電力系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

1、電力系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 測控技術(shù)與儀器 0840308234 張臻歡摘要：介紹了監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的功能和運行原理,以及一種基于USB和CAN總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由一個USB-CAN節(jié)點和多個數(shù)據(jù)采集結(jié)點構(gòu)成，采用CAN總線構(gòu)成通信網(wǎng)，以USB總線接口實現(xiàn)主節(jié)點與計算機的通信，數(shù)據(jù)采集結(jié)點完成電力設(shè)備參數(shù)采集，可以通過一臺主機監(jiān)控多個電力設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電力監(jiān)控系統(tǒng)中的電力參數(shù)檢測和總線通信，具有實時性強、可靠性高、抗干擾能力強、容易擴展新節(jié)點等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、功能運行原理、通用串行總線、控制器局域網(wǎng)總線引言：計算機的出現(xiàn)，使監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與

2、使用發(fā)生了巨大的變化。在引入以計算機為基礎(chǔ)的系統(tǒng)前，監(jiān)控系統(tǒng)的功能局限于遠程控制和簡單的狀態(tài)信號顯示。當以計算機為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)后，大容量的數(shù)據(jù)采集和處理才有可能被廣泛地運用，并成為計算機系統(tǒng)的基本功能之一。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量越來越多的受到人們的關(guān)注，對電力監(jiān)控也提出了更高的要求。1監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集的功能1.1數(shù)據(jù)采集周期性地從RTU中采集數(shù)據(jù)是它的基本功能。電力系統(tǒng)中的大多數(shù)系統(tǒng)是以查詢方式采集數(shù)據(jù)，即RTU僅在接收到主站對其請求后，才把數(shù)據(jù)傳送給主站。它有2種可選用的RTU響應(yīng)方式：第一種方式是發(fā)送所需點或點集的實際值或狀態(tài)；另一種方式是僅發(fā)送前一次查詢請求以

3、來狀態(tài)發(fā)生過的變化或數(shù)據(jù)值超過一預(yù)先定義的增量變化范圍的點或點集。后者稱為報告異常事件方式。此方式的主要優(yōu)點是減少了主站處理時間。通信線路中平均負荷也比第一種方式要小。不過，通信線路必須具有足夠的帶寬容量，以適應(yīng)最壞情況，即在電力系統(tǒng)出現(xiàn)大干擾時，大量點的數(shù)據(jù)會發(fā)生快速變化，而此時調(diào)度員卻最需要及時和準確的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程可認為是一些專用及高度相關(guān)子過程的過程集。這些子過程為：a對RTU內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的查尋及快速修改；b主站周期性地對RTU進行查詢；c把主站所需的RTU數(shù)據(jù)傳送給主站；d校核因傳送所引起的數(shù)據(jù)錯誤；e換算數(shù)據(jù)工程單位；f通過寫入來覆蓋數(shù)據(jù)庫中的原有狀態(tài)或數(shù)值。1.2信息顯示信息顯

4、示是有選擇地檢索數(shù)據(jù)庫中固定數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)，并將其組合后提供給運行人員的過程。通常將其顯示在有限的圖形CRT彩色屏幕上。固定數(shù)據(jù)包括發(fā)電廠、變電站接線圖的信息及其它不隨時變化的可顯示信息?？勺償?shù)據(jù)包括二態(tài)或三態(tài)設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)量變化，并可能帶有符號的模擬量。通過名字或標識符來表示的設(shè)備名稱和點的標志常被認為固定值，并被附在變量后面。顯示常常選擇分層的樹結(jié)構(gòu)形式。在此結(jié)構(gòu)中，索引頁面（或者叫菜單）允許運行人員用光標定位技術(shù)（鍵盤、鼠標、跟蹤球或屏幕接觸定位法）來選擇各種信息的顯示。在同一系統(tǒng)中，常常提供多種顯示選擇方法，如專用功能鍵、顯示標識符或名字的鍵盤輸入。專用功能鍵使顯示的時間大為縮短。但由

