基于rs-500總線的電力高壓監(jiān)控系統(tǒng)

0現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集慢濟(jì)鋼集團(tuán)電力高壓系統(tǒng)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，但通過(guò)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(chǎng)收集現(xiàn)場(chǎng)的rs-485系列微型計(jì)算機(jī)保護(hù)設(shè)備。系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)，不利于整個(gè)工具設(shè)計(jì)體系的監(jiān)控和規(guī)劃管理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值。1自動(dòng)化系統(tǒng)通信變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是由多臺(tái)微機(jī)組成的分層分布式控制系統(tǒng),包括微機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)、電能質(zhì)量自動(dòng)控制等多個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)又由多個(gè)智能模塊組成,例如在微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)中,有變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)、各種線路保護(hù)等。因此,在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部,必須通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信實(shí)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(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù),廠區(qū)110、35、10、6kV高壓系統(tǒng)內(nèi)微機(jī)保護(hù)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(shí),同一時(shí)刻只能有1個(gè)節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)(即可占用總線發(fā)送數(shù)據(jù)),如果有2個(gè)或2個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù),那么會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送失敗,因此如何實(shí)現(xiàn)多主節(jié)點(diǎn)對(duì)底層保護(hù)設(shè)備的訪問(wèn)是項(xiàng)目要解決的一大難題。1.1加主機(jī)的i/o已啟動(dòng)如圖1所示,某降壓變電站用2臺(tái)主機(jī)實(shí)現(xiàn)原始的雙機(jī)監(jiān)控方案,2臺(tái)主機(jī)都可以作為獨(dú)立的工作站對(duì)底層的保護(hù)進(jìn)行監(jiān)控。但這種用程序來(lái)解決主從機(jī)切換問(wèn)題受到許多限制:2臺(tái)主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、同一保護(hù)設(shè)備在接口表中的配置、設(shè)備對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽名、寄存器地址都要一致。這種雙機(jī)熱備,主機(jī)與從機(jī)的I/O驅(qū)動(dòng)程序都啟動(dòng)了,只是從機(jī)不從自身的I/O驅(qū)動(dòng)程序采集數(shù)據(jù),不能保證啟動(dòng)后的從機(jī)I/O驅(qū)動(dòng)程序不對(duì)RS-485總線設(shè)備進(jìn)行通信訪問(wèn)。實(shí)際上這種方式不是真正意義上的雙機(jī)切換模式,只能是一臺(tái)當(dāng)機(jī)后另一臺(tái)可以對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行寫操作。最終還是要通過(guò)串口采集卡來(lái)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(jī)主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)故障時(shí)改進(jìn)后的RS-485總線設(shè)備雙機(jī)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(gè)小交換機(jī)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(tái)主機(jī)、1臺(tái)從機(jī),如圖2所示。通常情況下由主機(jī)的串口采集卡與下層的保護(hù)設(shè)備進(jìn)行通信,從機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP)實(shí)時(shí)監(jiān)視主機(jī)狀態(tài),并從主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取所需數(shù)據(jù),不啟動(dòng)自身的I/O驅(qū)動(dòng)程序;一旦從機(jī)發(fā)現(xiàn)主機(jī)停止響應(yīng),便接管控制,啟動(dòng)自身的I/O驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。