基于rs-500總線的電力高壓監(jiān)控系統(tǒng)

基于rs-500總線的電力高壓監(jiān)控系統(tǒng)

0現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集慢濟鋼集團電力高壓系統(tǒng)的自動化程度進一步提高，但通過在i/o槽內(nèi)連接到工業(yè)控制裝置的數(shù)據(jù)采集卡，并在現(xiàn)場收集現(xiàn)場的rs-485系列微型計算機保護設(shè)備。系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，無法傳輸數(shù)據(jù)，不利于整個工具設(shè)計體系的監(jiān)控和規(guī)劃管理，無法實現(xiàn)個人價值。1自動化系統(tǒng)通信變電站自動化系統(tǒng)實質(zhì)上是由多臺微機組成的分層分布式控制系統(tǒng),包括微機監(jiān)控、微機保護、電能質(zhì)量自動控制等多個子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)又由多個智能模塊組成,例如在微機保護子系統(tǒng)中,有變壓器保護、電容器保護、各種線路保護等。因此,在變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部,必須通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部和各子系統(tǒng)之間的信息交換和信息共享。目前,該公司已基本實現(xiàn)微機保護,廠區(qū)110、35、10、6kV高壓系統(tǒng)內(nèi)微機保護單元及智能儀表多數(shù)只能支持串行接口標(biāo)準(zhǔn),采用RS-485接口Modbus通信協(xié)議。RS-485接口可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式,目前高壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間的RS-485通信網(wǎng)絡(luò)都采用半雙工方式。由于RS-485總線采用半雙工通信方式時,同一時刻只能有1個節(jié)點為主節(jié)點(即可占用總線發(fā)送數(shù)據(jù)),如果有2個或2個以上節(jié)點同時向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù),那么會導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送失敗,因此如何實現(xiàn)多主節(jié)點對底層保護設(shè)備的訪問是項目要解決的一大難題。1.1加主機的i/o已啟動如圖1所示,某降壓變電站用2臺主機實現(xiàn)原始的雙機監(jiān)控方案,2臺主機都可以作為獨立的工作站對底層的保護進行監(jiān)控。但這種用程序來解決主從機切換問題受到許多限制:2臺主機的驅(qū)動程序、同一保護設(shè)備在接口表中的配置、設(shè)備對應(yīng)的標(biāo)簽名、寄存器地址都要一致。這種雙機熱備,主機與從機的I/O驅(qū)動程序都啟動了,只是從機不從自身的I/O驅(qū)動程序采集數(shù)據(jù),不能保證啟動后的從機I/O驅(qū)動程序不對RS-485總線設(shè)備進行通信訪問。實際上這種方式不是真正意義上的雙機切換模式,只能是一臺當(dāng)機后另一臺可以對底層設(shè)備進行寫操作。最終還是要通過串口采集卡來采集數(shù)據(jù),最大波特率只能設(shè)成9600,系統(tǒng)響應(yīng)速度仍然很慢。1.2主機主節(jié)點系統(tǒng)故障時改進后的RS-485總線設(shè)備雙機監(jiān)控方案,物理結(jié)構(gòu)上只增加了2塊以太網(wǎng)卡、1個小交換機及1根五類線,監(jiān)控軟件改為網(wǎng)絡(luò)版的SCADA軟件,配置了1臺主機、1臺從機,如圖2所示。通常情況下由主機的串口采集卡與下層的保護設(shè)備進行通信,從機通過網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP)實時監(jiān)視主機狀態(tài),并從主機的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫獲取所需數(shù)據(jù),不啟動自身的I/O驅(qū)動程序;一旦從機發(fā)現(xiàn)主機停止響應(yīng),便接管控制,啟動自身的I/O驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)采集。