浅析微机故障录波器通信网络的设计

2019-11-03 09:59:43

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供稿：网友

王黎，孙云莲
武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市 430072

　　摘要：分析了故障录波器中故障信息传输的特点，提出了故障录波器通信网络各部分的通信形式和采用的通信协议，以及故障录波器与电力管理信息系统（MIS）互联采用双网卡设计的解决方案。

　　关键词：故障录波器；电力管理信息系统；双网卡；电力系统

　　1 引言

　　故障录波器是电力监测系统的一种重要设备，已广泛应用于我国各发电厂、变电站，其主要功能是记录电力系统中发生故障（短路）前后的电压、电流波形，以便事后对故障原因进行技术分析，确定故障发生的时刻。进入20世纪90年代以来，随着个人计算机（PC）技术的飞速发展，其在工业控制领域的应用也日益广泛，工业PC机正以其具有可靠的性能、开放的结构、品种繁多的软件平台、优良的性能价格比而受到工业界的重视。同时随着计算机网络技术的发展，使得电力系统中变电站、发电厂之间的信息联网成为可能。通过联网，工作人员在中心调度所就可以快捷、方便地分析各变电站故障录波器所记录的信息。然而要实现信息共享，录波器就必须具有强大的通信能力。本文主要在分析故障录波器通信特点的基础上给出了通信网络所使用的通信形式和通信协议，并最后给出了实现录波器与电力管理信息系统互联所采用的形式。

　　2 故障录波器通信网络的特点和面临的问题

　　电力系统调度自动化构成的计算机网络是记录电网运行的稳态过程，而故障录波器记录的是电网故障时的暂态过程。这就决定了在电网发生故障时，故障录波器必须在几秒钟内采集到大量的数据，例如，以12 bit录波精度计算，记录一典型的单相接地重合闸过程，录波器须在4.2s内采集60kB以上的数据[1]。因此要想将各变电站或发电厂的故障数据远传至调度中心，计算机网络必须是一种远程的、高可靠性的、数据吞吐量大的系统。

　　录波器联网的一个重要特点是“间断性”。只有当电网发生故障时录波器才启动，录波器网络才有大量数据要传输，其余时间均处在闲置状态。然而一旦进入数据传输状态，通信网络就可能被占用几分钟甚至十几分钟的时间。这与电力监控系统是不同的[2]。

　　随着电力系统自动化技术的发展，调度自动化系统发展的方向之一是实现与电力管理信息系统（MIS）的“无缝连接”。故障录波器作为电网暂态过程的监测系统也必须具有向有关部门发布信息的能力。因此如何与MIS连接是故障录波器网络面临的又一问题。

　　3 微机故障录波器通信网络的设计

　　目前，我国电厂、变电站所使用的故障录波器，其通信部分主要包括上下位机之间、上位机与远方调度中心之间的故障数据和控制命令的传输。在不同的设备之间，数据的传输距离以及传输量各不相同，因此应根据具体的传输情况采用不同的通信方式，以提高设备的利用率，节约设备投资，降低通信费用。另外，在现在使用的故障录波器中，下位机通常采用工控机（ipC），主要用来对被监控电流、电压进行不间断的采样，以及在有故障时记录故障信息。由于系统在通常情况下被占用，加上工控机运行速度较慢，所以上位机承担了故障录波器通信的大部分工作。下面介绍录波器通信网络中所采用的通信形式和通信协议，主要包括上、下位机以及与远方调度中心之间的通信。

　　在上下位机之间，由于传输距离较近，且传输的数据量较大，通常采用10/100M网卡及网线直接连接，以保证传输的快速性。其通信协议采用Netware 的数据包通信协议IPX。但IPX协议不是面向连接的协议，因此使得数据传输的可靠性无法得到保证。在一般情况下，IPX协议的可靠性只能达到95%[3]。当下位机采集到故障信息时立即将其封装为IPX协议帧，并将其立即发送给上位机进行处理，上位机在启动时即建立后台接收进程，等待下位机发送数据。为了进一步提高传输的可靠性，则须采用丢包重发机制。通常情况下，下位机记录的故障信息量较大，而IPX通信协议数据包的大小又被限定在576B之内，所以故障文件先被分拆成一系列数据包然后再进行发送。在上位机可设定数据包检测机制，一旦发现错误数据包即可要求下位机重新发送，这样就可以提高向上位机传输数据的可靠性。

