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總有那么一些是你不知道的電力系統(tǒng)知識
1針對于計算機(jī)技術(shù)
計算機(jī)技術(shù)這幾年一直按摩爾（Moore）定律發(fā)展：處理器運(yùn)算速度平均每1.48年翻一翻?，F(xiàn)在高端服務(wù)器的運(yùn)算速度已達(dá)每秒十億條指令，內(nèi)存已達(dá)若干吉字節(jié)(GB)，是10年前的上千倍。原來用于巨型機(jī)、大型機(jī)的技術(shù)已下移至服務(wù)器甚至個人計算機(jī)。精簡指令計算機(jī)（RISC）繼續(xù)飛速發(fā)展，超流水線結(jié)構(gòu)的MIPSR4000，超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的SUNSuperSparc，超標(biāo)量、超流水線結(jié)構(gòu)的DECAlpha，雙流水線超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的IntelPentium，等等，技術(shù)上各具特色，市場上各領(lǐng)風(fēng)騷。64位CPU和多處理器體系結(jié)構(gòu)已在服務(wù)器領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。
計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展對電力系統(tǒng)計算產(chǎn)生深刻的影響，原來需要巨型機(jī)或大型機(jī)的電力系統(tǒng)計算，現(xiàn)在用臺式機(jī)就可完成；原來用于離線計算的方法，現(xiàn)可移植于在線計算，甚至實時計算。
2針對于操作系統(tǒng)
第三代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的開放性主要依賴于UNIX操作系統(tǒng)的開放性。10年來，UNIX操作系統(tǒng)在微內(nèi)核、實時處理、對稱多道處理（SMP）、多線程支持、POSIX支持、系統(tǒng)管理的圖形化、容錯處理、安全可靠性等方面都取得了長足的進(jìn)展。盡管WindowsNT僅運(yùn)行在Intel和Alpha芯片平臺上，然而NT的發(fā)展與成熟的確對UNIX世界構(gòu)成了威脅，但目前NT版本還不支持多用戶及POSIX接口，且易受病毒的侵襲，后續(xù)版本會逐步改善。NT的技術(shù)性能正在漸漸趕上UNIX，但NT的獨(dú)家壟斷特性卻與UNIX的開放性相距越來越遠(yuǎn)，尤其是Linux流行以來。Linux是現(xiàn)年28歲的芬蘭赫爾辛基大學(xué)的LinusTorvalds于1991年在讀大學(xué)時自己編寫的一種可以自由使用的UNIX操作系統(tǒng)，其源碼放在Internet上，吸引了大批有興趣的高手共同開發(fā)，不斷完善，將NT的易用性和UNIX的可靠性結(jié)合起來，將X—Window/MOTIF接口與UNIX功能結(jié)合在一起，被認(rèn)為是當(dāng)今UNIX的最好實現(xiàn)。Linux以其徹底開放的開發(fā)方式著稱于世，并因免費(fèi)使用而迅速普及，許多軟件廠家已宣布支持Linux，這匹黑馬的出現(xiàn)對NT無疑是沉重的打擊。Linux對于把基于UNIX的成熟的SCADA/EMS/DMS系統(tǒng)移植到地、縣調(diào)系統(tǒng)有重要意義。
3針對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
局域網(wǎng)（LAN）是第三代EMS的“脊椎骨”。10年來，基于CDMA/CD以太網(wǎng)的傳輸速率已由10Mbit/s發(fā)展到100Mbit/s，甚至達(dá)到1000Mbit/s；傳輸介質(zhì)從細(xì)纜（10BASE2）、粗纜（10BASE5）、雙絞線（10BASE—T），發(fā)展到高速雙絞線（100BASE—T）等；傳輸方式由共享總線式、集線器式，發(fā)展到交換式集線器、LAN交換、ATM交換等。交換式局域網(wǎng)改變了新型EMS的體系結(jié)構(gòu)，由總線型發(fā)展為以LAN交換為核心的多總線結(jié)構(gòu)，按功能分組，采用更多的網(wǎng)段，網(wǎng)段內(nèi)共享，網(wǎng)段間交換。
4大型電力自動化系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)通信技術(shù)的研究
針對電力監(jiān)控系統(tǒng)底層通信數(shù)據(jù)量大、實時性要求高的特點(diǎn)，進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)。在軟件結(jié)構(gòu)上，提出了將數(shù)據(jù)通信軟件與監(jiān)控軟件分離的方法；在硬件上，使用多路雙口RAM智能通信卡擴(kuò)展通信端口，提高底層通信的速度。這些措施有效地減輕了監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，確保了現(xiàn)場儀表與監(jiān)控計算機(jī)之間準(zhǔn)確快速的數(shù)據(jù)通信，保證了整個系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。
