变电站二次设备网络打印技术研究

周进, 刘伟， 侯先栋

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引 言

在变电站调试和运行过程中，打印功能不可或缺[1]。在调试阶段，站内通信系统未完全就绪的情况下，需要打印实验报告或者波形；在投运阶段，需要打印定值单进行定值核对；在运行阶段，当有故障发生时，需要打印出故障波形进行事故分析。

目前变电站内二次设备所配置的打印机大多为针式打印机，打印速度比较慢，并且每个屏柜至少需要配置一台打印机，整个变电站内配置的打印机数量较多，所需总价较高[2]。

本文针对变电站二次设备传统串口打印方式速度慢、造价高的缺点，结合应用需求，提出了一种基于以太网打印协议(Internet Printing Protocol，以下简称IPP协议)的网络打印方法[3]，通过使用标准打印协议实现变电站内网络打印技术的标准化。

1 现状分析

目前变电站内二次设备打印基本采用串口打印的方式。其中最常见的是屏柜内配置针式打印机，二次设备通过串口将需要打印的数据按照指定格式发送至本屏柜针式打印机，针式打印机对数据进行解析后逐行进行打印。在数字化变电站中，由于装置及屏柜的集成化程度比较高，一般不在屏柜内配置针式打印机。部分数字化变电站会配置一台移动打印小车，当某个装置需要打印信息时，将移动打印小车中的针式打印机连接到装置进行打印[4]。对于串口打印方式，优点是能正确展示装置内部的原始信息，接口较简单，应用广泛。缺点是：(1)每个屏柜或者每台装置都需要配置一台针式打印机，以500 kV的变电站为例，至少需要数十台针式打印机，整体造价较高，而且每个屏柜都要预留一定位置放置针式打印机，不符合当前变电站智能化、集成化的趋势；(2)针式打印机由于串口通信速率限制以及自身逐行打印特性，打印速度较慢，当装置需要输出大量密集数据内容尤其是图形信息时，通常需要较长时间才能完成全部打印任务。(3)二次设备厂家所用的打印机型号以及接口并不完全一致，不利于变电站内打印机设备的统一管理。

随着IEC61850技术以及数字化技术的发展，以太网技术已经广泛应用于变电站的各个场景[5]。目前大多数数字化变电站并不配置间隔层针式打印机，站控层监控后台通过站内的IEC61850通信规约获取需要打印的信息，将信息整理后在监控后台所连接的打印机上打印(以下简称后台打印)。后台打印的优点有：(1)不需要配置间隔层打印机，节省开销；(2) 监控后台可对从装置处获得的信息进行进一步整理，方便展示出更加丰富的内容，比如与变电站高级应用的智能告警、故障简报相结合。然而这种打印方式的缺点也是显而易见：(1)过多的依赖于通信协议，如果出现通信中断情况则打印功能也就无法使用。(2)监控后台可能需要考虑兼容各厂家的装置，并能够保证能从各厂家装置里获取足够需要的信息，由于智能站普遍采用IEC61850通讯规约，所以具体还取决于监控后台软件与各厂家装置的互通能力[6]。综上所述，这种做法可以作为通信规约的扩展或者高级应用，但并不能完全取代变电站内二次设备的打印操作。

2 方案介绍及应用

2.1 方案介绍

为了解决串口打印的打印速度慢、造价高的问题，本方案采用网络打印机替代针式打印机。网络打印机的使用可以大幅度的减少变电站内的打印机数量，降低变电站建设及维护费用；二次设备通过以太网与网络打印机相连，数据传输速度较快；并且网络打印机采用整页打印方式，打印一页数据所需要的时间也优于针式打印机。

由于各品牌网络打印机驱动程序并不完全相同，而变电站二次设备大多采用VxWorks、Linux等嵌入式系统[7]，如果需要针对每个品牌的每个型号打印机开发适用于本嵌入式系统的驱动程序，实现起来较为复杂。变电站打印需求相对较简单，仅需要打印出定值、报告、故障波形等内容，并不需要双面打印等高级打印功能，所以可以考虑采用一种较为通用的网络打印协议来实现打印操作，避免不同二次设备平台、不同打印机品牌对于打印效果的影响[8]。

为了解决打印机驱动的问题，本方案采用了IPP协议来实现网络打印功能。IPP协议是在以太网上打印的标准网络协议，它允许用户可以通过以太网进行打印及管理打印工作等工作。用户可以通过相关界面来控制打印所使用的纸张种类、分辨率等各种参数。它提高了远程打印的高效性和实用性, 并且提供远程管理打印机的能力。如今主流打印机厂家都已经支持通过IPP协议进行网络打印数据[9]。

