自動化通信系統在全分布式變電站中的實現
0 引言
通信在變電站自動化中占有非常重要的地位。其內容包括當地開關場的采集控制單元與變電站監控管理層之間的通信，變電站當地與遠方調度中心之間的通信。不同的變電站自動化系統結構意味著不同的通信網組態，它們在通信速度、可靠性和可擴展性上的指標都不同。
變電站自動化系統的結構形式一般分為集中式和分層分布式兩種。集中式是傳統的結構形式，通常由一臺前置機負責對各種采集和控制設備進行數據交換，并將信息傳送給上位機。這種系統的前置機過度繁忙，速度慢，可靠性較差，并且任何一種采集或控制設備故障將影響整個系統運行。這些問題使集中式結構的應用受到很大限制。分層分布式結構一般包括3層：第1層為變電站監控層，承擔站內人機接口、監視、管理、控制等任務；第2層為通信處理層，負責對下層就地裝置進行通信管理，并與遠方調度中心通信，承擔采集、控制和遠動職能；第3層是就地的模擬量、開關量和脈沖量數據采集、保護和控制操作出口，通常為分布式結構。3 層之間靠通信聯系。分層分布式系統的方案有很多種，本文論述了一種全分布式的變電站自動化通信系統。
1 通信系統總體方案
系統結構如圖1所示。系統由監控主機、2塊通信管理卡、1臺遠動管理機和若干就地單元組成。
圖1 通信系統結構圖
Fig.1 Structure of communication system
2塊通信管理卡分別訪問相應就地單元，得到各種數據信息。監控主機通過訪問通信管理卡完成變電站主控室監控功能。遠動管理機通過訪問通信管理卡得到數據，按遠動規約傳給遠方調度中心，并接收調度中心遙控、遙調命令，交給通信管理卡執行，實現就地通信規約和遠動通信規約的轉換及遠動功能［4］。就地單元按間隔設計，引進法國的微機型裝置，具有測量、保護、控制等功能，設有就地人機接口進行監控，可獨立運行，投退不影響系統工作。
2塊通信管理卡是自帶CPU、雙口RAM的智能卡，插在監控主機的PC總線插槽上。每塊通信管理卡由4個RS—485接口引出4個通道，編號分別為 0～3和4～7，每個通道上至多可掛8個就地單元，以485總線型網絡連接。根據變電站規模所需的就地單元數可以決定用幾塊通信管理卡。
2塊通信管理卡同時運行，每塊卡4個通道并行工作。其通信速度不會因為多個通道的存在而降低，而只與每個通道上的單元數有關。當通道掛滿8個單元時，減少了空缺單元的等待延遲時間，通信速度最快。通信管理卡與監控主機并行工作，由于通信管理卡插在監控主機總線上，主機可用訪問內存的方式訪問通信管理卡，從而使監控主機獲取通信管理卡數據的速度非常快，同時也簡化了監控主機的編程。
通信管理卡的獨立工作能力較強，只需在上電時由主機內的程序對它們進行初始化，在此之后通信管理卡可以與監控主機并行工作而不占用主機資源。即使監控主機故障（除非主機電源中斷），通信管理卡仍能正常工作，而遠動功能正常，信息不會丟失，且就地單元可正常進行就地監控。
遠動管理機也是帶有CPU，RAM的智能卡。它帶有2個RS—485接口和1個RS—232接口。如圖1，遠動管理機占用通信管理卡1和通信管理卡2的各1個通道與其通信。它還由RS—232接口通過Modem與遠方調度中心通信。3個接口并行工作。
就地單元按間隔設計，采用微機型裝置，接入TV，TA二次側電量和開關、刀閘的輔助接點位置，有出口控制回路，具有測量、保護和就地監視、控制功能。就地單元通過485網與相對應的通信管理卡通信。它的通信功能包括：傳送本間隔的測量量，開關、刀閘位置信號和保護動作情況；控制開關位置；保護的定值修改及保護軟投退。就地單元采用485總線插口式接線方式，新增、投退線路不會影響整個通信網正常工作。
綜上所述，通信管理卡、遠動管理機和就地單元都是智能型獨立運行設備，彼此間只通過485網通信聯系，所有通信環節并行進行，數據交換速度較快。所有智能設備，包括通信管理卡與監控主機，故障后互不影響，系統具有較好的可靠性和可擴展性。
2 通信軟件設計
通信軟件的設計，涉及到各個設備的配合問題，這里只介紹通信軟件工作的機理。
2.1 數據采集機理
