基于总线的多功能电力仪表组网技术研究.pdf

第5 1卷第 9期 2 0 1 4年5月 1 O日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I ns t r u me n t a t i o n VO 1 5 1 No 9 M a y 1 0， 2 0 1 4 基 于总线 的多功能 电力仪表组 网技术研 究 张雯，王长瑞 ( 华北电力科学研究院有限责任公 司，北京 1 0 0 0 4 5 ) 摘要 ： 针对多功能电力仪表通信接 口与规约的多样性 ， 研究了基 于总线的多功能电力仪表组 网技术 。在实验室 环境下采用总线技术对电厂与变电站厂( 站 ) 用电系统常见的多功能 电力仪表进行了组 网， 开发 了一个集成各 种规约与接口的数据处理平台， 并对系统的数据采集、 通信等性能予以试验验证。结果显示， 该系统实现了厂 站电气监控系统 的主要功能 ， 性能可靠 。此研究成果可以在实际的现场工程应用中加以推广 ， 有助于提高变 电 站 、 电厂等厂矿企业电气系统的协调控制和运行管理水平 。 关键词 ： 多功能电力仪表 ； 组网； 总线 ； 分布式 中图分类号 ： T M 9 3 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 2 1 0 4 Re s e a r c h o n Bus Ba s e d M u l t i Fun c t i o n El e c t r i c M e t e r s Ne t wo r k i ng Te c h n o l o g y ZHANG W e n，W ANG Ch a n g r u i ( N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e C o L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t：T he b u s b a s e d mu l t i f u n c t i o n e l e c t ric me t e r s n e t wo r k i ng t e c h n o l o g y i s s t ud i e d i n t hi s p a p e r a i mi n g a t t he d i v e r s i t y i n c o mmu n i c a t i o n i n t e rfa c e s a n d t he p r o t o c o l s o f t he s e d e v i c e s I n l a b o r a t o r y e n v i r o n me n t ，t h e b u s t e c h n o l o g y i s a d o pt e d t o n e t wo r k t h e mu l t i - f u n c t i o n e l e c t ric me t e r s wh i c h a r e c o mmo n i n po we r p l a n t a n d s u b s t a t i o n a u x i l i a ry p o w- e r s y s t e m A d a t a p r o c e s s i n g p l a t f o r m i nt e g r a t i n g v a rio us p r o t o c o l s a n d i n t e rfa c e s i s d e v e l o p e d，a n d a n e x pe r i me n t i s pe r f o rm e d o n t h e d a t a c o l l e c t i o n a n d c o mmun i c a t i o n pe rfo rm a nc e o f t he s y s t e mTh e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m wi l l a c hi e v e ma i n f u nc t i o ns o f t h e p o we r p l a n t a n d s u b s t a t i o n e l e c t ric a l c o n t r o l s y s t e m ，a n d h a s a r e l a t i v e r e l i a b l e p e r f o rm a n c e Re s e a r c h i n t h i s p a pe r c a n be p r o mo t e d i n t h e a c t u a l e ng i n e e rin g a p p l i c a t i o n s，a n d wi l l b e h e l p f u l t o i mpr o v e t h e l e v e l o f t he e l e c t r i c a 1 s y s t