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微机并行通信网络在电力系统监控中的应用

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摘要:论述了微机并行通信网络的结构、特点,以及采用它构成的电力系统基本监控单元,并介绍了其在变电站及水电厂中的应用形式。这一通信网络的应用,可大大简化二次系统结构,不仅通信速度快,工作方式灵活,而且综合功能强。
关键词:电力系统 并行通信 网络 监控
分类号:TM 73

Study of Application of PC-Based Parallel CommuNIcation Network in Monitoring Power System

Zhang Hui,Liu Zhengqing,Gao Wenbo
(Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering,Wuhan 430072,China)

Abstract The structure and feature of PC-Based parallel communication network are introduced briefly,the basic monitor units adopting that principle are discussed,and their applications in power substation and hydraulic power plant are given.
Keywords electric power system; parallel communication; network; monitor

0 前言
  目前电力系统中广泛采用串行通信网络连接的多微机系统,构成保护、监控系统。随着电力系统及其基本单元(发电厂、变电所等)的容量日益增大及组成日趋复杂,对其保护监控的要求逐渐提高。但由于串行网络机组间是按位传送信息,其通信协议依靠软件实现,随着通信对象增多,网络的传输效率e将降低(e<0.4)[6]。 由于存在着通信瓶颈,往往采用多个不同功能的串行系统,以满足提高监控能力的要求。电力系统中事件的发生具有“同时性”,其对实时性的要求常常为串行系统力所不及。为提高计算机网络的综合功能,可采用提高机组间信息交换速度的方法,将“按位串行传递”改为“按位并行”,这种按“字节串行”传送的方式即所谓“并行网络”。例如,同一时钟下传送一个字节(8位)或多个字节(16位、32位等),依时钟次序串行传送字节。十分明显,并行传递字位越多,交换信息速度越快,网络功能越强。
1 基本监控单元结构及工作方式
  并行网络系统结构见图1。

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图1 系统结构

  该系统为主从式,设一个主机、工作站及许多分机(PC)。主机管理网络、协调各PC机工作,各分机担负专门任务。分机通过并行接口卡与网络连接,只要适当改变接口卡,不同总线形式的微机均可联网,因而实用机型广。控制各接口卡的工作方式,就可控制信息的流向,这样各机可以独自同时工作,又可以通过总线交换信息。
  并行总线主要分为双向数据线、信号线和控制线。双向数据线分时复用传送网络地址及数据,有8位、16位、32位等。控制线控制各微机信息流通时刻及流向,信号线指明双向数据总线上传递的是数据还是地址,以及各接口处于发送、接收或停机等工作状态。
  并行通信网络具有如下特点:
  (1)数据存取采用中断查询方式,速率高。
  (2)网络使用权由主机控制,它根据需要任命任一PC为数据发送者或其他任何PC机为接收者,每次数据传送分三个阶段:①任命发送者、接收者,建立发送线路阶段;②通信阶段,发送者发送数据,接收者接收数据;③撤除阶段,把总线使用权交还给主机。保证正确发送与接收。
  (3)总线安排了互锁线,保证任一接收者未准备好,不发送信息;任一接收者未接收完数据,数据不撤除,信息传送可靠。
  (4)信息传送同步方式可靠、简便,不存在字同步、字节同步等问题,都由硬件完成。
  (5)数据与地址线分时复用,网络寻址由指令完成,寻址迅速。
  (6)差错控制简便。数据链路层不设差错检测,为保证可靠性,可在通信协议的高层,设差错控制。如在发送方数据块的最后一个字节发送数据累加和作为检验码,接收方作同样运算,与发送方数据相比较来判别是否重发。
  目前,我们研究的8位并行通信网,最高传送速率可达1 Mbps。
  由上述可知,并行网络比串行网具有通信速度快,传送数据可靠,通信方式灵活,扩址方便等优点,缺点是结构复杂。PC机间网络距离近,可采用高速电缆连接。若距离较远,可采用光纤通过光电互连技术,构成远程并行网络。
2 电力系统基本生产单元的二次系统基本内容
  (1) 自控、调度的基本要求是收集全网的各种参数,对电力系统直接控制,或为运行人员提供决策依据,达到期望的最优运行状态,以减少设备事故及事故影响范围。基本内容包括:
  系统调度自动化通常包括数据采集和实时监控功能的SCADA系统,及安全分析、调度管理和计划协调的综合系统——能源管理系统EMS;
  火电厂自动化主要包括安全监控、正常调节、机组起停、事故处理等;
  水电厂自动化主要包括全厂安全监控,自动发电控制及水利枢纽经济调度及自动控制等;
  配电网自动控制主要功能是对配电网进行监控。
  (2) 电力系统继电保护主要包括电力线路、发电机、变压器母线、电容器及电动机等基本元件的保护。要求具有速动性、选择性、灵敏性和可靠性,基本方法是监测其正常运行参数及事故状态参数特征,以进行保护。
  (3) 此外,电力系统中还采用音响、图像的工业电视形成多媒体监控系统、实时仿真培训系统、生产管理系统等。
   综上所述,二次系统中的多种功能监控系统均需要一个“数据采集”功能的基本单元。如果采用并行计算机网络,将其采集的实时数据,同时分别送到不同功能的上位机,进行不同处理,即可完成不同的功能。
3 变电站监控单元
  对于大型变电站,地位重要,保护控制装置较多,且向无人及少人值守方向发展,所以计算机监控系统功能趋向综合化发展。假设变电站的占地面积大、设备分散,可采用分散式结构,且分散组屏以节约电缆(如图2)。若变电站设备较集中,如图3所示,