站內通信采用Polling式異步通信規約。如圖2所示，在通道0～2，4～6，通信管理卡為主機，就地單元為從機。通信管理卡由各485接口不停地向各就地單元采集數據，存放在自己的數據區內，保證數據的實時性。監控主機或遠動管理機訪問通信管理卡時直接從其RAM中得到實時數據，而不必等待它向下訪問就地單元的過程。通信管理卡發送一個字符、接收一個字符，都是以定時器中斷方式實現。由于CPU的處理速度與通信速率相差很大的數量級，對于4個RS —485串行通信口來說，以中斷方式收發使CPU進行數據管理的時間很寬裕，因而4個通道可以并行工作。
圖2 通信系統工作機理示意圖
Fig.2 Diagram of communication software mechanism
由于通信管理卡插在監控主機總線上，其數據區可以映射到監控主機的RAM上，監控主機能以訪問內存的方式得到實時數據，而不需要占用通信管理卡的CPU處理時間。
通信管理卡通過通道3、通道7與遠動管理機通信，遠動管理機為主機，通信管理卡為從機。遠動管理機不停地通過2個RS—485接口訪問通信管理卡，獲得實時數據，并按照遠動規約轉發給遠方調度中心。3個接口可并行工作，機理同通信管理卡。
2.2 控制操作通信機理
若在主控室進行控制操作，監控主機向通信管理卡1或卡2下發控制命令，再由通信管理卡將命令向某就地單元轉發下去。就地單元執行完畢后將執行結果等數據回送給通信管理卡，此時監控主機以訪問內存的方式得到通信管理卡數據區內的執行結果。
若在遠方調度中心進行遙控或遙調，遠動管理機按遠動規約收到控制命令后，按就地通信規約將命令內容轉發給通信管理卡1或卡2，由通信管理卡向下執行。執行之后，遠動管理機從通信管理卡上讀取執行結果等數據，按遠動規約送往調度中心。
3 工程實踐
長沙馬王堆110 kV/10 kV變電站按無人值班變電站設計。通信網由2塊通信管理卡、1臺遠動管理機和48個就地單元組成。通信管理卡采用法國施耐德集團梅蘭日蘭（Merlin Gerin）公司生產的Applicom International可編程通信卡。就地單元采用其Sepam系列產品，實現了測量、線路保護、元件保護、斷路器分合控制、自動Q—V調節、低頻減載等功能。就地通信規約采用就地單元認可的Jbus通信規約，通信速率在 9600 bit/s即可滿足要求［5］。遠方通信規約根據調度中心的要求采用了美國1801 Polling式遠動規約，通信速率為1200 bit /s。系統經過驗收，各項指標均達到變電站運行標準，已于1998年4月29日正式投運。投運以來，通信工作正常，信息交換速度快，可靠性高。實踐證明這種完全分布式通信系統具有較好的性能。
4 結語
本文論述的全分布式變電站自動化通信系統具有以下特點：
a.速度快。上層監控主機能以訪問內存的方式讀取通信處理層的數據。通信處理層中，就地通信和遠動職能分別由2塊通信管理卡和1臺遠動管理機并行完成。通信管理卡采用多通道并行的工作方式與下層就地單元通信。
b.可靠性高。通信處理層的通信管理卡、遠動管理機和下層的智能式就地單元各自獨立工作。它們只通過通信網弱聯系，某設備故障不影響其他設備正常運行通信。通信管理卡在主機故障后仍能正常工作，除非電源中斷。
c.可擴展性強。新增、投退線路時，可在通信網上加掛按間隔設計的就地單元，不影響通信網正常工作。新增線路不會降低通信速度。在大規模擴建時，可以增加通信管理卡，增加1塊卡可擴增32條線路。
參考文獻
[1] 劉玉忠，吳俊勇，劉 沛.變電站綜合自動化中的數據通信.見：全國高等學校電力系統及其自動化專業第十三屆學術年會論文集.廣州：1997
[2] 楊奇遜.變電站綜合自動化技術發展趨勢.電力系統自動化，1995，19（10）：7～9
[3] 金 韜，唐 濤，闕連元.分散式變電站自動化系統分析與討論.電力系統自動化，1997，21（10）
[4] Booth C, Mcdonald J R. Substation Based Data Interpretation Techniques for Improved Power System Management. IEEE Trans on Power Delivery, 1997, 9（2）
[5] 朱麗安，帥軍慶.關于110 kV，35 kV變電站綜合自動化系統的功能要求.電網技術，1997，21（1）