故障主機重啟后,查詢從機的狀態(tài),完成與從機信息同步后,從機停止控制工作,將控制權(quán)還給主機。從理論上看,這種方法是可行的,2臺上位機只有1臺I/O驅(qū)動程序?qū)S-485總線設(shè)備進行通信訪問,是一種單主節(jié)點系統(tǒng)。但這種方法有以下不足:(1)2臺上位機必須通過網(wǎng)絡(luò)相互通信,網(wǎng)絡(luò)通信的中斷將導(dǎo)致2臺上位機都成為主機,從而同時訪問RS-485總線設(shè)備,使系統(tǒng)癱瘓。(2)主機故障排除后,要重新接管控制,而此時從機的I/O驅(qū)動程序已啟動,退出是困難的。(3)當(dāng)主機的串口卡出現(xiàn)異常時,從機不能判斷主機的串口卡是否工作正常,因而也就失去了雙機的優(yōu)勢。實際上用當(dāng)前的組態(tài)軟件實現(xiàn)雙機熱備時,主從機的I/O驅(qū)動程序都啟動了,只是從機不從自身的I/O驅(qū)動程序采集數(shù)據(jù),不能保證啟動后的I/O驅(qū)動程序不對RS-485總線設(shè)備進行通信訪問。1.3采集系統(tǒng)及平臺鑒于以上兩種方案的局限性,提出主從服務(wù)器上位機架構(gòu)方案。本方案中,采集設(shè)備為主從通信管理機,通過電力系統(tǒng)IEC104協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳及遙控功能,同時增加GPS全網(wǎng)對時功能,以保證全網(wǎng)數(shù)據(jù)及信息的準(zhǔn)確性。多后臺/雙通信管理機監(jiān)控方案如圖3所示。2遙信和遙感通信經(jīng)過不斷研究和探索,開發(fā)出基于LINUX操作系統(tǒng)的通信管理機規(guī)約轉(zhuǎn)換程序,制定了最優(yōu)的可實施方案。圖4為實際廠站/電力調(diào)度組網(wǎng)實施方案,底層保護設(shè)備接入通信管理機的串口,上層通過以太網(wǎng)與就地服務(wù)器、遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信。本方案采用IEC60870-5-104協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。IEC60870-5-104協(xié)議既是變電站到控制中心的唯一通信協(xié)議,也是變電站自動化系統(tǒng)到控制中心的唯一的通信協(xié)議。主程序設(shè)計采用在通信管理機內(nèi)建MontaVista嵌入式Linux2.4.18系統(tǒng)的方法,同時基于該系統(tǒng)開發(fā)出新的Modbus通信程序及相關(guān)的配置文件,利用新的通信程序與保護單元進行通信,通信方式為輪詢。該通信程序按照配置文件中的配置輪流詢問每個高壓微機保護單元的遙信、遙測、SOE事件、故障錄波等數(shù)據(jù),同時解析處理保護返回的數(shù)據(jù),并按照IEC60870-5-104的幀格式進行打包,定時發(fā)送給就地服務(wù)器及遠(yuǎn)方調(diào)度系統(tǒng),完成Modbus到IEC60870-5-104規(guī)約的轉(zhuǎn)換任務(wù)。就地服務(wù)器后臺系統(tǒng)采用IEC60870-5-104協(xié)議的接口程序,接收通信管理機主動上傳過來的數(shù)據(jù),對收到的數(shù)據(jù)進行解析、處理,實現(xiàn)遙信、遙測功能。由于保護采用Modbus協(xié)議,主要的通信方式是輪詢,為保證系統(tǒng)的響應(yīng)時間,正常情況下管理機只主動上傳SOE和遙測數(shù)據(jù),保證SOE、遙測的響應(yīng)時間,后臺系統(tǒng)啟用IEC104的總召喚功能,定時召喚管理機中的遙信數(shù)據(jù)。這樣就減少了正常運行時IEC104報文種類的數(shù)量,提高了SOE、遙測發(fā)送的頻率,加快了系統(tǒng)對遙測、SOE事件的響應(yīng)速度,同時為了保證后臺遙信變位的快速響應(yīng),特意增加了SOE刷新遙信狀態(tài)的功能。雖然管理機平時不主動上傳遙信數(shù)據(jù),但有遙信變位發(fā)生時,后臺系統(tǒng)接收到相應(yīng)的SOE事件后就會進行SOE的報警處理,同時更新實時數(shù)據(jù)庫和動態(tài)畫面,以保證系統(tǒng)對遙信、遙測、SOE事件的響應(yīng)速度。