電力系統(tǒng)中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)不但包括功率、電壓、電流等測量數(shù)據(jù)，還包括分合閘、過流、速斷等操作及事故所產(chǎn)生的事件數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生事故而導(dǎo)致跳閘時，還要記錄現(xiàn)場的故障錄波數(shù)據(jù)，可見，需要通信的數(shù)據(jù)量是一般工業(yè)控制中所無法比擬的。由于電力系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的變化非?？?，一次過流可能只維持十幾毫秒，數(shù)據(jù)稍縱即逝，所以對數(shù)據(jù)的實時性、通信速度的要求是非常高的。
監(jiān)控系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)可靠、高效的通信是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，是設(shè)計監(jiān)控軟件的重點(diǎn)。一些現(xiàn)有的軟件，將數(shù)據(jù)通信、處理和監(jiān)控都做在一個軟件中，雖然顯得直觀緊湊，但系統(tǒng)的升級改進(jìn)卻十分不便，一個微小的改動都要對全部系統(tǒng)進(jìn)行重新整理，因此，采取模塊化結(jié)構(gòu)是比較好的一種選擇。
筆者在一個大型電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，硬件上采用通信站和監(jiān)控站分開的獨(dú)立方式，軟件上將底層通信軟件從監(jiān)控軟件中分離出去，在通信站中獨(dú)立工作，通信站專門負(fù)責(zé)底層現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集，并和上層監(jiān)控站進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。由于通信站的獨(dú)立，使上層監(jiān)控站的任務(wù)大大減輕，不但提高了底層的通信速率，還加快了監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)刷新速度。如果下層儀表數(shù)量很多，可以在通信站上采用多路雙口RAM智能通信卡，并擴(kuò)充為多個串口，進(jìn)一步提高底層通信速度。
5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
給出了一種典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)綜合了以上討論的特點(diǎn)。其中，兩個通信站組成雙機(jī)冗余熱備，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)通過RS－485／422串口傳送給通信站，通信程序讀取串口的數(shù)據(jù)，解析后一方面將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)加以保存，另一方面通過TCP／IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)打包后傳遞給上位機(jī)，在監(jiān)控軟件中進(jìn)行運(yùn)接送上以太網(wǎng)，也利于遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障診斷。
由于通信站和監(jiān)控站是分離的，只要都支持TCP／IP通信協(xié)議，編寫監(jiān)控系統(tǒng)的工具語言不需要與通信站相同，這樣就給用戶提供了靈活的平臺選擇，可以利用一些圖像功能強(qiáng)大而硬件功能相對弱的組態(tài)軟件編寫監(jiān)控軟件，以提供直觀漂亮的操作畫面。
對于一些特殊的下層儀表，如果通信協(xié)議不同，只需在通信軟件中改變相應(yīng)的協(xié)議即可，不需要對監(jiān)控軟件作出任何修改。用這種方法，可以非常靈活的兼容各種不同通信協(xié)議的儀表。這樣，系統(tǒng)的升級和擴(kuò)展就會相當(dāng)方便。
6提高通信速度的措施
6．1硬件措施
通信站與上層監(jiān)控站間的通信是通過以太網(wǎng)傳輸?shù)?，通信速度快，實時性很好。而現(xiàn)場儀表與通信站之間是通過串口讀寫數(shù)據(jù)的，在儀表傳輸速率與傳輸數(shù)據(jù)量一定的條件下，當(dāng)現(xiàn)場儀表的數(shù)量多到一定程度，由于總數(shù)據(jù)量過大而造成通信時間過長，可能會成為限制實時性的瓶頸，為了解決這個問題，硬件上可以采取以下的改進(jìn)。