通信在變電站自動化中占有非常重要的地位。其內容包括當地開關場的采集控制單元與變電站監控管理層之間的通信，變電站當地與遠方調度中心之間的通信。不同的變電站自動化系統結構意味著不同的通信網組態，它們在通信速度、可靠性和可擴展性上的指標都不同。
變電站自動化系統的結構形式一般分為集中式和分層分布式兩種。集中式是傳統的結構形式，通常由一臺前置機負責對各種采集和控制設備進行數據交換，并將信息傳送給上位機。這種系統的前置機過度繁忙，速度慢，可靠性較差，并且任何一種采集或控制設備故障將影響整個系統運行。這些問題使集中式結構的應用受到很大限制。分層分布式結構一般包括3層：第1層為變電站監控層，承擔站內人機接口、監視、管理、控制等任務；第2層為通信處理層，負責對下層就地裝置進行通信管理，并與遠方調度中心通信，承擔采集、控制和遠動職能；第3層是就地的模擬量、開關量和脈沖量數據采集、保護和控制操作出口，通常為分布式結構。3 層之間靠通信聯系。分層分布式系統的方案有很多種，本文論述了一種全分布式的變電站自動化通信系統。
1 通信系統總體方案
系統結構如圖1所示。系統由監控主機、2塊通信管理卡、1臺遠動管理機和若干就地單元組成。
圖1 通信系統結構圖
Fig.1 Structure of communication system
2塊通信管理卡分別訪問相應就地單元，得到各種數據信息。監控主機通過訪問通信管理卡完成變電站主控室監控功能。遠動管理機通過訪問通信管理卡得到數據，按遠動規約傳給遠方調度中心，并接收調度中心遙控、遙調命令，交給通信管理卡執行，實現就地通信規約和遠動通信規約的轉換及遠動功能［4］。就地單元按間隔設計，引進法國的微機型裝置，具有測量、保護、控制等功能，設有就地人機接口進行監控，可獨立運行，投退不影響系統工作。
2塊通信管理卡是自帶CPU、雙口RAM的智能卡，插在監控主機的PC總線插槽上。每塊通信管理卡由4個RS—485接口引出4個通道，編號分別為 0～3和4～7，每個通道上至多可掛8個就地單元，以485總線型網絡連接。根據變電站規模所需的就地單元數可以決定用幾塊通信管理卡。
2塊通信管理卡同時運行，每塊卡4個通道并行工作。其通信速度不會因為多個通道的存在而降低，而只與每個通道上的單元數有關。當通道掛滿8個單元時，減少了空缺單元的等待延遲時間，通信速度最快。通信管理卡與監控主機并行工作，由于通信管理卡插在監控主機總線上，主機可用訪問內存的方式訪問通信管理卡，從而使監控主機獲取通信管理卡數據的速度非常快，同時也簡化了監控主機的編程。
通信管理卡的獨立工作能力較強，只需在上電時由主機內的程序對它們進行初始化，在此之后通信管理卡可以與監控主機并行工作而不占用主機資源。即使監控主機故障（除非主機電源中斷），通信管理卡仍能正常工作，而遠動功能正常，信息不會丟失，且就地單元可正常進行就地監控。
遠動管理機也是帶有CPU，RAM的智能卡。它帶有2個RS—485接口和1個RS—232接口。如圖1，遠動管理機占用通信管理卡1和通信管理卡2的各1個通道與其通信。它還由RS—232接口通過Modem與遠方調度中心通信。3個接口并行工作。
就地單元按間隔設計，采用微機型裝置，接入TV，TA二次側電量和開關、刀閘的輔助接點位置，有出口控制回路，具有測量、保護和就地監視、控制功能。就地單元通過485網與相對應的通信管理卡通信。它的通信功能包括：傳送本間隔的測量量，開關、刀閘位置信號和保護動作情況；控制開關位置；保護的定值修改及保護軟投退。就地單元采用485總線插口式接線方式，新增、投退線路不會影響整個通信網正常工作。
綜上所述，通信管理卡、遠動管理機和就地單元都是智能型獨立運行設備，彼此間只通過485網通信聯系，所有通信環節并行進行，數據交換速度較快。所有智能設備，包括通信管理卡與監控主機，故障后互不影響，系統具有較好的可靠性和可擴展性。
2 通信軟件設計
通信軟件的設計，涉及到各個設備的配合問題，這里只介紹通信軟件工作的機理。
2.1 數據采集機理