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图2 分布分散式自动化系统结构图

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图3 分布式结构集中式组屏的变电站自动化系统可采用集中式组屏方式。

  其基本功能如下:
  (1)监控系统功能有数据采集及处理、控制操作、在线自诊断;与保护装置通信、数据显示、正常及事故打印。
  (2)保护功能包括变压器、母线、电容器等元件保护,及事件记录、故障录波、谐波分析。小电流接地系统接地自动选线。
  (3)电压及无功综合控制与调度中心之间通信,实时仿真培训,对开关室、变压器等重要部位的工业电视信号构成多媒体监控系统等。
  对于规模较小的变电站,可用最小的并行网络系统,由主机一台、采集前置机一台或两台构成。主机管理全站运行,兼有全厂监控、保护、通信调度、显示打印等多种功能。
4 大型水电厂综合监控系统
  水电厂生产过程比变电站复杂,被监控对象除变压器、油开关、输电线外,还有发电厂、水轮机、阀门等,监测各种电量及非电量参数,监控点数多,工作状态复杂。大型水轮发电机组可按台设电量监控采集、继电保护采集、非电量采集前置机;大型水电站可按功能设置PC机,如设全厂监控主机、工作站,执行自动发电及经济运行、继电保护、事件记录、故障录波、事故分析、水库调度的PC,连接工业电视系统的图象、声响监控PC机,实时仿真培训PC机等。其连接方式与变电站相仿。
  由于大型水电厂控制室与升压站(或开关站)相距较远,因而在开关站设监控PC机。它与主系统之间可通过光缆,用光电并行网络连接,其结构如图4所示。信号交换原理如下:厂房并行总线逻辑信号,经厂房端光电、电光转换控制器后,转为光信号,经光缆传至开关站端光电、电光转换控制器转换为电逻辑信号,经总线送至变电站监控PC机。反之亦然。

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图4 光电并行网络示意图

5 结论
  并行通信网络比串行网络速度快、可靠性高,应用于电力系统中,可增加其实时性。尽管并行网络目前比串行网络结构复杂,安装不便,价格高,但随着技术进步将会得到改善。如能将监控、保护、通信调度、管理、仿真、图像音响等连接成为综合能力强的多媒体监控系统,则其性能价格比更高。因此,微机并行网络作为监控单元应用于电力系统,具有很好的研究应用前景。

参考文献

1 Lawrence P D,Much K. Real-Time Microcomputer System Design.New York:McGraw-Hill,1987
2 刘贯宇,宋玮,赵洪山,等.BITBUS变电站监控系统.电力系统自动化,1994,18(3)
3 朱大新.变电站综合自动化与无人值班.电力系统自动化,1994,18(11)
4 刘正清,唐晓波.中小水电站两级微机实时监测系统的软件研究.武汉水利电力大学学报,1996,25(3)
5 朱大新,黄键,张长银,等.BJ-1型变电站分布微机监控系统.电力系统自动化,1994,18(9)
6 滕福生,周步祥.监控系统中的机群交互通信技术.电力系统自动化,1996,20(9)

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