5、于受空間的限制，因而這種鍵的數(shù)目是有限的。用標識符進行鍵盤選擇，要求運行人員記住及使用相互參照表。也有除CRT之外的其它顯示介質(zhì)。一般有動態(tài)模擬盤，它主要通過燈光的變化來顯示。也有在模擬盤上裝配數(shù)顯來顯示重要的模擬量數(shù)據(jù)。1.3監(jiān)控監(jiān)控是指能操縱遠距離設(shè)備的運行。這個過程包括發(fā)電廠或變電站的選擇、被控設(shè)備的選擇以及執(zhí)行開關(guān)的斷開或閉合。因此需采用選擇確認選擇操作的順序（簡稱為操作前校核）。必須避免未被選中設(shè)備的操作或未發(fā)命令就進行錯誤操作的情況發(fā)生，這是監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中一個重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。為了高度安全，通常采用如圖1所示的“操作前校核”信息順序。1.4報警處理告訴運行人員發(fā)生了異常事件并報

6、告發(fā)生的時間、站號、設(shè)備和事件的實質(zhì)，一般稱為報警處理。它有多種報警處理及表示方式。處理方法的細節(jié)大都被納入監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個功能塊中。最常用的報警處理輸出是按時間先后排列，顯示在CRT報警表、打印機硬復制輸出和語音報警中。運行人員確認報警之后，立即把運行狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到與其相關(guān)的運行位置，進行人工直接干預(yù)。 1.5信息存貯及報告記錄和保存運行過程中的狀態(tài)和數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)運行中的一項重要任務(wù)，通過精確的記錄，用來滿足各種統(tǒng)計要求和對系統(tǒng)未來運行情況及用電規(guī)劃進行預(yù)測。記錄保存一般的實現(xiàn)方法是按一定的周期間隔獲取預(yù)先選定的數(shù)據(jù)集，并把它們保存在一個滾動文件中。存貯周期常被設(shè)定為1 h，但某些

7、特殊情況下則需要更頻繁獲取和保存信息。監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的歷史文件為各種表、報告提供了一個有效數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息源?？稍诒４鏆v史數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上設(shè)置各種報表格式，如日、月、年報表等。1.6事件順序采集事件順序是獲得和記錄異常事件的發(fā)生過程，具有毫秒級事件間隔的時間分辨率。事件一般以離散狀態(tài)（兩態(tài)）出現(xiàn)，如斷路器的斷開或閉合狀態(tài)。獲取記錄異常事件，其時間分辨率與中心主站對RTU進行查詢的周期無關(guān)。當發(fā)生異常事件時，RTU主動向主站發(fā)送告警信號，因此RTU中的精確時間基值或時鐘是事件順序記錄的基礎(chǔ)。在大量分散的RTU中，時間基值的精確同步是事件順序記錄的關(guān)鍵，通常主站定時向各RTU發(fā)送廣播校時命令，

8、以達到與RTU時鐘同步。不同RTU之間事件時間分辨率大約為±10 ms。各RTU將所發(fā)生的異常事件發(fā)送給主站，主站對這些異常事件一起按時間先后排列，隨后打印在一張事件順序記錄表上。1.7數(shù)據(jù)計算在監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要不斷利用所采集的數(shù)據(jù)進行計算，其中包括工程量轉(zhuǎn)換和在給定時間間隔內(nèi)最大或最小值的計算，以及對時間的積分。對大變壓器組進行負荷監(jiān)視，就是一個計算過程實例。大變壓器的最大容量是由它們的最大溫升值來確定，而變壓器的發(fā)熱與MVA負荷有密切的聯(lián)系。與變壓器有關(guān)的最普通的測量為MW和Mvar，而不是它的輸送電流（安培）。監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過下列公式（MVA）2（MW）2（MVA

