基于现场总线的变电站监测监控的设计与实现
2009-06-02
作者：黎文安
摘 要： 介绍了现场总线系统的技术特点；并结合工程实例介绍了现场总线监测监控系统中关键硬件的设计原理以及运行于工控机上的应用软件的设计方法；最后介绍了基于现场总线的变电站电量监测监控系统的应用前景。
关键词： 现场总线 监测 监控 变电站
1 现场总线系统的组成与技术特点
现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一个现场总线系统可以看成是一个由数字通信设备和监测监控设备组成的分布式系统。实际上，现场总线就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能化设备。现场总线由网络通信、功能模块、对象字典和设备描述、网络管理、系统管理等部分组成。
现场总线技术是三C技术(Computer、Control、Communication)从控制层发展到工艺设备现场的技术结果，现场总线技术的特点如下：
(1)全数字化通信
传统集散控制系统(DCS)是“半数字”系统，许多I/O模板接收或送出4～20mA模拟信号；而现场总线控制系统(FCS)是一个“纯数字”系统，信号传输实现全数字化，提高了信号的可靠性、准确性，实现了检错、纠错功能。
(2)可互操作性和互用性
可互操作是指实现互联设备间、系统间的信息传送和沟通，而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换。
(3)完全的分散性
DCS是一个“半分散式”系统，它是采用一个或多个“控制单元”对多回路进行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每个控制板上又有多个回路。现场总线采用的则是完全分散体系，它的控制单元全部分散到现场，控制回路由现场设备实现，在现场总线中又同时允许在控制室中用数字通信的方式进行操作与调整。
2 基于现场总线的变电站监测监控系统的设计
随着技术的进步与自动化程度的不断提高以及电力系统“减人增效”要求的提出，实现变电站综合自动化从而达到无人值班，已成为电力系统发展的趋势。为满足变电站综合自动化发展的需要，我们研制了一套基于现场总线的变电站实时监测监控系统，并已在现场运行了一年多的时间，运行状况很好。该系统由前端智能单元、工控机、网络通信适配器、专用Modem及相应软件组成，其系统结构如图1所示。
2.1 关键硬件的设计
基于现场总线的变电站实时监测监控系统的关键硬件是前端智能单元和网络通信适配器。
前端智能单元采用Intel80C196KC 16位系统架构，主要包括采集控制逻辑、模拟信号处理、开关量输入输出处理、通信处理、系统监测与保护、实时时钟及电源等部分。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，所有数字逻辑的处理全部集成在单片高密度、超大规模的可编程逻辑阵列中。为了使前端智能单元能在恶劣的电磁环境下可靠地工作，除了使电路设计、器件选择、布线布局、屏蔽隔离等环节尽可能完善外，本系统还可随时对前端智能单元的运行状态进行监测，以确保在意外故障发生时不误操作和丢失数据。应该特别指出的是，本系统的前端智能单元安装在户外的端子箱内(就在PT、CT下面)。
前端智能单元的硬件框图如图2所示。
网络通信适配器插在工控机的扩展槽上，实现前端智能单元和工控机之间的高速数据交换。网络通信适配器由16位微处理器、中央控制逻辑、影象数据区、用户读写数据区、并行接口逻辑和串行接口逻辑等部分组成，其原理框图如图3所示。
2.2 软件开发与数据管理
对本系统的开发，笔者采用Visual Basic 5.0作为主要开发工具，利用Visual C++5.0编制动态链接库(DLL)完成底层操作。
Visual Basic 5.0是Microsoft公司最新推出的32位Windows开发工具，它非常适合于开发监测监控系统。Visual Basic不仅是一种语言，而且是一个集应用程序开发、测试和纠错等功能于一体的集成式开发环境。在程序设计上，Visual Basic 5.0具有事件驱动的特性。另外，它还提供一种高级的出错处理技术，以防止最终毁坏应用程序。Visual Basic 5.0具有艺术性的智能化开发环境，可以帮助用户毫不费力地编写代码。其快速提示与帮助功能使用户不必记忆成千上万的属性和方法。Visual Basic 5.0采用拖放式编辑，使编程效率显著提高。它包含本地代码编译器，可以用很高速度创建基于Windows95/98和WindowsNT4.0的应用程序。它也可以生成“盘式”目录安装文件，这样便能方便地制作发行盘。
本系统软件主要包括以下几个模块：
(1)硬件与网络测试模块
在工控机启动时，首先由硬件与网络测试模块检测硬件和网络的运行状态，判断相关硬件和网络是否正常。当硬件或网络不正常时给出响应的提示。
(2)系统初始化模块
设置变电站的一些可能变化的初始参数，如电流互感器变比、电压互感器变比等。
(3)系统与线路运行方式设置模块
一个变电站中往往有几个不同电压等级的母线和若干条不同电压等级的线路，它们的接线方式也不尽相同，有三相三线制接法，有三相四线制接法，也有 三相三线制和三相四线制混合使用的接法。线路的接线方式不同，其测量方法也有所不同。另外，PT和CT二次侧接入前端智能单元的组合方式也因变电站的变化而各不相同。系统与线路运行方式设置模块的作用就是根据系统和线路的运行状况进行相应的设置，以确保获得正确数据。
(4)数据采集与输出模块
从前端智能单元读取各种数据，同时还要完成数字量的输出以实现控制功能。
(5)数据管理与维护模块
本程序对数据的管理采取了数据库的方式，将要记录的数据全部存放在.mdb数据库中。该数据库是Access数据库。因此，可以利用Access阅读和修改数据库，并可在Access环境下创建各种图表和曲线。本程序将创建数据库、打开数据库、写数据库、关闭数据库等操作都做成函数的形式，以便随时使用。
(6)图形、曲线、报表显示与打印模块
显示与打印变电站主接线、电压曲线、负荷曲线、频率曲线以及各种棒图、电压日报表、负荷日报表等各种报表。
(7)历史记录查询模块
用于查询各种历史数据和变位记录。
(8)与调度中心的通信模块
完成变电站与调度中心的数字通信，向调度中心传送遥信、遥测和电度量，同时接收调度中心下传的各种数据和命令。
3 基于现场总线的变电站监测监控系统的优点
采用基于现场总线的变电站监测监控系统，既可避免使用大量电缆将PT、CT二次侧电参数传送至中控室；又可减少线损造成的误差，提高测量精度；还可取代中控室，使之节约占地面积与基建投资。该系统与传统的变电站监测监控系统相比，具有如下特点：
(1)前端智能单元可安装于CT或PT端子箱内，对所采集的数据就地处理，数字化传送；
(2)网络由两根双绞线组网，故障率低，通信波特率高；
(3)解决了传统监测系统中CT、PT到中控室间的压降问题，测量精度高；
(4)抗干扰能力强，能在户外恶劣条件下运行；
(5)结构简单，体积小，安装、维修方便。
参考文献
1 黎文安,文康珍,庄曰平.现场总线及其在调度自动化中的应用.华北电力技术,2000(3)
2 陈 虹,唐鸿儒,曾 卫.现场总线式变电所智能仪表的技术研究.中国电力,1997(8)
3 庞彦斌,立令琦,程炜,赵恩平.现场总线与DCS的网络集成.测控技术,1999(9)