e m c o o r d i n a t e d c o n t r o l a n d o p e r a t i o n ma n a g e me n t i n s u b s t a t i o ns ，p o we r p l a n t s a n d o t h e r i nd u s t r i a l e n t e r p r i s e s Ke y wo r ds： mu l t i f u n c t i o n e l e c t ric me t e r s ，n e t wo r k i n g，bu s，d i s t rib u t e d s t r u c t u r e 0 引 言 近些年随着计算机 技术与通 信技术 的发展 ， 在 变 电站与发 电厂电气 自动化 系统 中各 种多功能 电力 仪表( 如保护测控装置 、 多功能 电量表 、 多功能 电能 表等) 得到越来越广 泛的应用。多 功能仪表不仅可 以一表多用 、 同时测量多个重要 的电气参数 ， 而且可 以通过其通信接 口来实现对测 量值 的监视 、 处理和 自动控制等功能。 在生产现场不同的多功能电力仪表都需要接人 监控 、 远动等信息处理主站 ， 然而 目前在用 的多功能 仪表生产厂家 、 出厂 时期 、 型号繁 多， 它们 的通 信接 口和通信规 约不 尽相 同， 因此有必要研究一种 能够 对不 同介质 、 不 同规约设备 的信 息进行统一管理 的 平 台。总线技术 由于其系统结构高度分散 以及对现 场环境适应性 强等特点 ， 在厂站 电气 自动化 系统 中 具有很大的应 用潜力 ， 采用这一技术有助 于实 现不 同类型多功能电力仪表 的组 网。关于发电厂 电气监 控系统 ( E C S ) 已有许多理论 和应用 J ， 但是 ， 在利 用总线技术对 多功能 电力仪表组 网方面 ， 目前公 开 发表的论文有 限。文献 4 从概念上预测 了现场总 线技术在发电厂控制系统 中的应用前景 ， 文献 5 采 用 C A N总线实现了测控装置与通信管理单元之问的 通信； 这些文献的讨论均未涉及具有 多种通信接 口 与通信规约的多功能仪表。 本文介绍 了基于总线技术 的多功能电力仪表组 网技术 ， 从 硬件 和软件方面分析 了多功能仪表统一 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 9期 2 0 1 4年5月 l O日 电测 与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 51 No 9 M a y 1 0， 2 0 1 4 数据处理平 台在实验室 的实 现过程 ， 阐述 了该平 台 主要性能的测试试验结果 ， 以期为实际 的工程应用 提供一定 的参考。 1系统构成 基于总线技术 的多功能 电力仪表数据处理平 台 主要 由多 功 能 电量 表 A 2 0 0 0 、 保 护 测控 装 置 C S C 2 1 1 、 多功能电能表 D T S D 3 4 1 、 主控单元 C S C 8 6 1 、 交 换机、 数据服务器、 工程师站 、 系统软件 以及 打印机 等组成( 如图 1 所示) 。下面着重说明该系统的通信 组 网技术 ， 之后简要介绍软件设计。 主 图 1 多功能电力仪表数据处理平台结构 Fi g 1 Ar c h i t e c t u r e o f t h e d a t a pr o c e s s i n g pl a t f o r m f o r mu l t i f u n c t i o n e l e c t r i c me t e r s 1 1 网络结 构 按照 E C S典型的分层分布式结构_ 6 J ， 基于 总线 技术 的多功 能 电力仪 表数据 处理平 台采用 三层设 备 、 两层 网络的结构 ， 自下 向上分 为间隔层 、 通信管 理层和站控层 ： ( 1 ) 间隔层 ， 由各种多功能仪表和智能设备等组 成 ， 完成就地电气设备 的保护、 测量、 控制功能 ， 通过 现场总线 、 串口等通讯方式与通信管理层连接。 ( 2 ) 通信管理层 ， 是系统构成 的枢纽 ， 处 于承上 启下的层次 ， 完成站控层和 间隔层之 间的实时信 息 交换 ， 实现与其他系统 、 调度 中心的数据交换 以及电 气控制逻辑功能 。由于间隔层各种装置通信规约的 多样性 ， 彼此之间无法实现信息的直接交互 ， 通过通 信管理层可以完成通信规约的转换 ， 从而实现 不同 装置 之 间 以及 装 置 与 电气 主 站 、 分 散 控 制 系 统 ( D C S ) 之间的信息交互 。 ( 3 ) 站控层 ， 是 系统的控制管理 中心 ， 完成对整 个系统的数据收集 、 处理 、 显示 、 监视 功能 ， 经过授权 对多功能仪表等电气设备进行控制。 在本 系统 中， 多功能 电量表 、 保 护测控装置 、 多 功能电能表布置在 间隔层 ， 主控 单元位于通信管理 一 2 2 一 层 ， 数据服务器 、 工程师站等处于站控层 ( 见 图 1 ) 。 其 中通信管理层 和间隔层设备分散分布 配置 ， 方便 了设备的维护与系统扩展。 