9、R）2，定期計算MVA，并把它作為實時數(shù)據(jù)與額定值相比較。布爾計算用于離散點或點集，并把計算處理結(jié)果作為一個新的信息。這個過程被稱為“組合過程”，它能確定電力系統(tǒng)中某些部分的特殊狀態(tài)，如斷路器的通斷狀態(tài)等。 2監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本運行原理2.1問答式電力系統(tǒng)監(jiān)控及數(shù)據(jù)的采集大多采用問答（polling）運行方式，主站與各個RTU之間幾乎都是問答式。在通信中，這種方式被稱為需求分配時分多路存取。主站控制所有活動，處于主動位置，定時對RTU進行順序查詢。RTU僅對主站查詢作出響應(yīng)。目前，最普通的2種通信配置方式如圖2所示。其中圖2（a）是用多條2線或4線制電話線從主站向外輻射。這些通信回路均以半

10、雙工方式運行，并且相互獨立，一條回路可專用于單個RTU。但通用且比較經(jīng)濟的方法是在一條公共通信線路上連接幾個RTU支路。這些線路的媒質(zhì)可用電話線路、專用電纜、電力載波。在每條線路上，主站查詢命令以及RTU響應(yīng)回送數(shù)據(jù)采用多路復用技術(shù)。主站以異步方式獨立地為接在主站處的每條線路服務(wù)。每個通道上的信息傳送速率可在3 0009 600 bits范圍內(nèi)。這種通信方式數(shù)據(jù)傳輸率高，連續(xù)傳送的信息量大。采用應(yīng)答方式時，其循環(huán)周期只受各RTU支路響應(yīng)時間的影響，但這種通信方式成本較高。圖2（b）是無線通信方式構(gòu)成的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。無線通信是以民用電臺或數(shù)傳電臺作為通訊工具。國家無線電管理委員規(guī)定超短波段

11、為數(shù)據(jù)傳輸通訊使用頻段，頻率范圍為223460 MHz。由于無線電臺不能長時處于發(fā)射狀態(tài)，因此由無線電臺構(gòu)成的系統(tǒng)主站查詢掃描周期一般選擇間隔為15，30，60 min。用無線組成的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本與用戶供電設(shè)施相對獨立，具有投資少、見效快、維護檢修方便、容易擴充等優(yōu)點。上述由有線、無線通信方式構(gòu)成的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其工作原理是主站以串行方式逐一查詢掃描各RTU，當查詢到某一RTU時，RTU根據(jù)接收到的不同命令及控制要求，加以區(qū)分，并逐個對應(yīng)。對線路斷路器操作的命令總是按選擇校核操作順序以避免錯誤操作。在大型變電站或廠礦能源管理中，分布數(shù)據(jù)采集及控制的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可采用不同的查詢

12、方式。對于地理上相距較近的所有RTU，可以通過一個局域網(wǎng)來相互聯(lián)接，并與主機相連。這樣的配置允許在系統(tǒng)單元或結(jié)點之間的通信有較大靈活性，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的、完全由主站控制下的順序查詢方法。采用局域網(wǎng)連接系統(tǒng)，允許任意2個結(jié)點之間直接交換信息。2.2數(shù)據(jù)采集電力系統(tǒng)運行中的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用于監(jiān)視從變電站傳送來的信息，如母線電壓，線路電壓、電流、有功、無功，變壓器的分接頭位置，線路上的斷路器、隔離開關(guān)及其它設(shè)備狀態(tài)，報警，總有功功率，事件順序等。以上大部分為模擬量輸入，它們均來自強弱轉(zhuǎn)換的二次儀表變送器。常用簡單的二進制“0”，“1”兩種狀態(tài)來表示變壓器分接頭位置和斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)。因為RT

