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(cè)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(yùn)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(gè)USB-CAN節(jié)點(diǎn)和多個(gè)數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)構(gòu)成，采用CAN總線構(gòu)成通信網(wǎng)，以USB總線接口實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的通信，數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)完成電力設(shè)備參數(shù)采集，可以通過(guò)一臺(tái)主機(jī)監(jiān)控多個(gè)電力設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力監(jiān)控系統(tǒng)中的電力參數(shù)檢測(cè)和總線通信，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、容易擴(kuò)展新節(jié)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、功能運(yùn)行原理、通用串行總線、控制器局域網(wǎng)總線引言：計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與

2、使用發(fā)生了巨大的變化。在引入以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)前，監(jiān)控系統(tǒng)的功能局限于遠(yuǎn)程控制和簡(jiǎn)單的狀態(tài)信號(hào)顯示。當(dāng)以計(jì)算機(jī)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(yùn)用，并成為計(jì)算機(jī)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(lái)越多的受到人們的關(guān)注，對(duì)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(duì)其請(qǐng)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(diǎn)或點(diǎn)集的實(shí)際值或狀態(tài)；另一種方式是僅發(fā)送前一次查詢請(qǐng)求以

3、來(lái)狀態(tài)發(fā)生過(guò)的變化或數(shù)據(jù)值超過(guò)一預(yù)先定義的增量變化范圍的點(diǎn)或點(diǎn)集。后者稱為報(bào)告異常事件方式。此方式的主要優(yōu)點(diǎn)是減少了主站處理時(shí)間。通信線路中平均負(fù)荷也比第一種方式要小。不過(guò)，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(shí)，大量點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生快速變化，而此時(shí)調(diào)度員卻最需要及時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程可認(rèn)為是一些專用及高度相關(guān)子過(guò)程的過(guò)程集。這些子過(guò)程為：a對(duì)RTU內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)的查尋及快速修改；b主站周期性地對(duì)RTU進(jìn)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(cuò)誤；e換算數(shù)據(jù)工程單位；f通過(guò)寫(xiě)入來(lái)覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中固定數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其組合后提供給運(yùn)行人員的過(guò)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(shí)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(hào)的模擬量。通過(guò)名字或標(biāo)識(shí)符來(lái)表示的設(shè)備名稱和點(diǎn)的標(biāo)志常被認(rèn)為固定值，并被附在變量后面。顯示常常選擇分層的樹(shù)結(jié)構(gòu)形式。在此結(jié)構(gòu)中，索引頁(yè)面（或者叫菜單）允許運(yùn)行人員用光標(biāo)定位技術(shù)（鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、跟蹤球或屏幕接觸定位法）來(lái)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(biāo)識(shí)符或名字的鍵盤(pán)輸入。專用功能鍵使顯示的時(shí)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(biāo)識(shí)符進(jìn)行鍵盤(pán)選擇，要求運(yùn)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(dòng)態(tài)模擬盤(pán)，它主要通過(guò)燈光的變化來(lái)顯示。也有在模擬盤(pán)上裝配數(shù)顯來(lái)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(yuǎn)距離設(shè)備的運(yùn)行。這個(gè)過(guò)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(kāi)關(guān)的斷開(kāi)或閉合。因此需采用選擇確認(rèn)選擇操作的順序（簡(jiǎn)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(jìn)行錯(cuò)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(gè)重要的設(shè)計(jì)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(bào)警處理告訴運(yùn)行人員發(fā)生了異常事件并報(bào)