故障主機(jī)重啟后,查詢從機(jī)的狀態(tài),完成與從機(jī)信息同步后,從機(jī)停止控制工作,將控制權(quán)還給主機(jī)。從理論上看,這種方法是可行的,2臺(tái)上位機(jī)只有1臺(tái)I/O驅(qū)動(dòng)程序?qū)S-485總線設(shè)備進(jìn)行通信訪問(wèn),是一種單主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。但這種方法有以下不足:(1)2臺(tái)上位機(jī)必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互通信,網(wǎng)絡(luò)通信的中斷將導(dǎo)致2臺(tái)上位機(jī)都成為主機(jī),從而同時(shí)訪問(wèn)RS-485總線設(shè)備,使系統(tǒng)癱瘓。(2)主機(jī)故障排除后,要重新接管控制,而此時(shí)從機(jī)的I/O驅(qū)動(dòng)程序已啟動(dòng),退出是困難的。(3)當(dāng)主機(jī)的串口卡出現(xiàn)異常時(shí),從機(jī)不能判斷主機(jī)的串口卡是否工作正常,因而也就失去了雙機(jī)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上用當(dāng)前的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備時(shí),主從機(jī)的I/O驅(qū)動(dòng)程序都啟動(dòng)了,只是從機(jī)不從自身的I/O驅(qū)動(dòng)程序采集數(shù)據(jù),不能保證啟動(dòng)后的I/O驅(qū)動(dòng)程序不對(duì)RS-485總線設(shè)備進(jìn)行通信訪問(wèn)。1.3采集系統(tǒng)及平臺(tái)鑒于以上兩種方案的局限性,提出主從服務(wù)器上位機(jī)架構(gòu)方案。本方案中,采集設(shè)備為主從通信管理機(jī),通過(guò)電力系統(tǒng)IEC104協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳及遙控功能,同時(shí)增加GPS全網(wǎng)對(duì)時(shí)功能,以保證全網(wǎng)數(shù)據(jù)及信息的準(zhǔn)確性。多后臺(tái)/雙通信管理機(jī)監(jiān)控方案如圖3所示。2遙信和遙感通信經(jīng)過(guò)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(jī)規(guī)約轉(zhuǎn)換程序,制定了最優(yōu)的可實(shí)施方案。圖4為實(shí)際廠站/電力調(diào)度組網(wǎng)實(shí)施方案,底層保護(hù)設(shè)備接入通信管理機(jī)的串口,上層通過(guò)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(shí)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(dòng)化系統(tǒng)到控制中心的唯一的通信協(xié)議。主程序設(shè)計(jì)采用在通信管理機(jī)內(nèi)建MontaVista嵌入式Linux2.4.18系統(tǒng)的方法,同時(shí)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(hù)單元進(jìn)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(wèn)每個(gè)高壓微機(jī)保護(hù)單元的遙信、遙測(cè)、SOE事件、故障錄波等數(shù)據(jù),同時(shí)解析處理保護(hù)返回的數(shù)據(jù),并按照IEC60870-5-104的幀格式進(jìn)行打包,定時(shí)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(tái)系統(tǒng)采用IEC60870-5-104協(xié)議的接口程序,接收通信管理機(jī)主動(dòng)上傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理,實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)功能。由于保護(hù)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(shí)間,正常情況下管理機(jī)只主動(dòng)上傳SOE和遙測(cè)數(shù)據(jù),保證SOE、遙測(cè)的響應(yīng)時(shí)間,后臺(tái)系統(tǒng)啟用IEC104的總召喚功能,定時(shí)召喚管理機(jī)中的遙信數(shù)據(jù)。這樣就減少了正常運(yùn)行時(shí)IEC104報(bào)文種類的數(shù)量,提高了SOE、遙測(cè)發(fā)送的頻率,加快了系統(tǒng)對(duì)遙測(cè)、SOE事件的響應(yīng)速度,同時(shí)為了保證后臺(tái)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(jī)平時(shí)不主動(dòng)上傳遙信數(shù)據(jù),但有遙信變位發(fā)生時(shí),后臺(tái)系統(tǒng)接收到相應(yīng)的SOE事件后就會(huì)進(jìn)行SOE的報(bào)警處理,同時(shí)更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)畫面,以保證系統(tǒng)對(duì)遙信、遙測(cè)、SOE事件的響應(yīng)速度。對(duì)于后臺(tái)發(fā)送的遙控命令,管理機(jī)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(duì)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(shí)不影響其它功能的正常發(fā)揮。