　　另外，由于上位机与远方调度中心之间的距离较远，通常可利用电力系统内部微波电话网络采用调制解调器（MODEM）点对点（Point to Point，PPP）协议进行通信。当上位机接收到故障信息并对其进行分析处理后，则将分析结果打包封装为PPP协议帧，并在上位机负担较轻时主动建立与远方调度中心的连接并将故障分析结果发送给远方调度中心以供使用。MODEM通信为面向连接的通信，故可保证数据传输的可靠性。但是现在使用的MODEM，由于传输线路的原因使得其数据传输率被控制在55.6kb/s以内，因此这就成了数据传输的瓶颈。为此，必须对上位机分析过的故障信息文件先进行压缩，然后才能远传至调度中心，以供专业人员和调度人员使用。

　　4 微机故障录波器与电力管理信息系统(MIS)的互联

　　自20世纪80年代中期以来，随着计算机硬件、软件性能的不断发展和提高，电力管理信息系统（MIS）建设作为电力企业达标、创一流的指标，使得电力MIS的建设加速发展。经过十几年的建设，我国电力行业各部门多建立了自己的MIS，但目前的应用大多还局限于代替人工进行数据处理，故障记录还停留在手工记录阶段，这给故障信息的最终记录和综合管理带来极大不便。另外，故障录波器作为电网暂态过程的监测系统，应该将故障信息传送到有关部门。因此故障录波器与电力管理信息系统（MIS）的互联就成为迫切需要解决的问题。

　　由于我国各电厂都有自己的内部局域网，因此可以将故障录波器上位机接入电厂的内部局域网从而实现与电力MIS的互联。互联时可使用常见的局域网网络结构，如IEEE 802.3 以太网、IEEE 802.4令牌总线网以及IEEE 802.5令牌环网。为了提高传输效率，合理分配上位机的系统资源，可以进行双网卡设计，即在上位机内增加一块专门负责与MIS通信的网卡，其类型应与当地网络所采用的网络结构相适应。这样既可以保证上、下位机之间的通信，又可以减轻下位机的负担。其通信协议可以采用目前网络上通用的TCP/IP协议，这样就可以保证传输的稳定性、可靠性和高效性。目前电厂中所使用的MIS大部分为B/S模式体系结构，即浏览器/服务器模式，所有的MIS数据存储在服务器上，各用户通过网络使用通用的浏览器浏览数据，这样对于上位机处理分析过的数据只需要将其传送到整个MIS的服务器上就可以实现数据共享，为电厂内的各部门所使用。当上位机将故障信息处理完后，其既可主动建立与MIS服务器的连接，将故障信息封装为IP数据包传送到服务器上，也可以将信息先保存在当地磁盘上已备将来的MIS用户通过网络查询。对于上位机内的两块网卡，分别采用不同的通信协议，即IPX和TCP/IP协议分别承担不同的通信任务。这样不仅不会产生冲突，而且编制上位机程序也不会有障碍。

　　目前，各故障录波器开发商采用的开发平台是不同的，数据结构也不相同，因此各厂家生产的故障录波器所记录的故障信息其结构也是不相同的。为了便于电力MIS记录，可以在上位机上建立转换模块，将故障信息转换成COMTRADE格式。由于COMTRADE格式为通用的故障信息数据结构，所以经过转换后的故障信息就可以被不同的电力MIS以及大多数的故障分析仪器所识别，使得故障信息具有较好的兼容性。图1为通信网络的结构框图。

　　5 通信网络功能

　　通信网络可实现的功能有： ① 自动接收电网故障录波数据； ② 远方查阅故障数据； ③ 远方整定定值； ④ 远方启动录波； ⑤ 系统远方定时自检； ⑥ 实时设备信息监测等。

　　6 微机故障录波器与电力MIS通信模块软件流程图

　　微机故障录波器与电力MIS通信模块软件流程图如图2所示。

　　7 结论

　　根据微机故障录波器故障数据的传输特点和数据量大小而采用不同的通信形式和通信协议，即上、下位机之间采用网线直连方式使用IPX协议、录波器与远方调度中心利用电力系统内微波电话线路采用MODEM使用PPP协议进行通信、录波器接入MIS内部局域网使用TCP/IP协议将数据传递到MIS服务器，使得故障录波器具有较强的网络通信能力。目前，故障录波器已经成为电力监测系统不可或缺的一部分，现有的孤立录波器必将被具有强大网络通信能力的录波装置所取代。特别是利用先进的计算机技术使电网故障信息系统与电力MIS实现无缝连接以后，经授权的用户可以随时随地浏览故障信息，提高了电力自动化管理的技术水平，实现了故障信息管理的系统化、规范化。

　　参考文献

　　[1] 梁合庆．变电站综合自动化中的故障录波装置[A]．变电站综合自动化研讨会论文集[C]．南京：电力自动化研究院，1995，201-202．

　　[2] 盛寿麟．电力系统远程监控原理[M]．北京：中国电力出版社，1993．

　　[3] 陈坚．通信编程技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，1998．

　　
摘自《电网技术》

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