CPU軟件系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS來(lái)優(yōu)化和分配CPU時(shí)序和資源，保證程序的實(shí)時(shí)性和可靠性，以任務(wù)為對(duì)象進(jìn)行資源管理，任務(wù)調(diào)度和異常處理，通過(guò)RTOS管理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理的輕重緩急來(lái)合理分配占有CPU，優(yōu)化時(shí)序分時(shí)執(zhí)行，使之不閑置，不擁擠，每個(gè)處理過(guò)程又有多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)組成，采用優(yōu)先搶占操作方式有效保證任務(wù)執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，采用這一軟件結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是使程序?qū)崿F(xiàn)了真正的模塊化，各個(gè)任務(wù)單獨(dú)編程，不受其他任務(wù)的影響，任務(wù)的增減，調(diào)度非常方便。 軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：一部分是SAB-C167CR微處理器的軟件設(shè)計(jì)，包括與間隔層設(shè)備間CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及上位機(jī)UBS的數(shù)據(jù)通信（使用USB接口方便現(xiàn)場(chǎng)，即插即用，便于PC機(jī)的維護(hù)與升級(jí)，滿(mǎn)足變電站數(shù)據(jù)通信的需要）；另一部分為PC機(jī)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。這部分上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，若采用面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言編寫(xiě)程序，可使用ActiveX控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。對(duì)于微處理器和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，考慮到將來(lái)間隔層設(shè)備結(jié)構(gòu)的變化和硬件升級(jí)需要，程序設(shè)計(jì)分為兩層，底層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；上層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀上午打包、解包及協(xié)議的解釋。 5． 結(jié)論 隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展和電氣設(shè)備微機(jī)化程度的提高，為數(shù)字化形式實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)保證。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)具有開(kāi)放性，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互操性（互換性）。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用是變電站綜合自動(dòng)化發(fā)展的需要，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù) ，能解決變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信問(wèn)題，能保證數(shù)據(jù)通信的速度、質(zhì)量、抗干擾能力，從而保證了變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的有效實(shí)施。 參考文獻(xiàn) 1． 鄔寬明. 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