站內通信采用Polling式異步通信規約。如圖2所示，在通道0～2，4～6，通信管理卡為主機，就地單元為從機。通信管理卡由各485接口不停地向各就地單元采集數據，存放在自己的數據區內，保證數據的實時性。監控主機或遠動管理機訪問通信管理卡時直接從其RAM中得到實時數據，而不必等待它向下訪問就地單元的過程。通信管理卡發送一個字符、接收一個字符，都是以定時器中斷方式實現。由于CPU的處理速度與通信速率相差很大的數量級，對于4個RS —485串行通信口來說，以中斷方式收發使CPU進行數據管理的時間很寬裕，因而4個通道可以并行工作。
圖2 通信系統工作機理示意圖
Fig.2 Diagram of communication software mechanism
由于通信管理卡插在監控主機總線上，其數據區可以映射到監控主機的RAM上，監控主機能以訪問內存的方式得到實時數據，而不需要占用通信管理卡的CPU處理時間。
通信管理卡通過通道3、通道7與遠動管理機通信，遠動管理機為主機，通信管理卡為從機。遠動管理機不停地通過2個RS—485接口訪問通信管理卡，獲得實時數據，并按照遠動規約轉發給遠方調度中心。3個接口可并行工作，機理同通信管理卡。
2.2 控制操作通信機理
若在主控室進行控制操作，監控主機向通信管理卡1或卡2下發控制命令，再由通信管理卡將命令向某就地單元轉發下去。就地單元執行完畢后將執行結果等數據回送給通信管理卡，此時監控主機以訪問內存的方式得到通信管理卡數據區內的執行結果。
若在遠方調度中心進行遙控或遙調，遠動管理機按遠動規約收到控制命令后，按就地通信規約將命令內容轉發給通信管理卡1或卡2，由通信管理卡向下執行。執行之后，遠動管理機從通信管理卡上讀取執行結果等數據，按遠動規約送往調度中心。
3 工程實踐
長沙馬王堆110 kV/10 kV變電站按無人值班變電站設計。通信網由2塊通信管理卡、1臺遠動管理機和48個就地單元組成。通信管理卡采用法國施耐德集團梅蘭日蘭（Merlin Gerin）公司生產的Applicom International可編程通信卡。就地單元采用其Sepam系列產品，實現了測量、線路保護、元件保護、斷路器分合控制、自動Q—V調節、低頻減載等功能。就地通信規約采用就地單元認可的Jbus通信規約，通信速率在 9600 bit/s即可滿足要求［5］。遠方通信規約根據調度中心的要求采用了美國1801 Polling式遠動規約，通信速率為1200 bit /s。系統經過驗收，各項指標均達到變電站運行標準，已于1998年4月29日正式投運。投運以來，通信工作正常，信息交換速度快，可靠性高。實踐證明這種完全分布式通信系統具有較好的性能。
4 結語
本文論述的全分布式變電站自動化通信系統具有以下特點：
a.速度快。上層監控主機能以訪問內存的方式讀取通信處理層的數據。通信處理層中，就地通信和遠動職能分別由2塊通信管理卡和1臺遠動管理機并行完成。通信管理卡采用多通道并行的工作方式與下層就地單元通信。
b.可靠性高。通信處理層的通信管理卡、遠動管理機和下層的智能式就地單元各自獨立工作。它們只通過通信網弱聯系，某設備故障不影響其他設備正常運行通信。通信管理卡在主機故障后仍能正常工作，除非電源中斷。
c.可擴展性強。新增、投退線路時，可在通信網上加掛按間隔設計的就地單元，不影響通信網正常工作。新增線路不會降低通信速度。在大規模擴建時，可以增加通信管理卡，增加1塊卡可擴增32條線路。
參考文獻
[1] 劉玉忠，吳俊勇，劉 沛.變電站綜合自動化中的數據通信.見：全國高等學校電力系統及其自動化專業第十三屆學術年會論文集.廣州：1997
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[3] 金 韜，唐 濤，闕連元.分散式變電站自動化系統分析與討論.電力系統自動化，1997，21（10）
[4] Booth C, Mcdonald J R. Substation Based Data Interpretation Techniques for Improved Power System Management. IEEE Trans on Power Delivery, 1997, 9（2）
[5] 朱麗安，帥軍慶.關于110 kV，35 kV變電站綜合自動化系統的功能要求.電網技術，1997，21（1）
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