6．1．1多串口數(shù)據(jù)通信
串行通信具有連接簡單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
一般情況下，多臺下層儀表連在一條通信總線上，通信站通過其一個串口連接一條通信總線，從而實現(xiàn)通信站與儀表的串行通信。這時，通信站對全部下層儀表作一次數(shù)據(jù)通信的時間等于通信站與每個儀表的通信時間之和。
7現(xiàn)場總線——DCS發(fā)展趨勢
分散控制系統(tǒng)(DCS)今天已步入第三代。它的發(fā)展一方面受計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)及CRT技術(shù)的影響，另一方面又受到生產(chǎn)過程控制和管理要求的驅(qū)動。
隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器在控制裝置、變送器上的廣泛使用，現(xiàn)場儀表(傳感器、變送器、執(zhí)行器等)得以智能化。“現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)”就是設(shè)計用來替代4～20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)的新工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)場總線(Fieldbus)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定將對DCS的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，由于現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)的4～20mA信號傳遞相比有很多優(yōu)點(diǎn)，以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有望成為未來的分散控制系統(tǒng)。
8DCS系統(tǒng)的發(fā)展
DCS將向信息管理系統(tǒng)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制擴(kuò)展，將過程控制和信息管理系統(tǒng)緊密結(jié)合起來，構(gòu)成計算機(jī)集成過程系統(tǒng)(CIPS)。CIPS除了要完成傳統(tǒng)DCS過程控制的功能外，還要實現(xiàn)運(yùn)行支持和決策支持的功能，包括質(zhì)量控制、過程管理、在線優(yōu)化、經(jīng)營管理、決策分析等。
網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今工廠自動化的核心，是計算機(jī)集成過程系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而工廠自動化的每一層都有適用于自己的網(wǎng)絡(luò)。分散控制系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
工廠級(上層、管理層)包括工廠信息管理和生產(chǎn)管理，負(fù)責(zé)與工廠管理計算機(jī)的連接，計算機(jī)間的管理數(shù)據(jù)交換通過工廠主干網(wǎng)實現(xiàn)。主干網(wǎng)采用ISO／OSI-MAP／TOP或TCP／IP-Ethernet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。隨著工廠自動化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這一級的功能也越來越強(qiáng)，它是DCS向CIPS發(fā)展的一個重要標(biāo)志。
車間級(中層、監(jiān)控層)包括過程控制和過程管理，用于控制室、現(xiàn)場控制設(shè)備和各現(xiàn)場控制裝置間的連接。通信網(wǎng)采用中速、載帶工業(yè)過程數(shù)據(jù)公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。這是DCS的實時工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)具有高可靠性、高使用性、實時性強(qiáng)、有自診斷功能、有自組態(tài)功能、容易接入新站等。
現(xiàn)場級(低層)用于連接過程控制中的傳感器、執(zhí)行器、智能儀表等。現(xiàn)場以標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線為發(fā)展目標(biāo)，現(xiàn)已有了兩個國際組織的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，現(xiàn)場總線將是DCS發(fā)展的一個重要方向。