6、告發(fā)生的時(shí)間、站號(hào)、設(shè)備和事件的實(shí)質(zhì)，一般稱為報(bào)警處理。它有多種報(bào)警處理及表示方式。處理方法的細(xì)節(jié)大都被納入監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個(gè)功能塊中。最常用的報(bào)警處理輸出是按時(shí)間先后排列，顯示在CRT報(bào)警表、打印機(jī)硬復(fù)制輸出和語(yǔ)音報(bào)警中。運(yùn)行人員確認(rèn)報(bào)警之后，立即把運(yùn)行狀態(tài)直接轉(zhuǎn)到與其相關(guān)的運(yùn)行位置，進(jìn)行人工直接干預(yù)。 1.5信息存貯及報(bào)告記錄和保存運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)和數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的一項(xiàng)重要任務(wù)，通過(guò)精確的記錄，用來(lái)滿足各種統(tǒng)計(jì)要求和對(duì)系統(tǒng)未來(lái)運(yùn)行情況及用電規(guī)劃進(jìn)行預(yù)測(cè)。記錄保存一般的實(shí)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(gè)滾動(dòng)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(bào)告提供了一個(gè)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(bào)表格式，如日、月、年報(bào)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(guò)程，具有毫秒級(jí)事件間隔的時(shí)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(kāi)或閉合狀態(tài)。獲取記錄異常事件，其時(shí)間分辨率與中心主站對(duì)RTU進(jìn)行查詢的周期無(wú)關(guān)。當(dāng)發(fā)生異常事件時(shí)，RTU主動(dòng)向主站發(fā)送告警信號(hào)，因此RTU中的精確時(shí)間基值或時(shí)鐘是事件順序記錄的基礎(chǔ)。在大量分散的RTU中，時(shí)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(shí)向各RTU發(fā)送廣播校時(shí)命令，

8、以達(dá)到與RTU時(shí)鐘同步。不同RTU之間事件時(shí)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(duì)這些異常事件一起按時(shí)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(jì)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(jìn)行計(jì)算，其中包括工程量轉(zhuǎn)換和在給定時(shí)間間隔內(nèi)最大或最小值的計(jì)算，以及對(duì)時(shí)間的積分。對(duì)大變壓器組進(jìn)行負(fù)荷監(jiān)視，就是一個(gè)計(jì)算過(guò)程實(shí)例。大變壓器的最大容量是由它們的最大溫升值來(lái)確定，而變壓器的發(fā)熱與MVA負(fù)荷有密切的聯(lián)系。與變壓器有關(guān)的最普通的測(cè)量為MW和Mvar，而不是它的輸送電流（安培）。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)下列公式（MVA）2（MW）2（MVA

9、R）2，定期計(jì)算MVA，并把它作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與額定值相比較。布爾計(jì)算用于離散點(diǎn)或點(diǎn)集，并把計(jì)算處理結(jié)果作為一個(gè)新的信息。這個(gè)過(guò)程被稱為“組合過(guò)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(yùn)行原理2.1問(wèn)答式電力系統(tǒng)監(jiān)控及數(shù)據(jù)的采集大多采用問(wèn)答（polling）運(yùn)行方式，主站與各個(gè)RTU之間幾乎都是問(wèn)答式。在通信中，這種方式被稱為需求分配時(shí)分多路存取。主站控制所有活動(dòng)，處于主動(dòng)位置，定時(shí)對(duì)RTU進(jìn)行順序查詢。RTU僅對(duì)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(yùn)行，并且相互獨(dú)立，一條回路可專用于單個(gè)RTU。但通用且比較經(jīng)濟(jì)的方法是在一條公共通信線路上連接幾個(gè)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(fù)用技術(shù)。主站以異步方式獨(dú)立地為接在主站處的每條線路服務(wù)。每個(gè)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(shí)，其循環(huán)周期只受各RTU支路響應(yīng)時(shí)間的影響，但這種通信方式成本較高。圖2（b）是無(wú)線通信方式構(gòu)成的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。無(wú)線通信是以民用電臺(tái)或數(shù)傳電臺(tái)作為通訊工具。國(guó)家無(wú)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(wú)線電臺(tái)不能長(zhǎng)時(shí)處于發(fā)射狀態(tài)，因此由無(wú)線電臺(tái)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(wú)線組成的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本與用戶供電設(shè)施相對(duì)獨(dú)立，具有投資少、見(jiàn)效快、維護(hù)檢修方便、容易擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。上述由有線、無(wú)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(dāng)查詢到某一RTU時(shí)，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(gè)對(duì)應(yīng)。對(duì)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(cuò)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?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可采用不同的查詢

12、方式。對(duì)于地理上相距較近的所有RTU，可以通過(guò)一個(gè)局域網(wǎng)來(lái)相互聯(lián)接，并與主機(jī)相連。這樣的配置允許在系統(tǒng)單元或結(jié)點(diǎn)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(gè)結(jié)點(diǎn)之間直接交換信息。2.2數(shù)據(jù)采集電力系統(tǒng)運(yùn)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(lái)的信息，如母線電壓，線路電壓、電流、有功、無(wú)功，變壓器的分接頭位置，線路上的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)及其它設(shè)備狀態(tài)，報(bào)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(lái)自強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換的二次儀表變送器。常用簡(jiǎn)單的二進(jìn)制“0”，“1”兩種狀態(tài)來(lái)表示變壓器分接頭位置和斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。因?yàn)镽T