1 2通信接 口与规 约 主控单元 向下可以采用 L o n Wo r k s 、 P r o fi b u s D P 、 串口或 以太 网等端 口与间隔层组网， 允许各类多功 能仪表和电气设 备的接入， 向上可 以采用 以太 网或 R S一 4 8 5端 口与站控层连接 ； 支持各种常用的通信规 约( 如 Mo d b u s 、 D L T 6 4 5 、 I E C 6 0 8 7 0 51 0 4等标准 规约 ) 。 根据本系统的组成特点 ， 站控层 网络采用 了 以 太网， 间隔层 通信 网络 采用 的是 R S一4 8 5与 L o n Wo r k s 总线 ， 间隔层设备不同的通信规约接入 主控单 元后转换为统一 的规约输 出。系统通信接 口与规约 具体如表 1 所示 。 表 1 系统 通信接 口与规 约 Ta b 1 Co mmun i c a t i o n i n t e r f a c e s a n d p r o t o c o l s o f t h e s y s t e m 1 3 间隔层与通信管理层间组网方式 间隔层与通信管理层之间的组 网方式又可以细 分为两类 ： ( 1 ) 面向电气 间隔的组 网方式 J ， 是根据 厂 ( 站) 用电系统主接线分段 ， 基于地理上 的就近原 则 ， 对各种智 能设备进行分组组 网至对应 的通信管 理机 ； ( 2 ) 面向过程的组网方式 ， 是根据发电厂发 电控 制流程 ， 将与热 工控 制流程 紧密相关 的 6 k V、 4 0 0 V厂用电中的各种 电动机 的保护测控设备 、 开关 测控设备等组 成一个 或几个 组 ， 其他设备再组成 另 外一个或几个组接入通信管理机 。 本系统采 用 的是面 向过程 的组 网方式 。假设 C S C 2 1 1 属于热工相关装置 ， A 2 0 0 0与 D T S D 3 4 1是 电气相关的装置 ， 从图 1可 以看出， 它们分成两组分 别接人两台主控单元。 1 4 系统 软件 多功能电力仪表数据处理平 台系统软件采用组 态软件开发。组态软件在站控层 的开发环境 中能够 以灵活多样 的组态方式提供 良好 的用户 开发界面 ， 其预设的各种软件模块 可以方便地实现站控层 的各 项功能。利用组态软件开发 了本 系统 的如下功能 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 9期 2 0 1 4年5月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me nt& I n s t r u m e n t a t i o n Vo I 5 1 No 9 M a y 1 0， 2 0 1 4 ( 1 ) 以图形方式展示 系统 的网络结构 ； ( 2 ) 采集并 显 示各种电气量 的数据 ( 包括 画面监视 、 实时 曲线 、 历 史曲线) ， 可以存储 、 查询和打 印； ( 3 ) 自动对用 电量 进行统计 ， 生成 电度 日报表 ； ( 4 ) 对 前置数据设 置数 据系数与偏移量 ； ( 5 ) 对 电源 中断 、 系统时钟同步故 障、 网络通信及接 口故 障、 软件运行异常等故障实 时 报警 ； ( 6 ) 在 数 据服 务 器 与 工程 师 站 之 间 同 步数 据等 。 本系统操作平 台采用 Wi n d o w s X P 。需要说明的 是 ， 组态软件不仅可以在 Wi n d o w s 平 台运行 ， 还可 以 根据需要在 U n i x 平台运行。因此该系统支持跨平 台 的主站系统 ， 能够实现混合操作平台， 必要时数据 服 务器和工程师站可 以分别运行在 U n i x与 Wi n d o w s 平 台以满足不同的应用需求。 2测试与结果 2 1 测试 试 验 为了验证上述 由 1对 主控单元与 6台多功能电 力仪表组 网构成 的系统 的应用性能 ， 在实验室模 拟 厂站运行工况进行 了测试试验。 在试验中， 使用两 台交流 电源为六台装置供 电， 两台交 流 电源分别 模拟 两段母 线。其 中图 1中的 C S C 2 1 1 1 、 A 2 0 0 01与 D T S D 3 4 11由一路三相 电源 T C M一1 0 D多电量测试 系统供电； C S C 2 1 12 、 A 2 0 0 02与 D T S D 3 4 12由另外 一 路 三 相 电源 T I M5 0 0供 电 。 2 2 结 果 测试环境配置完成后对该系统进行了基本功能 ( 包括遥测入库 、 遥脉入库 、 报警功能等) 和性能的测 试 。主要测试结果如下 ： ( 1 ) 间隔层各装 置 电压 、 电流 、 功率 、 电能 入库 正确。 ( 2 ) 常见的系统故障( 如连接 中断 、 电源故 障等 ) 报警正确。 ( 3 ) 各 通 道 均 有 正 确 报 文 ， 实 时库 时标 正 常 刷新。 ( 4 ) 精度测试 ： 给多功能 电力仪表输入交 流三相 电流和电压值 ， 在相应 画面观察显示结果并计 算 出 综合误差 ( 按照 D L T 5 1 62 0 0 6定义 ， 这里应为从 三相电源出 口到 画面显示终端 的总误差 ， 以相对误 差表示 ) ( 见表 2 ) 。