13、U運行在高壓環(huán)境中，必須在設(shè)計中采取相應(yīng)措施，以防止干擾、損壞、數(shù)據(jù)出錯和誤操作。2.3控制輸出在監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，監(jiān)控是調(diào)度運行人中全面調(diào)度的有效手段，由運行人員選擇被控RTU及對操作順序即設(shè)備確認選擇操作的運行。正確選擇和操作是避免人身傷亡和供電安全的保證。控制輸出是RTU接收到主站發(fā)來操作命令后發(fā)出的一高電平信號，該信號是由繼電器瞬間閉合而產(chǎn)生的，與此同時提供起動電源，使斷路器“跳閘”或“合閘”。2.4人機對話現(xiàn)代監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，最有吸引力和挑戰(zhàn)優(yōu)勢的是提供一個有效的并對用戶“友好”的人機接口。這種人機接口不僅由硬件設(shè)備（如CRT、控制臺、模擬屏、打印機及聲音報警）組成，而且還

14、需有支持實現(xiàn)這些工作的程序。所謂“友好”的人機接口，焦點是提供快捷清晰的畫面，操作簡便能使運行人員迅速掌握運行概況。模擬盤（模擬屏）的使用及與CRT顯示器之間的關(guān)系，歷來存在著爭論，主要原因是模擬盤一次性投資費用及經(jīng)常修改所需的費用和精力花費較大。但是，模擬盤可提供一個電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的總的概貌，這些信息在單個CRT顯示器上是難以實現(xiàn)的。所以，模擬盤與CRT之間有互補性。 3采用USB和CAN總線的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中電力參數(shù)的檢測和總線通信是兩個基本而且重要的組成部分。目前電力監(jiān)控裝置中常見的通信方式是RS232和RS485接口。RS232接口是不能直接構(gòu)成實際意義上的通信網(wǎng)絡(luò)，

15、因為它只能是一對一通信，而且通信距離最長只有15m。RS485接口是一種使用較多的通信方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、傳輸距離遠、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、成本低等優(yōu)點。但是RS485接口是單主結(jié)構(gòu)，同一時刻，總線上只能有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)（或命令），所以總線只能用巡回檢測的方式，實時性差。此外，RS485接口的系統(tǒng)故障限制能力差，中繼結(jié)構(gòu)復雜?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（CAN）總線是一種“多主競爭”的總線形式。它廢除傳統(tǒng)的站地主編碼方式，代之以對數(shù)據(jù)信息進行編碼，協(xié)議采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，利用總線結(jié)構(gòu)電纜長度短、布線容易、可靠性高、易于擴充等優(yōu)點；且通信速率高，在距離不超過40cm的條件下通信速率最大可達1Mb/s；利

16、用短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，占用總線時間很短；提供錯誤處理能力，保證數(shù)據(jù)通訊可靠。通用串行總線（USB）是一種快速的、雙向的、同步傳輸?shù)摹⒘畠r的并可以進行熱拔插的串行接口。速度快是USB技術(shù)的突出特點之一。全速USB接口的最高傳輸率可達12Mb/s，比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標準的高速USB接口速率更是達到了480Mb/s。對于廣大的工程設(shè)計人員來說，USB是設(shè)計外設(shè)接口時理想總線。本文以CAN總線構(gòu)成骨干通信網(wǎng)絡(luò)，以USB總線接口實現(xiàn)主節(jié)點與計算機的通信，完成了USB總線和CAN總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換。各個基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集節(jié)點完成電力設(shè)備參數(shù)的采集。這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)中的電力參數(shù)檢測和總線通信。按照以上論述，研制了基于USB和CAN總線的電力監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)樣機，并對該系統(tǒng)中的USB-CAN節(jié)點和各數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行了多次測試，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有如下特點：（1）實時性強。USB總線除了具有易于使用、雙向、可同步傳輸外，還能夠高速、高效完成大量數(shù)據(jù)交換。USB-CAN節(jié)點實現(xiàn)了各數(shù)據(jù)采集節(jié)點與計算機之間的高速通信，提高了系統(tǒng)的實時性；（2）可靠性高。CAN總線具有錯誤處理和檢錯機制，當發(fā)送的信息遭到破壞后，系統(tǒng)會自動重發(fā)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力；（3）傳輸距離遠。CAN總線的直接通信距離可達10km,通信速率最高可達1Mb/s，此時通信距離最長