微机并行通信网络在电力系统监控中的应用

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。

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，

图2　分布分散式自动化系统结构图

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。

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。

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）