9現(xiàn)場總線
9.1現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的第一部分被命名為H1，定義了一個低速、帶電鏈路的數(shù)字信號取代4～20mA模擬量傳輸信號。當(dāng)H1被采用后，智能傳感器將能夠與數(shù)字控制系統(tǒng)直接通信。第二部分H2，定義了一個高速、不帶電的鏈路，使協(xié)議可應(yīng)用于高級邏輯和控制。H2協(xié)議的通信速率為1Mb，而H1通信速率為31.25Kb。
由于是作為低級的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，F(xiàn)ieldbus與OSI模型的第一、二和七層有關(guān)。OSI網(wǎng)絡(luò)模型與三層Fieldbus體系結(jié)構(gòu)的對照見圖2。
Fieldbus中物理層確定通過物理媒介傳送的數(shù)字信號的形式，包括電纜種類、硬件、傳輸方式、傳輸速率、電氣及機(jī)械性能等。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)現(xiàn)場與控制空間的信號雙向傳送，包括數(shù)位如何組織和確認(rèn)，采用怎樣的協(xié)議，故障診斷和修正以及類似的功能。應(yīng)用層提供格式化的數(shù)據(jù)，集中在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備定址、設(shè)備存取、信息和其它功能的方法上。僅利用OSI網(wǎng)絡(luò)界面模型的三層，可在保證與更高級網(wǎng)絡(luò)兼容的同時，減少與現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)部分的成本和費(fèi)用，將使每連接一臺裝置的費(fèi)用較低。相對于使用在工廠級的較高級網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)ieldbus標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計采用較小信息量和較低數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)絡(luò)。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個31.25kHz傳輸信號，它適用于現(xiàn)行生產(chǎn)裝置上采用的4～20mA信號線路，將來則采用1MHz和25MHz、可用于更高頻率的導(dǎo)線。
物理性能低速／DC(H1)高速／DC(H2)傳送距離1900m750m拓?fù)淇偩€或任意總線結(jié)構(gòu)點(diǎn)—點(diǎn)通信點(diǎn)—點(diǎn)通信響應(yīng)時間100ms1ms數(shù)據(jù)傳輸速率31.25Kb1Mb報文傳送速度81～122報文／s2604～3906報文／s標(biāo)準(zhǔn)報文長度32～48B32～48B數(shù)據(jù)類型浮點(diǎn)(32位)，文本，時鐘浮點(diǎn)(32位)，文本，時鐘設(shè)備數(shù)量3232傳輸媒介儀表級雙絞線通信級雙絞線電源DCDC冗余支持支持本質(zhì)安全性有無(對于網(wǎng)絡(luò)供電裝置)連接方式直接直接
現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中的物理層協(xié)議已于1993年獲得通過。它規(guī)定了傳輸媒介的情況，包括工作電壓和電流?，F(xiàn)正在開發(fā)應(yīng)用層和用戶層協(xié)議。Fieldbus的最后目標(biāo)是以一片硅集成電路為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線，這片集成電路將覆蓋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的需要，目前Honeywell、Rosemount正在開發(fā)Fieldchips。
9.2兩大現(xiàn)場總線機(jī)構(gòu)
80年代末，一些儀表公司著手開發(fā)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。目前主要有兩大機(jī)構(gòu)：ISP(相互可操作性系統(tǒng)工程)和WorldFIP。ISP機(jī)構(gòu)成員有西門子、羅斯蒙特、費(fèi)希爾、?？怂共_、橫河、ABB等64個公司；WorldFIP機(jī)構(gòu)成員有霍尼韋爾、山武—霍尼韋爾、貝利等150個公司。兩大機(jī)構(gòu)都在開發(fā)各自現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。ISP以德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Profibus為基礎(chǔ)，它采用由主機(jī)向各臺設(shè)備發(fā)布令牌，使其進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。WorldFIP以法國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FIP為基礎(chǔ)，采用按時序進(jìn)入現(xiàn)場總線。但是兩種現(xiàn)場總線都包括ICE和SP50的聯(lián)合在1989年完成實驗。下面分別敘述。
