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摘要: 提出电力自动化系统一种简单的计算机集散控制方案,介绍系统原理及组成,并对软件实现进行论述。实际使用表明,该系统具有可靠性高、实时性强、价格低、易于实现等特点。
关键词: 集散控制;电力自动化系统;PCI接口
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0710140-01
0 引言
电力自动化系统是基于先进的计算机技术、网络通讯、自动化控制、微机继电保护技术,为用户提供现代化的设备监视控制管理和远程监测,确保电力系统稳定可靠供应的系统结构。目前计算机集散控制在电力自动化系统中的实现主要有两种方式:1)工控机+通信管理机+微机继电保护装置和电力智能仪表。2)工控机+PLC+继电保护装置和电力智能仪表。以上两种方法多了中间环节:通信管理机和PLC,使得整个系统通信实时性差、成本较高、可靠性降低。本文结合工程实践,介绍一种实时性强、价格低、易于实现的计算机集散控制在电力自动化系统中的应用方案。
1 系统组成
为了对整个系统的电力设备进行远程监控和管理,上位机采用抗干扰性能强的研祥810A工控机。上位机与下位机通信采用PCI串口卡连接。因电力系统设备大多采用RS-485或CAN总线进行通信,为了兼容多种电力设备,本设计采用一块MOXA CP-132 PCI串行接口卡和一块周立功PCI-98202I CAN串行接口卡。它们安装在工控机PCI插槽上。
2 软件总体设计
现场总线上位机软件系统的主要功能是发送控制及数据信息,接收现场设备传送来的采样数据,并对数据进行分析、显示、打印、存储、生成各类报表等处理。
它的体系结构分为操作系统平台和监测应用软件两个层次。其中,操作系统平台为监测应用软件提供其所需的运行环境及其与外设硬件进行信息交换的通道,监测应用软件的人机交互界面的设计,是以所需实现的功能为设计依据,主要包括监测系统主界面、站点参数设置界面、PCI总线界面、数据处理界面等界面的设计。限于篇幅,下面重点介绍PCI总线模块、数据采集模块及数据处理模块的设计。
2.1 PCI口模块的设计与实现
PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线,具体由一个桥接电路实现对这一层的管理,并实现上下之间的接口以协调数据的传送,它能在高频率下保持高性能,并支持多路复用技术。本系统中PCI总线设备为CP-132和PCI-9820I,设备的固件驱动程序已由厂商直接提供。访问PCI总线设备需要先给设备安装WDM驱动程序,WDM(Windows Driver Model)是微软提出的一种全新的分层化设备驱动程序模型,驱动程序对象和设备对象以堆栈的结构处理I/O请求。当用户态发一个I/O请求,I/O管理器将形成一个I/O请求包IRP。在内核态,IRP首先被送到最上层的驱动程序,然后逐渐过滤到下面,各层驱动程序对IRP的处理取决于设备以及IRP所携带的内容。此上位机的设计主要是通过调用CAN卡和串口卡的动态连接库(.DLL),利用自定义CAN应用层协议和MODBUS协议实现与CAN总线和RS-485总线应用系统的连接;通过服务器连接的函数接口,调用的动态连接库来实现与监控软件的连接。程序首先加载动态链接库,成功加载后打开PCI设备,然后就可以获得相应的I/O基地址,进行读写操作,最后获得RTU发送的数据。
2.2 数据采集模块的设计与实现
数据采集是周期性地从RTU采集数据,以查询方式采集数据,即RTU仅在接收到主站对其请求后,才把数据传送给主站。数据采集过程是一些专用及高度相关子过程的过程集。这些子过程为:1)对RTU内部数据库的查寻及快速修改;2)主站周期性地对RTU进行查询;3)把主站所需的RTU数据传送给主站;4)校核因传送所引起的数据错误;5)换算数据工程单位;6)通过写入来覆盖数据库中的原有状态或数值。
2.3 数据处理模块的设计与实现
