基于工业以太网的超高压变电站监控系统的设计和应用

马洪蕊

（防灾科技学院，三河 065201）

0 引言

随着微电子技术、计算机软硬件技术的发展，近年来超高压变电站监控系统在以下三个方面都有不同程度的进展：

1）系统体系结构：由传统的单一的集中模式向相对分散式、分层分布分散式多种体系结构模式转变，由传统的面向单个测量、控制对象向面向电网元件（如进线、出线、变压器、母线、电容器等）转变，由各功能单独考虑向系统功能综合考虑转变。

2）总线结构：无论是模块级、间隔级还是站级，均由专用、低速向通用、标准化、高速转变，原来采用的位总线、LonWorks、CAN、FF等现场总线统一向以太网转变。

3）信息共享度：保护监控功能以及数据共享从逻辑上的结合越来越紧密，物理上的结合也将随着光电传感技术的不断发展和完善而更加紧密[1～3]。

本文根据SPA(西门子输配电自动化)电力系统自动化产品的特点和客户的需要，设计出了基于工业以太网的、适合我国国情的超高压变电站自动化监控系统。

1 系统结构

整个系统由网络系统、间隔层、站控层三部分构成，系统参考配置拓扑结构如图1所示。

本系统在每个区域，如一个测控柜，或者一个继保小室配置一台Hirschman工业以太网交换机，将这些交换机采用光纤首尾相连，组成环形工业以太网，构成整个网络的骨干部分。

图1 系统结构

站控层是我们掌控整个系统的直接窗口，由操作员站、站控通信单元、网关通信工作站、对时装置和工程师站组成，这些单元的设备都采用以太网接口接入站控层工业以太网交换机，通过以太网完成同相应单元的数据交换。

间隔层以电网单元（如一条线路或一台主变）作为可控对象，采用SPA的AM1703系列产品作为间隔层的测控装置，完成对电网单元的状态采集和实际操作控制。同时，间隔层的每个测控单元配备了工业级的100M以太网卡，以太网卡接入相应区域的交换机，从而完成测控单元同系统其他部分的数据交换。

2 网络系统

网络是整个系统信息传输的公路，网络的好坏对系统信息传输的影响就如同道路对人的影响一样重要。

工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物，其源于后者，但不同于后者[4]。工业以太网技术必须面对在工业环境下作为控制网络要解决的一系列问题，其中以下两个问题是最为重要的：

1）通信实时性问题

以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其实质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切实可行的解决方案。

2）对环境适应性与可靠性问题

以太网是按办公环境设计的，将它应用于工业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等是许多从事自动化的专业人士所特别关心的。在产品设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要求，例如采用DIN导轨安装等[4]。

对于通信实时性问题，本文采用了如下方案解决：

1）本文采用的网络设备均为百兆以太网设备，保证数据在网络上传输的快速性；

2）监控系统采用了冗余环形光纤工业以太网，使得网上每一个节点都能与任一其它节点直接通信，从根本上消除了主从方式中的瓶颈现象，保证信息的实时性，提高了通信效率；

3）在网络的应用层面，采用IEC60870-5-104通信规约进行数据的传输。该规约是国际电工委员会第57技术委员会为适应以电力系统（包括EMS、SCADA和配电自动化系统）自动化发展的需要而提出来的。本文系统内的通信采用变位传输模式，即只有状态发生变化的遥信量或变化超过阈值的遥测量才上送，这样，保证了对系统网络带宽要求尽量小、系统数据刷新尽量快。

对环境适应性与可靠性问题，本文采用了如下方案解决：

1）我们采用的Hirschman工业级以太网交换机，其有针对性的设计以及多年的实际应用经验，有效的保证了在工业现场环境应用的可靠性；

2）单元化、模块化以及多种安装方式的工业以太网交换机也使得系统的扩展变得简单易行；

3）采用Hirschman工业级以太网交换机组成的光纤冗余环连接，小于20ms的自愈时间也使得系统的可靠性和实时性有了极大的保证；

通过上述设计，有效的解决了以太网在控制网络中应用存在的问题，在我们的实际应用中表明，在极端情况下，网络负荷小于20%，完全可以满足变电站监控系统数据传输的实时性要求，并且有着优异的环境适应能力。

