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
　　目前電力系統(tǒng)中廣泛采用串行通信網(wǎng)絡(luò)連接的多微機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)成保護(hù),、監(jiān)控系統(tǒng),。隨著電力系統(tǒng)及其基本單元（發(fā)電廠、變電所等）的容量日益增大及組成日趨復(fù)雜,，對其保護(hù)監(jiān)控的要求逐漸提高,。但由于串行網(wǎng)絡(luò)機(jī)組間是按位傳送信息，其通信協(xié)議依靠軟件實現(xiàn),，隨著通信對象增多,，網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率e將降低（e＜0．4）^［6］。 由于存在著通信瓶頸,，往往采用多個不同功能的串行系統(tǒng),，以滿足提高監(jiān)控能力的要求。電力系統(tǒng)中事件的發(fā)生具有“同時性”,，其對實時性的要求常常為串行系統(tǒng)力所不及,。為提高計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的綜合功能,，可采用提高機(jī)組間信息交換速度的方法，將“按位串行傳遞”改為“按位并行”,，這種按“字節(jié)串行”傳送的方式即所謂“并行網(wǎng)絡(luò)”,。例如，同一時鐘下傳送一個字節(jié)（8位）或多個字節(jié)（16位,、32位等）,，依時鐘次序串行傳送字節(jié)。十分明顯,，并行傳遞字位越多,，交換信息速度越快，網(wǎng)絡(luò)功能越強(qiáng),。
1　基本監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)及工作方式
　　并行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)為主從式，設(shè)一個主機(jī),、工作站及許多分機(jī)（PC）,。主機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)各PC機(jī)工作,，各分機(jī)擔(dān)負(fù)專門任務(wù),。分機(jī)通過并行接口卡與網(wǎng)絡(luò)連接，只要適當(dāng)改變接口卡,，不同總線形式的微機(jī)均可聯(lián)網(wǎng),，因而實用機(jī)型廣?？刂聘鹘涌诳ǖ墓ぷ鞣绞?，就可控制信息的流向，這樣各機(jī)可以獨自同時工作,，又可以通過總線交換信息,。
　　并行總線主要分為雙向數(shù)據(jù)線、信號線和控制線,。雙向數(shù)據(jù)線分時復(fù)用傳送網(wǎng)絡(luò)地址及數(shù)據(jù),，有8位、16位,、32位等,。控制線控制各微機(jī)信息流通時刻及流向,，信號線指明雙向數(shù)據(jù)總線上傳遞的是數(shù)據(jù)還是地址,，以及各接口處于發(fā)送、接收或停機(jī)等工作狀態(tài),。
　　并行通信網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：
　　(1)數(shù)據(jù)存取采用中斷查詢方式,，速率高,。
　　(2)網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)由主機(jī)控制，它根據(jù)需要任命任一PC為數(shù)據(jù)發(fā)送者或其他任何PC機(jī)為接收者,，每次數(shù)據(jù)傳送分三個階段：①任命發(fā)送者,、接收者，建立發(fā)送線路階段,；②通信階段,，發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者接收數(shù)據(jù),；③撤除階段,，把總線使用權(quán)交還給主機(jī)。保證正確發(fā)送與接收,。
　　(3)總線安排了互鎖線,，保證任一接收者未準(zhǔn)備好，不發(fā)送信息,；任一接收者未接收完數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)不撤除，信息傳送可靠,。
　　(4)信息傳送同步方式可靠,、簡便，不存在字同步,、字節(jié)同步等問題,，都由硬件完成。
　　(5)數(shù)據(jù)與地址線分時復(fù)用,，網(wǎng)絡(luò)尋址由指令完成,，尋址迅速。
　　(6)差錯控制簡便,。數(shù)據(jù)鏈路層不設(shè)差錯檢測，為保證可靠性,，可在通信協(xié)議的高層,，設(shè)差錯控制。如在發(fā)送方數(shù)據(jù)塊的最后一個字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)累加和作為檢驗碼,，接收方作同樣運算,，與發(fā)送方數(shù)據(jù)相比較來判別是否重發(fā)。
　　目前,，我們研究的8位并行通信網(wǎng),，最高傳送速率可達(dá)1 Mbps。
　　由上述可知,，并行網(wǎng)絡(luò)比串行網(wǎng)具有通信速度快,，傳送數(shù)據(jù)可靠,，通信方式靈活，擴(kuò)址方便等優(yōu)點,，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,。PC機(jī)間網(wǎng)絡(luò)距離近，可采用高速電纜連接,。若距離較遠(yuǎn),，可采用光纖通過led="" target="_blank" www.epdoc.cn="">led/' target='_blank'>光電互連技術(shù)，構(gòu)成遠(yuǎn)程并行網(wǎng)絡(luò),。
2　電力系統(tǒng)基本生產(chǎn)單元的二次系統(tǒng)基本內(nèi)容
　?。?） 自控、調(diào)度的基本要求是收集全網(wǎng)的各種參數(shù),，對電力系統(tǒng)直接控制,，或為運行人員提供決策依據(jù)，達(dá)到期望的最優(yōu)運行狀態(tài),，以減少設(shè)備事故及事故影響范圍,。基本內(nèi)容包括：
　　系統(tǒng)調(diào)度自動化通常包括數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控功能的SCADA系統(tǒng),，及安全分析,、調(diào)度管理和計劃協(xié)調(diào)的綜合系統(tǒng)——能源管理系統(tǒng)EMS；
　　火電廠自動化主要包括安全監(jiān)控,、正常調(diào)節(jié),、機(jī)組起停、事故處理等,；
　　水電廠自動化主要包括全廠安全監(jiān)控,，自動發(fā)電控制及水利樞紐經(jīng)濟(jì)調(diào)度及自動控制等；
　　配電網(wǎng)自動控制主要功能是對配電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控,。
　?。?） 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)主要包括電力線路、發(fā)電機(jī),、變壓器母線,、電容器及電動機(jī)等基本元件的保護(hù)。要求具有速動性,、選擇性,、靈敏性和可靠性，基本方法是監(jiān)測其正常運行參數(shù)及事故狀態(tài)參數(shù)特征,，以進(jìn)行保護(hù),。
　　（3） 此外,，電力系統(tǒng)中還采用音響,、圖像的工業(yè)電視形成多媒體監(jiān)控系統(tǒng),、實時仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等,。
　　 綜上所述,，二次系統(tǒng)中的多種功能監(jiān)控系統(tǒng)均需要一個“數(shù)據(jù)采集”功能的基本單元。如果采用并行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),，將其采集的實時數(shù)據(jù),，同時分別送到不同功能的上位機(jī)，進(jìn)行不同處理,，即可完成不同的功能,。
3　變電站監(jiān)控單元
　　對于大型變電站，地位重要,，保護(hù)控制裝置較多,，且向無人及少人值守方向發(fā)展，所以計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能趨向綜合化發(fā)展,。假設(shè)變電站的占地面積大,、設(shè)備分散，可采用分散式結(jié)構(gòu),，且分散組屏以節(jié)約電纜(如圖2),。若變電站設(shè)備較集中，如圖3所示,，