13、U運(yùn)行在高壓環(huán)境中，必須在設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施，以防止干擾、損壞、數(shù)據(jù)出錯(cuò)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(yùn)行人中全面調(diào)度的有效手段，由運(yùn)行人員選擇被控RTU及對(duì)操作順序即設(shè)備確認(rèn)選擇操作的運(yùn)行。正確選擇和操作是避免人身傷亡和供電安全的保證?？刂戚敵鍪荝TU接收到主站發(fā)來(lái)操作命令后發(fā)出的一高電平信號(hào)，該信號(hào)是由繼電器瞬間閉合而產(chǎn)生的，與此同時(shí)提供起動(dòng)電源，使斷路器“跳閘”或“合閘”。2.4人機(jī)對(duì)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(shì)的是提供一個(gè)有效的并對(duì)用戶“友好”的人機(jī)接口。這種人機(jī)接口不僅由硬件設(shè)備（如CRT、控制臺(tái)、模擬屏、打印機(jī)及聲音報(bào)警）組成，而且還

14、需有支持實(shí)現(xiàn)這些工作的程序。所謂“友好”的人機(jī)接口，焦點(diǎn)是提供快捷清晰的畫(huà)面，操作簡(jiǎn)便能使運(yùn)行人員迅速掌握運(yùn)行概況。模擬盤(pán)（模擬屏）的使用及與CRT顯示器之間的關(guān)系，歷來(lái)存在著爭(zhēng)論，主要原因是模擬盤(pán)一次性投資費(fèi)用及經(jīng)常修改所需的費(fèi)用和精力花費(fèi)較大。但是，模擬盤(pán)可提供一個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的總的概貌，這些信息在單個(gè)CRT顯示器上是難以實(shí)現(xiàn)的。所以，模擬盤(pán)與CRT之間有互補(bǔ)性。 3采用USB和CAN總線的電力監(jiān)控?cái)?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(cè)和總線通信是兩個(gè)基本而且重要的組成部分。目前電力監(jiān)控裝置中常見(jiàn)的通信方式是RS232和RS485接口。RS232接口是不能直接構(gòu)成實(shí)際意義上的通信網(wǎng)絡(luò)，

15、因?yàn)樗荒苁且粚?duì)一通信，而且通信距離最長(zhǎng)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(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是RS485接口是單主結(jié)構(gòu)，同一時(shí)刻，總線上只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)（或命令），所以總線只能用巡回檢測(cè)的方式，實(shí)時(shí)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(fù)雜。控制器局域網(wǎng)（CAN）總線是一種“多主競(jìng)爭(zhēng)”的總線形式。它廢除傳統(tǒng)的站地主編碼方式，代之以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼，協(xié)議采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用總線結(jié)構(gòu)電纜長(zhǎng)度短、布線容易、可靠性高、易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)；且通信速率高，在距離不超過(guò)40cm的條件下通信速率最大可達(dá)1Mb/s；利

16、用短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，占用總線時(shí)間很短；提供錯(cuò)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)?、廉價(jià)的并可以進(jìn)行熱拔插的串行接口。速度快是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一。全速USB接口的最高傳輸率可達(dá)12Mb/s，比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的高速USB接口速率更是達(dá)到了480Mb/s。對(duì)于廣大的工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，USB是設(shè)計(jì)外設(shè)接口時(shí)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(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的通信，完成了USB總線和CAN總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換。各個(gè)基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)完成電力設(shè)備參數(shù)的采集。這個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)中的電力參數(shù)檢測(cè)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?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)樣機(jī)，并對(duì)該系統(tǒng)中的USB-CAN節(jié)點(diǎn)和各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）實(shí)時(shí)性強(qiáng)。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(diǎn)實(shí)現(xiàn)了各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)之間的高速通信，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；（2）可靠性高。CAN總線具有錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，當(dāng)發(fā)送的信息遭到破壞后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(yuǎn)。CAN總線的直接通信距離可達(dá)10km,通信速率最高可達(dá)1Mb/s，此時(shí)通信距離最長(zhǎng)