从表 2中可以看 出， 遥测 的总误 差( 绝对值) 不超过 0 1 。该误差 主要是 由于多 电 量测试系统的基本误差造成的。 表 2 精度测试结果 Ta b 2 Re s u l t s o f a c c u r a c y t e s t ( 5 ) 实时性测试 ： 配合测试人员在就地给多功能 电力仪表加模拟量 ， 在加量 的同时配合测试人 员 叫 开始 ， 当主测人员听到开始声音后启 动秒表 ， 在画面 上看到模拟量正确显示后停止秒表 ， 记 录遥测 量送 至画面的时间( 见表 3 ) 。由表 3可见 ， 遥测量送到主 站 的时间不超过 2秒。 表 3、 实时性测试结果( 遥测至 E C S画面 s ) T a b 3 R e s u l t s o f r e a 1 t i me t e s t ( E C S s ) 3 结束语 介绍了基于总线 的多功能电力仪表组 网技 术， 利用先进的 网络技术对 电力 、 厂 矿企业 的多功能 电 力仪表进行 了组 网， 在此基础上搭建 了统一 的数据 处理平 台。所开发的多功能电力仪表数据处理平 台 通信规约丰富、 功能全面、 模拟量采集精度 和实时性 均满足要求 ， 是一种 网络化 、 开 放式、 可扩展 的实时 电力能源管理系统。该系统实现 了具有不 同通信接 口和通信规约的多功能 电力仪表测量数据 的统一管 理与实时监控。 基于总线的多功能电力仪表组网技术可 以在变 电站、 电厂等厂矿企业推广 ， 这一技术有利于提高电 能管理的信息化 、 自动化 、 互动化水平 。通过构建统 一 的数据处理平台能够对 电力能源系统进行全面和 一 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷 2 0 1 4 生 第 9期 5月 1 0 日 电测与仪表 EI e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r ume n t a t i o n VO I 5l NO 9 M a y 1 0， 2 0 1 4 细致 的监控 ， 为企业科学决策 、 合理高效利用能源提 供了必要 的条件。同时 ， 该数据处理平 台支持在其 基础上的二 次开发， 可 以用作实现企业特殊应用 的 统一开发平台。 参 考 文 献 1 陈倩 茵厂用电监控系统在火电厂 的应用 J 电力 自动化设备 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 3 ) ： 8 58 7 C HE N Qi a n y i n A p p l i c a t i o n o f S u p e r v i s o r y C o n t r o l S y s t e m o f A u x i l i a - r y P o w e r S y s t e m i n P o w e r P l a n t J E l e c t r i c P o w e r A u t o ma t i o n E q u i p me n t ， 2 0 0 5， 2 5 ( 3 ) ： 8 58 7 2 戚建中电厂厂用 电监控系统 E C S通 信技术探讨 J 电力 自动 化设备 ， 2 0 0 7， 2 7 ( 1 )： 1 0 81 l 1 Q I J i a n z h o n g Di s c u s s i o n o n C o mm u n i c a t i o n T e c h n o l o g y o f P o w e r P l a n t E C S J E l e c t r i c P o w e r A u t o ma t i o n E q u i p me n t ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 O 8 一】 1 1 3 刘力军 ，王琳丽电气监控系统 ( E C S ) 在 6 0 0 MW 机组 的实现 与 应用 J 电力系统保护与控制 ， 2 0 0 8， 3 6 ( 1 5 ) ： 6 97 1 L I U L i - j u n ， WA N G L i n l i I m p l e m e n t a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n o f E l e c t ri c C o n t r o l S y s t e m( E C S ) i n 6 0 0 MW U n it s J P o w e r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d C o n t r o l ， 2 0 0 8 ，3 6 ( 1 5 ) ： 6 97 1 4 王慧敏， 刘沪平， 郭伟， 等 发电厂监控和信息管理综合自动化 技术探讨 J 控制工程 ， 2 0 0 6，1 3 ( S 1 )： 8 48 7 W ANG Hu i mi n， L I U Hu - p i n