数据处理模块的功能是对从数据库中读取的数据进行处理,分为信息显示模块、事件顺序记录模块、报表模块、故障录波模块和监控模块。信息显示是有选择地检索数据库中固定数据及实时数据,包含模拟量和数字量。通常将其显示在监控画面上,模拟量包含电流、电压、有功功率、无功功率、电度等,主要以工程值方式显示;数字量包含开关位置、刀闸位置等开关状态信息,以图形方式显示。事件顺序是获得和记录异常事件的发生过程,具有毫秒级事件间隔的时间分辨率。获取记录异常事件,其时间分辨率与中心主站对RTU进行查询的周期无关。当发生异常事件时,RTU主动向主站发送告警信号,因此RTU中的精确时间基值或时钟是事件顺序记录的基础。在大量分散的RTU中,时间基值的精确同步是事件顺序记录的关键,主站定时向各RTU发送广播校时命令,以达到与RTU时钟同步。各RTU将所发生的异常事件发送给主站,主站对这些异常事件一起按时间先后排列,随后打印在一张事件顺序记录表上。在监控及数据采集系统中,需要不断利用所采集的数据进行计算,其中包括工程量转换和在给定时间间隔内最大或最小值的计算,以及对时间的积分,以生成各类数据报表,供用户查阅或调用。当供电系统出现短路故障时,RTU会将出现故障发生前及故障发生后的连续电流信号数据采集,并上传至主站。主站收到后,存储在数据库中,用户需要分析时,通过内嵌的故障录波分析软件模块,从数据库中调取数据,以波形的形式显示出来。监控是指能操縱远距离设备的运行。这个过程包括发电厂或变电站的选择、被控设备的选择以及执行开关的断开或闭合。因此需采用选择确认选择操作的顺序(简称为操作前校核)。必须避免未被选中设备的操作或未发命令就进行错误操作的情况发生,这是监控及数据采集系统中一个重要的设计环节。
3 结束语
本系统已在多个变电站运行,工况稳定可靠,很好的满足了电力系统可靠性、快速性的要求。该系统投资成本低,建设周期短,非常适合中小型变电站电力系统自动化建设使用。所连接的站点数量跟PCI串口卡有关,以上实际应用的串口卡每串口最多支持32个站点,若实际使用中遇到站点数超出本卡所支持的最大数量,可以购买串口数量更多的PCI串口卡,或增加串口卡数量,一般工控机都有4至8个PCI插槽。
参考文献:
[1]朱松林,变电站计算机监控系统及其应用[M].北京:中国电力出版社,2008.
[2]李贵山、陈金鹏,PCI局部总线及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
[3]梅鲁海,电力系统监控网络的智能化结构设计[J].电力系统及其自动化学报,2010,22(2):37-40.
作者简介:
李进华(1989-),男,广东化州人,本科,助理工程师,东莞职业技术学院。
关键词: 集散控制;电力自动化系统;PCI接口
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0710140-01
0 引言
电力自动化系统是基于先进的计算机技术、网络通讯、自动化控制、微机继电保护技术,为用户提供现代化的设备监视控制管理和远程监测,确保电力系统稳定可靠供应的系统结构。目前计算机集散控制在电力自动化系统中的实现主要有两种方式:1)工控机+通信管理机+微机继电保护装置和电力智能仪表。2)工控机+PLC+继电保护装置和电力智能仪表。以上两种方法多了中间环节:通信管理机和PLC,使得整个系统通信实时性差、成本较高、可靠性降低。本文结合工程实践,介绍一种实时性强、价格低、易于实现的计算机集散控制在电力自动化系统中的应用方案。
1 系统组成
为了对整个系统的电力设备进行远程监控和管理,上位机采用抗干扰性能强的研祥810A工控机。上位机与下位机通信采用PCI串口卡连接。因电力系统设备大多采用RS-485或CAN总线进行通信,为了兼容多种电力设备,本设计采用一块MOXA CP-132 PCI串行接口卡和一块周立功PCI-98202I CAN串行接口卡。它们安装在工控机PCI插槽上。
2 软件总体设计
现场总线上位机软件系统的主要功能是发送控制及数据信息,接收现场设备传送来的采样数据,并对数据进行分析、显示、打印、存储、生成各类报表等处理。
它的体系结构分为操作系统平台和监测应用软件两个层次。其中,操作系统平台为监测应用软件提供其所需的运行环境及其与外设硬件进行信息交换的通道,监测应用软件的人机交互界面的设计,是以所需实现的功能为设计依据,主要包括监测系统主界面、站点参数设置界面、PCI总线界面、数据处理界面等界面的设计。限于篇幅,下面重点介绍PCI总线模块、数据采集模块及数据处理模块的设计。
2.1 PCI口模块的设计与实现
PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线,具体由一个桥接电路实现对这一层的管理,并实现上下之间的接口以协调数据的传送,它能在高频率下保持高性能,并支持多路复用技术。本系统中PCI总线设备为CP-132和PCI-9820I,设备的固件驱动程序已由厂商直接提供。访问PCI总线设备需要先给设备安装WDM驱动程序,WDM(Windows Driver Model)是微软提出的一种全新的分层化设备驱动程序模型,驱动程序对象和设备对象以堆栈的结构处理I/O请求。当用户态发一个I/O请求,I/O管理器将形成一个I/O请求包IRP。在内核态,IRP首先被送到最上层的驱动程序,然后逐渐过滤到下面,各层驱动程序对IRP的处理取决于设备以及IRP所携带的内容。此上位机的设计主要是通过调用CAN卡和串口卡的动态连接库(.DLL),利用自定义CAN应用层协议和MODBUS协议实现与CAN总线和RS-485总线应用系统的连接;通过服务器连接的函数接口,调用的动态连接库来实现与监控软件的连接。程序首先加载动态链接库,成功加载后打开PCI设备,然后就可以获得相应的I/O基地址,进行读写操作,最后获得RTU发送的数据。
2.2 数据采集模块的设计与实现
数据采集是周期性地从RTU采集数据,以查询方式采集数据,即RTU仅在接收到主站对其请求后,才把数据传送给主站。数据采集过程是一些专用及高度相关子过程的过程集。这些子过程为:1)对RTU内部数据库的查寻及快速修改;2)主站周期性地对RTU进行查询;3)把主站所需的RTU数据传送给主站;4)校核因传送所引起的数据错误;5)换算数据工程单位;6)通过写入来覆盖数据库中的原有状态或数值。
2.3 数据处理模块的设计与实现
数据处理模块的功能是对从数据库中读取的数据进行处理,分为信息显示模块、事件顺序记录模块、报表模块、故障录波模块和监控模块。信息显示是有选择地检索数据库中固定数据及实时数据,包含模拟量和数字量。通常将其显示在监控画面上,模拟量包含电流、电压、有功功率、无功功率、电度等,主要以工程值方式显示;数字量包含开关位置、刀闸位置等开关状态信息,以图形方式显示。事件顺序是获得和记录异常事件的发生过程,具有毫秒级事件间隔的时间分辨率。获取记录异常事件,其时间分辨率与中心主站对RTU进行查询的周期无关。当发生异常事件时,RTU主动向主站发送告警信号,因此RTU中的精确时间基值或时钟是事件顺序记录的基础。在大量分散的RTU中,时间基值的精确同步是事件顺序记录的关键,主站定时向各RTU发送广播校时命令,以达到与RTU时钟同步。各RTU将所发生的异常事件发送给主站,主站对这些异常事件一起按时间先后排列,随后打印在一张事件顺序记录表上。在监控及数据采集系统中,需要不断利用所采集的数据进行计算,其中包括工程量转换和在给定时间间隔内最大或最小值的计算,以及对时间的积分,以生成各类数据报表,供用户查阅或调用。当供电系统出现短路故障时,RTU会将出现故障发生前及故障发生后的连续电流信号数据采集,并上传至主站。主站收到后,存储在数据库中,用户需要分析时,通过内嵌的故障录波分析软件模块,从数据库中调取数据,以波形的形式显示出来。监控是指能操縱远距离设备的运行。这个过程包括发电厂或变电站的选择、被控设备的选择以及执行开关的断开或闭合。因此需采用选择确认选择操作的顺序(简称为操作前校核)。必须避免未被选中设备的操作或未发命令就进行错误操作的情况发生,这是监控及数据采集系统中一个重要的设计环节。
3 结束语
本系统已在多个变电站运行,工况稳定可靠,很好的满足了电力系统可靠性、快速性的要求。该系统投资成本低,建设周期短,非常适合中小型变电站电力系统自动化建设使用。所连接的站点数量跟PCI串口卡有关,以上实际应用的串口卡每串口最多支持32个站点,若实际使用中遇到站点数超出本卡所支持的最大数量,可以购买串口数量更多的PCI串口卡,或增加串口卡数量,一般工控机都有4至8个PCI插槽。
参考文献:
[1]朱松林,变电站计算机监控系统及其应用[M].北京:中国电力出版社,2008.
[2]李贵山、陈金鹏,PCI局部总线及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
[3]梅鲁海,电力系统监控网络的智能化结构设计[J].电力系统及其自动化学报,2010,22(2):37-40.
作者简介:
李进华(1989-),男,广东化州人,本科,助理工程师,东莞职业技术学院。