3 间隔层

间隔层需要完成对整个电站设备的开关量、状态量、模拟量采集以及设备的控制，在整个变电站自动化控制系统中起着至关重要的作用。

本系统间隔层测控单元分散分布在位于现场设备附近的继电保护小室中。由于测控单元处在有很强电磁干扰的环境中，为此，间隔层采用SPA AM1703系列装置。AM1703所有模块/软件均根据电力系统特点专门设计，并且经过大量工程项目的验证，具有很好的适应性和非常高的可靠性。

AM1703装置由机架、电源模块、CP1001 CPU模块和根据需要配置的I/O模块以及一个现地操作面板组成。整个测控单元的模块具有以下特点：

1）测控单元通过以太网卡接入模块化的工业以太网交换机中；

2）单元所有I/O模块均为智能I/O，采集量的越限监视、平滑、防抖、滤波等均由I/O板直接完成，不占用主CPU的处理时间。系统数据采集、处理与传输充分满足扩展需要，当DI/AI/PT100信号数量不断增加时，DI点的时标精度、AI/PT100信号点的处理、传送周期，都不应受到影响，使系统性能显著提高；

3）为简化交流电量测量系统（如线路电流、电压、频率、有功、无功）的测量，提高系统稳定可靠性，广泛采用交流电量采样板AI1304，AI1304专门针对电力系统的特点量身定做，具有三相电流、三相电压以及一相同期电压输入。AI1304不但可以完成交流电量采样工作，通过参数设置，可以方便的判断出是否满足同期条件，大大简化了系统配置；

4）独立的现地显示操作面板，方便实用；

5）所有模块采用金属外壳封装，纯光纤总线，具有极强的抗干扰能力；

6）单元具有自诊断功能，可以实时的将该单元的各模块的状态信息上送到操作员站。

在测控单元中，上述硬件有效保证了测控单元数据采集和传输的准确和及时，这为正确可靠的完成对开关、刀闸等设备的控制操作提供了重要的前提条件。每个测控单元具有独立的CPU，根据采集的相应信息，独立完成本单元的设备逻辑闭锁、开关、刀闸操作等控制流程。

4 站控层

正如前文所述，站控层由操作员工作站、站控通信单元、网关通信工作站、对时装置和工程师站组成，是我们掌控整个系统的直接窗口，其稳定、安全、可靠并具有良好的实时性至关重要，为此本文做了如下设计保证整个站控系统的系统性能。

4.1 操作员工作站

操作员工作站是整个站控层的核心部分，该部分硬件采用了两台HP高端工作站作为操作员站主机，操作系统采用Windows 2003 Server，两台操作员站工作站采用SPA SCALA 6.x后台应用软件，保证了系统平台的稳定可靠。操作员站系统具有以下特点：

1）SCALA 6.x由服务器端和客户端组成，分别独立运行。服务器端和客户端既可以分别运行在不同主机上，也可以采用紧凑型结构，集成到同一台主机上运行。本文采用了紧凑型结构。

2）两台操作员站均安装了SCALA 6.x服务器端，两套服务器互为冗余热备，两套服务器通过网络实时同步，当其中一台出现故障时，可实现无缝切换，有效的保证了系统的稳定运行。

3）SCALA 6.x系统具有独立的实时数据库，事件分辨率小于1ms，具有良好的实时性。

4）客户端是整个监控系统的人机接口，本文中的两台操作员工作站均安装了SCALA 6.x客户端，并根据变电站监控系统的特点和客户的要求，设计出了功能强大、性能稳定、响应迅速、友好的人机界面。通过该客户端，操作员可以实时监视现地设备的运行状态，完成对设备运行状态的分析、诊断，并根据实际情况发出相应命令，完成对现地设备的操作控制。