對于后臺發(fā)送的遙控命令,管理機收到后采用多線程處理方式,不中斷數(shù)據(jù)上發(fā),而是調(diào)用遙控處理線程,將遙控對象所在通道的輪詢掛起,在處理完遙控命令后恢復(fù)輪詢,從而保證了遙控的速度,且遙控時不影響其它功能的正常發(fā)揮。有故障出現(xiàn)時,管理機將自動讀取故障裝置波形文件,并將數(shù)據(jù)上傳到后臺系統(tǒng)。圖5為通信管理機主程序流程圖,圖6為底層保護單元Modbus通信協(xié)議程序流程圖,圖7為IEC104從站程序。3雙機變換技術(shù)的開發(fā)3.1基于管理機的主機為了確保數(shù)據(jù)采集的可靠性與遙控的準(zhǔn)確率,大型且重要變電站都采用雙機冗余結(jié)構(gòu),負(fù)責(zé)四遙功能的通信管理機均配置冗余。底層保護設(shè)備采用Modbus協(xié)議,而該協(xié)議限制2臺管理機同時訪問保護,因此將2套管理機分為主從機。正常情況下,2套管理機同時運行,主機負(fù)責(zé)主要的通信任務(wù),從機處于監(jiān)聽狀態(tài);當(dāng)主機出現(xiàn)故障時,從機由監(jiān)聽狀態(tài)轉(zhuǎn)為主動發(fā)送狀態(tài),負(fù)責(zé)系統(tǒng)通信任務(wù),從而實現(xiàn)故障時自動切換,保證了系統(tǒng)的正常運行。3.2自動切換系統(tǒng)RS-485通道及管理機端口故障,系統(tǒng)能根據(jù)其狀況對每個通道進行獨立切換;管理機故障自動切換;管理機內(nèi)部程序錯誤,系統(tǒng)死機時,自動切換到從機;管理機掉電自動切換。3.3從機中心端的控制板發(fā)送數(shù)據(jù)雙機切換多采用握手機制,整機切換。本系統(tǒng)采用新的切換原理,不通過定時的握手來判斷切換,而是通過監(jiān)視數(shù)據(jù)流情況來判斷切換條件,即系統(tǒng)正常時,只有主機工作,從機在線監(jiān)聽;切換條件滿足時,從機開始工作。當(dāng)主機RS-485通道或管理機端口發(fā)生故障時,在設(shè)定的時間內(nèi)通過該端口的數(shù)據(jù)流將會出現(xiàn)異?；驔]有數(shù)據(jù)通過,此時處于監(jiān)聽狀態(tài)的從機該端口數(shù)據(jù)流也會出現(xiàn)異常或無數(shù)據(jù),從機判斷后,通過網(wǎng)口向主機發(fā)送消息,請求該端口主動向RS-485通道發(fā)送數(shù)據(jù);主機端口接到該握手信號后,自動關(guān)閉該端口,發(fā)送同意從機該端口工作的消息;從機接到后,立刻啟動該端口。這種情況下切換的時間主要取決于設(shè)定的數(shù)據(jù)流監(jiān)視時間,可根據(jù)現(xiàn)場要求及各端口的配置情況調(diào)整,以滿足電力調(diào)度系統(tǒng)雙機切換時間短于50s的要求。管理機內(nèi)部發(fā)生故障或者掉電時,管理機所有的RS-485通道都關(guān)閉,從機監(jiān)視各端口數(shù)據(jù)流出現(xiàn)的問題,同時向主機發(fā)送每個端口的切換消息。由于主機故障或掉電,無法響應(yīng)從機請求,因此從機在預(yù)定時間內(nèi)沒收到返回消息時,主機立即開放各端口,擔(dān)負(fù)整個系統(tǒng)的通信任務(wù),切換時間基本與上述的相同。3.4本機的主理機口網(wǎng)口介紹為保證切換過程中產(chǎn)生的SOE事件、故障波形、遙信變位等情況能正確、完整地上傳后臺,對切換的原理進行了完善。當(dāng)2臺管理機正常運行時,兩者間有數(shù)據(jù)同步功能,所有的數(shù)據(jù)都同步通過固定網(wǎng)口,該網(wǎng)口以直連的形式工作,能保證2臺管理機內(nèi)數(shù)據(jù)一致。當(dāng)主管理機出現(xiàn)故障、掉電或通道發(fā)生故障時,故障管理機內(nèi)的程序會終止各通信口和相應(yīng)端口的發(fā)送任務(wù),此時若有新的事件產(chǎn)生,保護內(nèi)的事件交換區(qū)內(nèi)計數(shù)增加。切換時,主機無法和保護通信,事件無法讀取,保存在管理機中的事件標(biāo)識不會改變。切換完成后,從機訪問保護,若發(fā)現(xiàn)事件標(biāo)識不一致,就知道有新事件產(chǎn)生;于是讀取該事件,同時發(fā)送SOE及遙信