IPP协议采用超文本传输协议(HTTP)作为传输协议，所有的IPP请求都通过HTTP请求发送给服务器，在接收HTTP请求后，IPP请求和要被打印的文档被发送给服务器，而后者以IPP相应消息进行回应。典型的IPP会话如图1所示。

图1 典型IPP会话过程

图2 网络打印流程

根据上述典型IPP会话过程，变电站二次设备的网络打印流程如图2所示,当二次设备接收到打印命令时，首先通过IPP协议获取打印机的当前工作状态，如果打印机处于空闲状态，则收集并整理需要输出的数据内容，将数据内容转换为文件后通过IPP协议发送至打印机进行打印；若打印机处于忙或者缺纸、故障等状态而无法接收数据，二次设备会在内存中形成一个等待队列，并根据人机操作或既定策略决定即时终止打印任务或延时后再次执行打印操作。

二次设备也可以定时通过IPP协议查询打印机的工作状态，将打印机状态变化通过站内通讯规约上送至站控层监控后台，便于变电站运行人员实时掌控站内网络打印机的运行状态。

2.2 应用介绍

图3 装置与后台共网

图4 装置通过规约转换装置接入站控层网络

网络打印机的具体放置位置由站内通信拓扑决定，如果二次设备与变电站站控层后台共网，则网络打印机可以放在站控层网络任意位置供全站二次设备使用，具体拓扑如图3所示[10]；如果二次设备通过规约转换装置或者通讯管理机接入站控层网络，则需要将网络打印机和二次设备共网放置，具体拓扑如图4所示。

对于现有已投运变电站需要改造以支持网络打印或者是增加一台支持网络打印的装置的情况，只需要单独升级或者加入该装置，不需要站控层通信网络、站控层后台或者站内其它装置的配合，也不会影响到变电站已投运设备的正常运行。

2.3 对比分析

以南京南瑞继保电气有限公司的PCS-978高压保护装置为例，针式打印机选用变电站内广泛使用的爱普生LQ300+,网络打印机选用惠普 M706n激光网络打印机，在PCS-978装置中通过通信参数选择串口打印模式或者网络打印模式。

在打印介质、通信可靠性、打印波形时间以及打印内容及格式等方面将串口打印、网络打印以及后台打印进行对比，结果见表1。

表1 网络打印、串口打印、后台打印对比结果

由对比结果可知，网络打印的打印内容及格式可以保持和串口打印相一致，打印速度相比串口打印方式有了较大的提高，可靠性并没有明显变化。而后台打印需要额外依赖于变电站内通讯规约的建立，可靠性不如串口打印以及网络打印高。

3 结束语

随着以太网技术的发展，网络打印技术已经越来越普及，本文提出的变电站二次设备网络打印方案在保持打印输出内容及格式不变的前提下有着打印速度快、节省变电站建设费用等优点。该方案不依赖于变电站内通信规约，并且可以灵活适应变电站内各种网络拓扑，对于替代变电站内原有串口打印方案以及统一变电站内网络打印接口有着较大的参考意义。

[1] 张向群, 魏勇, 张乔宾, 等. 智能变电站集中式网络打印的研究与应用[J]. 计算机工程, 2012,38(13): 234-236.

[2] 张清枝, 魏勇, 赵成功. 变电站网络化二次系统关键技术研究及应用[J]. 电力系统保护与控制, 2009,37(8):47-52.

[3] HASTINGS T, MANROS C. Internet Printing Protocol/1.0: Implementer’s Guide[R]. 1999.

[4] 李孟超, 王允平, 李献伟, 等. 智能变电站及技术特点分析[J]. 电力系统保护与控制, 2010,38(18):59-62.

[5] 李宝伟, 倪传坤, 李宝潭, 等. 新一代智能变电站继电保护故障可视化分析方案[J]. 电力系统自动化,2014,38(5):73-77.

[6] 贺春, 张冉. IEC 61850 国际互操作试验经验总结[J]. 电力系统自动化, 2012,36(2):6-10.

[7] 徐骞. 基于 VxWorks 系统的 USB 打印机驱动设计与实现[J]. 测控技术, 2015,34(10):119-121.

[8f] 梁亚雄, 魏维, 韩天明. 打印监控中的关键技术研究[J]. 计算机应用与软件, 2012,29(10):314-317.

[9] 万波, 王义峰, 刘刚, 等. 一种基于 CUPS 的打印控制和管理方法[J]. 计算机科学与应用,2015,5(9):313.

[10] 倪益民, 杨宇, 樊陈, 等. 智能变电站二次设备集成方案讨论[J]. 电力系统自动化,2014,38(3):194-199.