有故障出現(xiàn)時(shí),管理機(jī)將自動(dòng)讀取故障裝置波形文件,并將數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)系統(tǒng)。圖5為通信管理機(jī)主程序流程圖,圖6為底層保護(hù)單元Modbus通信協(xié)議程序流程圖,圖7為IEC104從站程序。3雙機(jī)變換技術(shù)的開發(fā)3.1基于管理機(jī)的主機(jī)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(jī)冗余結(jié)構(gòu),負(fù)責(zé)四遙功能的通信管理機(jī)均配置冗余。底層保護(hù)設(shè)備采用Modbus協(xié)議,而該協(xié)議限制2臺(tái)管理機(jī)同時(shí)訪問(wèn)保護(hù),因此將2套管理機(jī)分為主從機(jī)。正常情況下,2套管理機(jī)同時(shí)運(yùn)行,主機(jī)負(fù)責(zé)主要的通信任務(wù),從機(jī)處于監(jiān)聽狀態(tài);當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),從機(jī)由監(jiān)聽狀態(tài)轉(zhuǎn)為主動(dòng)發(fā)送狀態(tài),負(fù)責(zé)系統(tǒng)通信任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換,保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。3.2自動(dòng)切換系統(tǒng)RS-485通道及管理機(jī)端口故障,系統(tǒng)能根據(jù)其狀況對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行獨(dú)立切換;管理機(jī)故障自動(dòng)切換;管理機(jī)內(nèi)部程序錯(cuò)誤,系統(tǒng)死機(jī)時(shí),自動(dòng)切換到從機(jī);管理機(jī)掉電自動(dòng)切換。3.3從機(jī)中心端的控制板發(fā)送數(shù)據(jù)雙機(jī)切換多采用握手機(jī)制,整機(jī)切換。本系統(tǒng)采用新的切換原理,不通過(guò)定時(shí)的握手來(lái)判斷切換,而是通過(guò)監(jiān)視數(shù)據(jù)流情況來(lái)判斷切換條件,即系統(tǒng)正常時(shí),只有主機(jī)工作,從機(jī)在線監(jiān)聽;切換條件滿足時(shí),從機(jī)開始工作。當(dāng)主機(jī)RS-485通道或管理機(jī)端口發(fā)生故障時(shí),在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)通過(guò)該端口的數(shù)據(jù)流將會(huì)出現(xiàn)異?；驔](méi)有數(shù)據(jù)通過(guò),此時(shí)處于監(jiān)聽狀態(tài)的從機(jī)該端口數(shù)據(jù)流也會(huì)出現(xiàn)異?；驘o(wú)數(shù)據(jù),從機(jī)判斷后,通過(guò)網(wǎng)口向主機(jī)發(fā)送消息,請(qǐng)求該端口主動(dòng)向RS-485通道發(fā)送數(shù)據(jù);主機(jī)端口接到該握手信號(hào)后,自動(dòng)關(guān)閉該端口,發(fā)送同意從機(jī)該端口工作的消息;從機(jī)接到后,立刻啟動(dòng)該端口。這種情況下切換的時(shí)間主要取決于設(shè)定的數(shù)據(jù)流監(jiān)視時(shí)間,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)切換時(shí)間短于50s的要求。管理機(jī)內(nèi)部發(fā)生故障或者掉電時(shí),管理機(jī)所有的RS-485通道都關(guān)閉,從機(jī)監(jiān)視各端口數(shù)據(jù)流出現(xiàn)的問(wèn)題,同時(shí)向主機(jī)發(fā)送每個(gè)端口的切換消息。由于主機(jī)故障或掉電,無(wú)法響應(yīng)從機(jī)請(qǐng)求,因此從機(jī)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)收到返回消息時(shí),主機(jī)立即開放各端口,擔(dān)負(fù)整個(gè)系統(tǒng)的通信任務(wù),切換時(shí)間基本與上述的相同。3.4本機(jī)的主理機(jī)口網(wǎng)口介紹為保證切換過(guò)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(tái),對(duì)切換的原理進(jìn)行了完善。當(dāng)2臺(tái)管理機(jī)正常運(yùn)行時(shí),兩者間有數(shù)據(jù)同步功能,所有的數(shù)據(jù)都同步通過(guò)固定網(wǎng)口,該網(wǎng)口以直連的形式工作,能保證2臺(tái)管理機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)一致。當(dāng)主管理機(jī)出現(xiàn)故障、掉電或通道發(fā)生故障時(shí),故障管理機(jī)內(nèi)的程序會(huì)終止各通信口和相應(yīng)端口的發(fā)送任務(wù),此時(shí)若有新的事件產(chǎn)生,保護(hù)內(nèi)的事件交換區(qū)內(nèi)計(jì)數(shù)增加。切換時(shí),主機(jī)無(wú)法和保護(hù)通信,事件無(wú)法讀取,保存在管理機(jī)中的事件標(biāo)識(shí)不會(huì)改變。切換完成后,從機(jī)訪問(wèn)保護(hù),若發(fā)現(xiàn)事件標(biāo)識(shí)不一致,就知道有新事件產(chǎn)生;于是讀取該事件,同時(shí)發(fā)送SOE及遙信