4.2 站控通信单元和网关通信工作站

对超高压变电站监控系统而言，不但需要同现地测控单元进行通信，也需要同其他单元，如电网调度系统、继电保护系统、直流供电系统等进行数据通信，以便操作人员及时准确的监视到全站各个系统的信息。由于不同系统采用的通信规约各异，对于电力监控系统集成者来说同第三方系统的数据通信是一个难点。

SPA AK1703系列产品具有强大的通信扩展功能，每个装置可扩展多个CPU，每个CPU上可以扩展4个串口或者两个以太网口，并且可以提供多达200余种的最常用的通信规约。因此，本文采用AK1703做为站控通信单元，对内，配置以太网卡，接入站控层工业以太网交换机，采用标准IEC60870-5-104同操作员站和测控单元进行通信；对外，根据系统的需要配备相应数量的接口和对应的固件，并进行相应的参数化配置即可完成同第三方系统的互联互通，极大的方便了整个系统的集成。

对AK1703不支持的通信规约，本文根据实际需要，配置了一台网关通信工作站，通过SPA提供的开放的网关开发包接口函数，可以方便的开发出相应的网关程序，对内同样采用IEC60870-5-104同操作员站和测控单元进行通信，对外通过网关程序完成第三方通信规约到IEC60870-5-104规约的转换，实现系统间的数据通信。

4.3 对时装置

在电力系统中，对时精度对事件记录、故障分析等起着重要作用，为此我们的系统选用了时钟精度1µs的MEINBERG公司的对时装置，该装置由天线、对时服务器组成，其具有以下特点：

1）本文对时服务器具备NTP网络对时功能，对SPA产品系列的监控设备采用这种对时方式；

2）系统GPS能完成针对来自其他供货商的子系统的对时，支持国际流行的多种对时方案，包括IRIG-A，IRIG-B，串行通信，秒脉冲，分钟脉冲，可以根据相应设备的需要配置响应的对时接口；

3）在整个测控系统中，对时精度小于1ms。

4.4 工程师站

工程师站肩负着对监控系统的开发维护功能，在其上面安装了操作员站和测控单元的开发和维护软件。

通过工程师站上安装的SAT TOOLBOX II OPM软件，采用面向对象的方法，可以方便的建立系统中各单元的上、下位机数据库，对相同或相似的间隔我们只需简单的复制、拷贝即可完成对这些间隔的软件的编制，大大节省了开发周期，同时也方便了系统单元的扩展。

SCALA 6.x人机界面开发工具同样采用面向对象的开发方法，系统自带的针对电力系统设计的设备对象使得开发人员象搭积木一样轻松完成界面的构建。

5 结论

本系统采用开放的工业以太网结构，分层分布分散式的系统结构，对象化、模块化的系统设计，为今后的维护和单元的扩展带来了极大的方便。针对电力系统设计的测控单元和冗余热备的SCADA服务器、人性化的人机界面和灵活的通信接口，保证了整个系统的优异性能。系统采用面向对象的开发工具简单易学，大大缩短了开发周期。强大的诊断工具和在线测试软件方便了用户对系统的维护。该系统在全国数十个超高压变电站的实际运行表明，其具有很高的可靠性、稳定性以及良好的实时性，取得了很好的运行效果和经济效益。

[1] 鲁国刚. 变电站自动化技术的发展综述[J]. PLC&FA.2004(12).

[2] 刘清瑞. 再论超高压变电站自动化系统的发展策略[J].电力自动化设备. 2002(12).

[3] 金午桥. 变电站自动化系统的发展策略[J]. 电力系统自动化. 1999(23).

[4] 阳宪惠. 工业数据通信与控制网络[M]. 清华大学出版社.[5] 谭文恕. 有关变电站自动化系统国际标准的动态[J]. 电气自动化时代. 2003(6).