圖2　分布分散式自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3　分布式結(jié)構(gòu)集中式組屏的變電站自動化系統(tǒng)可采用集中式組屏方式,。

　　其基本功能如下：
　　(1)監(jiān)控系統(tǒng)功能有數(shù)據(jù)采集及處理、控制操作,、在線自診斷,；與保護(hù)裝置通信、數(shù)據(jù)顯示,、正常及事故打印,。
　　(2)保護(hù)功能包括變壓器、母線,、電容器等元件保護(hù),，及事件記錄、故障錄波,、諧波分析,。小電流接地系統(tǒng)接地自動選線,。
　　(3)電壓及無功綜合控制與調(diào)度中心之間通信,，實時仿真培訓(xùn)，對開關(guān)室,、變壓器等重要部位的工業(yè)電視信號構(gòu)成多媒體監(jiān)控系統(tǒng)等,。
　　對于規(guī)模較小的變電站,，可用最小的并行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由主機(jī)一臺,、采集前置機(jī)一臺或兩臺構(gòu)成,。主機(jī)管理全站運行，兼有全廠監(jiān)控,、保護(hù),、通信調(diào)度、顯示打印等多種功能,。
4　大型水電廠綜合監(jiān)控系統(tǒng)
　　水電廠生產(chǎn)過程比變電站復(fù)雜,，被監(jiān)控對象除變壓器、油開關(guān),、輸電線外,，還有發(fā)電廠、水輪機(jī),、閥門等,，監(jiān)測各種電量及非電量參數(shù)，監(jiān)控點數(shù)多,，工作狀態(tài)復(fù)雜,。大型水輪發(fā)電機(jī)組可按臺設(shè)電量監(jiān)控采集、繼電保護(hù)采集,、非電量采集前置機(jī),；大型水電站可按功能設(shè)置PC機(jī)，如設(shè)全廠監(jiān)控主機(jī),、工作站,，執(zhí)行自動發(fā)電及經(jīng)濟(jì)運行、繼電保護(hù),、事件記錄,、故障錄波、事故分析,、水庫調(diào)度的PC,，連接工業(yè)電視系統(tǒng)的圖象、聲響監(jiān)控PC機(jī),，實時仿真培訓(xùn)PC機(jī)等,。其連接方式與變電站相仿。
　　由于大型水電廠控制室與升壓站（或開關(guān)站）相距較遠(yuǎn),，因而在開關(guān)站設(shè)監(jiān)控PC機(jī),。它與主系統(tǒng)之間可通過光纜，用光電并行網(wǎng)絡(luò)連接，其結(jié)構(gòu)如圖4所示,。信號交換原理如下：廠房并行總線邏輯信號,，經(jīng)廠房端光電、電光轉(zhuǎn)換控制器后,，轉(zhuǎn)為光信號,，經(jīng)光纜傳至開關(guān)站端光電、電光轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換為電邏輯信號,，經(jīng)總線送至變電站監(jiān)控PC機(jī),。反之亦然。

圖4　光電并行網(wǎng)絡(luò)示意圖

5　結(jié)論
　　并行通信網(wǎng)絡(luò)比串行網(wǎng)絡(luò)速度快,、可靠性高,，應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，可增加其實時性,。盡管并行網(wǎng)絡(luò)目前比串行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，安裝不便，價格高,，但隨著技術(shù)進(jìn)步將會得到改善,。如能將監(jiān)控、保護(hù),、通信調(diào)度,、管理、仿真,、圖像音響等連接成為綜合能力強(qiáng)的多媒體監(jiān)控系統(tǒng),，則其性能價格比更高。因此,，微機(jī)并行網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)控單元應(yīng)用于電力系統(tǒng),，具有很好的研究應(yīng)用前景。

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