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絡連接的多微機系統(tǒng)，構成保護、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雜，對其保護監(jiān)控的要求逐漸提高。但由于串行網絡機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，網絡的傳輸效率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。為提高計算機網絡的綜合功能，可采用提高機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“并行網絡”。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，網絡功能越強。
1　基本監(jiān)控單元結構及工作方式
　　并行網絡系統(tǒng)結構見圖1。

圖1　系統(tǒng)結構

　　該系統(tǒng)為主從式，設一個主機、工作站及許多分機（PC）。主機管理網絡、協(xié)調各PC機工作，各分機擔負專門任務。分機通過并行接口卡與網絡連接，只要適當改變接口卡，不同總線形式的微機均可聯(lián)網，因而實用機型廣。控制各接口卡的工作方式，就可控制信息的流向，這樣各機可以獨自同時工作，又可以通過總線交換信息。
　　并行總線主要分為雙向數(shù)據線、信號線和控制線。雙向數(shù)據線分時復用傳送網絡地址及數(shù)據，有8位、16位、32位等?？刂凭€控制各微機信息流通時刻及流向，信號線指明雙向數(shù)據總線上傳遞的是數(shù)據還是地址，以及各接口處于發(fā)送、接收或停機等工作狀態(tài)。
　　并行通信網絡具有如下特點：
　　(1)數(shù)據存取采用中斷查詢方式，速率高。
　　(2)網絡使用權由主機控制，它根據需要任命任一PC為數(shù)據發(fā)送者或其他任何PC機為接收者，每次數(shù)據傳送分三個階段：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，接收者接收數(shù)據；③撤除階段，把總線使用權交還給主機。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備好，不發(fā)送信息；任一接收者未接收完數(shù)據，數(shù)據不撤除，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)據與地址線分時復用，網絡尋址由指令完成，尋址迅速。
　　(6)差錯控制簡便。數(shù)據鏈路層不設差錯檢測，為保證可靠性，可在通信協(xié)議的高層，設差錯控制。如在發(fā)送方數(shù)據塊的最后一個字節(jié)發(fā)送數(shù)據累加和作為檢驗碼，接收方作同樣運算，與發(fā)送方數(shù)據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，最高傳送速率可達1 Mbps。
　　由上述可知，并行網絡比串行網具有通信速度快，傳送數(shù)據可靠，通信方式靈活，擴址方便等優(yōu)點，缺點是結構復雜。PC機間網絡距離近，可采用高速電纜連接。若距離較遠，可采用光纖通過led="" target="_blank" www.epdoc.cn="">led/' target='_blank'>光電互連技術，構成遠程并行網絡。
2　電力系統(tǒng)基本生產單元的二次系統(tǒng)基本內容
　　（1） 自控、調度的基本要求是收集全網的各種參數(shù)，對電力系統(tǒng)直接控制，或為運行人員提供決策依據，達到期望的最優(yōu)運行狀態(tài)，以減少設備事故及事故影響范圍?；緝热莅ǎ?br /> 　　系統(tǒng)調度自動化通常包括數(shù)據采集和實時監(jiān)控功能的SCADA系統(tǒng)，及安全分析、調度管理和計劃協(xié)調的綜合系統(tǒng)——能源管理系統(tǒng)EMS；
　　火電廠自動化主要包括安全監(jiān)控、正常調節(jié)、機組起停、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濟調度及自動控制等；
　　配電網自動控制主要功能是對配電網進行監(jiān)控。
　?。?） 電力系統(tǒng)繼電保護主要包括電力線路、發(fā)電機、變壓器母線、電容器及電動機等基本元件的保護。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，以進行保護。
　?。?） 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)、實時仿真培訓系統(tǒng)、生產管理系統(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)據采集”功能的基本單元。如果采用并行計算機網絡，將其采集的實時數(shù)據，同時分別送到不同功能的上位機，進行不同處理，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，所以計算機監(jiān)控系統(tǒng)功能趨向綜合化發(fā)展。假設變電站的占地面積大、設備分散，可采用分散式結構，且分散組屏以節(jié)約電纜(如圖2)。若變電站設備較集中，如圖3所示，

圖2　分布分散式自動化系統(tǒng)結構圖

圖3　分布式結構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)據采集及處理、控制操作、在線自診斷；與保護裝置通信、數(shù)據顯示、正常及事故打印。
　　(2)保護功能包括變壓器、母線、電容器等元件保護，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度中心之間通信，實時仿真培訓，對開關室、變壓器等重要部位的工業(yè)電視信號構成多媒體監(jiān)控系統(tǒng)等。
　　對于規(guī)模較小的變電站，可用最小的并行網絡系統(tǒng)，由主機一臺、采集前置機一臺或兩臺構成。主機管理全站運行，兼有全廠監(jiān)控、保護、通信調度、顯示打印等多種功能。
4　大型水電廠綜合監(jiān)控系統(tǒng)
　　水電廠生產過程比變電站復雜，被監(jiān)控對象除變壓器、油開關、輸電線外，還有發(fā)電廠、水輪機、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)復雜。大型水輪發(fā)電機組可按臺設電量監(jiān)控采集、繼電保護采集、非電量采集前置機；大型水電站可按功能設置PC機，如設全廠監(jiān)控主機、工作站，執(zhí)行自動發(fā)電及經濟運行、繼電保護、事件記錄、故障錄波、事故分析、水庫調度的PC，連接工業(yè)電視系統(tǒng)的圖象、聲響監(jiān)控PC機，實時仿真培訓PC機等。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（或開關站）相距較遠，因而在開關站設監(jiān)控PC機。它與主系統(tǒng)之間可通過光纜，用光電并行網絡連接，其結構如圖4所示。信號交換原理如下：廠房并行總線邏輯信號，經廠房端光電、電光轉換控制器后，轉為光信號，經光纜傳至開關站端光電、電光轉換控制器轉換為電邏輯信號，經總線送至變電站監(jiān)控PC機。反之亦然。

圖4　光電并行網絡示意圖

5　結論
　　并行通信網絡比串行網絡速度快、可靠性高，應用于電力系統(tǒng)中，可增加其實時性。盡管并行網絡目前比串行網絡結構復雜，安裝不便，價格高，但隨著技術進步將會得到改善。如能將監(jiān)控、保護、通信調度、管理、仿真、圖像音響等連接成為綜合能力強的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)，則其性能價格比更高。因此，微機并行網絡作為監(jiān)控單元應用于電力系統(tǒng)，具有很好的研究應用前景。

參考文獻

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