g ， GUO W e i ， e t a 1 I n q u i s i t i o n i n t o Co mp r e h e n s i v e Au t o ma t i c Te c h n o l o gy o f C o n t ml a n d I n f o r ma t i o n Ma n a g e me n t o f P o w e r P l a n t s J C o n t r o l E n g i n e e ri n g o f C h i n a ， 2 0 0 6 ，1 3 ( S 1 ) ： 8 48 7 5 张响亮 ，胡荣强 ， 谭伟平 ， 等 C A N总线 在电气监控 系统 中的应 用 J 湖南工业大学学报 ，2 0 0 9， 2 3 ( 5 ) ： 8 4 8 6 Z HANG Xi a n g - t i a n g，HU Ro n g q i a n g，TAN W e i - p i n g，e t a 1 Ap p l i c a t i o n o f C AN B u s i n E l e c t ri c Mo n i t o r i n g S y s t e m J J o u r n a l o f H u n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 5 )： 8 4 8 6 6 师法 民，吴伟，张克惠 ，等电厂电气监控 系统组 网模 式及其 与 分散控制系统接入方式的研究 J 电网技术 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 6 1 6 5 2 4 一 SHI F a mi n，W U We i ，Z HANG Ke h ui ，e t a 1 S t u d y o n Ne t wo r k i n g Mo d e f o r El e c t ri c a l Co n t r o l S y s t e m o f P o we r P l a n t a n d i t s Co n n e c t i n g M o d e w i t h D i s t ri b u t e d C o n t r o l S y s t e m J P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 6 1 6 5 7 G B 1 9 5 8 2 1 2 0 0 8 ， 基于 M o d b u s 协议 的工业 自动化 网络规 范第 1 部分 ： M o d b u s 应用协议 S 8 D IMT 6 4 5 2 0 0 7 ，多功能电能表通信协议 S 9 张晓江，孙旺林建立发 电厂厂用电监测管理系统 的探讨 和实践 J 低压电器 ， 2 0 0 6，( 2) ： 5 1 5 6 Z HA N G X i a o - j i a n g ， S U N Wa n g l i n D i s c u s s i o n a b o u t S e t t i n g u p Mo n i t o r i n g a n d Ma n a g e me n t S y s t e m f o r El e c t ric a l Au x i l i a r y S y s t e m o f P o w e r P l a n t J L o w V o l t a g e A p p a r a t u s ， 2 0 0 6 ，( 2 ) ： 5 1 5 6 1 O 焦邵华 ， 李娟 ， 李元盛 ，等一种具有 过程控制特征 的 F E C S监 控主站 J 电力系统 自动化 ， 2 0 0 7， 3 1 ( 8 ) ： 8 0 8 4 J I AO S h a o - h u a ，L I J u a n，L I Yu a n s h e n g，e t a 1 De v e l o p me n t o f S C ADA HMI f o r F EC S i n Fu e l P o we r P l a n t wi t h C h a r a c t e ris t i c s o f P r o c e s s C o n t r o l J A u t o ma t i o n o f E l e c t ri c P o w e r S y s t e ms ，2 0 0 7 ， 3 1 ( 8 ) ： 8 08 4 作者简介 ： 张雯( 1 9 8 1 一)， 女 ， 博 士 ， 工 程师 ， 从 事 电力 自动化 研究。 王长瑞( 1 9 7 O 一)， 男 ， 高级工程师 ， 从事 电力系统 自 动化研究 。E ma i l ： w a n g c h a n g r u i n c e p ri c o m c n 收稿 日期 ： 2 0 1 30 91 7； 修 回 E t 期 ： 2 0 1 4 0 11 5 ( 王克祥田春雨编发) 卫 _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m