ISP根據(jù)IEC-ISASP50的思想，提供了兩種現(xiàn)場總線H1和H2(同國際標(biāo)準(zhǔn))，它有一個設(shè)備描述語言DDL，是由Rosemount公司開發(fā)的，可將任何最新進(jìn)入系統(tǒng)的儀表所具有的功能和性能自動地通知主機(jī)。Siemens的過程裝置開發(fā)工程師認(rèn)為，此功能是WorldFIP所不具備的，這種功能使擴(kuò)充現(xiàn)有系統(tǒng)非常容易。ISP的另一優(yōu)點(diǎn)是它為用戶而定義的功能塊。在開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的第一階段中，ISP已定義了10種功能塊，它可覆蓋現(xiàn)場總線應(yīng)用要求中的80%，其中包括開關(guān)和模擬量的輸入、輸出、PID控制以及它們的組合，ISP成員橫河公司開發(fā)生產(chǎn)出一種新型硅片可實現(xiàn)ISASP50協(xié)議所規(guī)定的物理層及部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層的工作，其余的數(shù)據(jù)鏈路工作與應(yīng)用層和功能塊一起由置于現(xiàn)場儀表的一臺微處理器來完成。
WorldFIP采用了時間同步信息系統(tǒng)，連接在總線上的各儀表設(shè)備可按時序進(jìn)入現(xiàn)場總線。根據(jù)Honeywell公司介紹，只有FIP總線能控制時間周期在1ms以內(nèi)。WorldFIP在1994年投入了它自己的設(shè)備描述工具，稱DeviceBuilder。它收入了SP50已批準(zhǔn)的所有功能塊，能自動地告訴控制系統(tǒng)一臺新儀表具有的功能以及必須整定的參數(shù)。WorldFIP也計劃推出一種更便宜的硅片。
雖然目前兩大組織的總線產(chǎn)品還不兼容，但WorldFIP和ISP都表示，當(dāng)IEC-ISA最后完成其現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)時，他們將使其產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)兼容，現(xiàn)有系統(tǒng)更新到能夠滿足最后的IEC-ISA標(biāo)準(zhǔn)可能僅僅只是更換控制硅片而已，費(fèi)用大約5美元。
1994年9月，ISP和WorldFIP合并成立了FieldbusFoundation(FF,即現(xiàn)場總線協(xié)會)。FF是一非盈利性的國際組織，這將有助于發(fā)展一個單一的、國際間的、可互操作的現(xiàn)場總線。其技術(shù)將是現(xiàn)存幾個組織的某些規(guī)約的融合，即FF的技術(shù)將基于已有IEC／ISA的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，ISTRev3.0版本的應(yīng)用層和用戶層，結(jié)合ISP和WorldFIP的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理層來組成?？苫ゲ僮鲃t由設(shè)備描述語言來支持。其現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
9.3現(xiàn)場總線的優(yōu)勢
現(xiàn)場總線不單單是一個通信標(biāo)準(zhǔn)，而是試圖包含全部領(lǐng)域，作為一個過程控制的開放的、集成的測量控制系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線，具有許多優(yōu)點(diǎn)：
a)大大縮減了鋪線費(fèi)用；
b)簡化了線路的安裝與維護(hù)；
c)能傳送多個過程變量，可以實現(xiàn)在線故障診斷及線路故障檢測；
d)用數(shù)字信號取代4～20mA模擬信號，可提高系統(tǒng)精度，而且可把一些功能(如線性化、補(bǔ)償校正、工程量轉(zhuǎn)換、報警處理等)賦于現(xiàn)場儀表，提高了現(xiàn)場儀表的自主性和可靠性；
e)因現(xiàn)場總線是雙向的，故可從控制室對現(xiàn)場儀表進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整；
f)現(xiàn)場總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)后，用戶可以優(yōu)選各儀表廠商的產(chǎn)品組成系統(tǒng)，而不必考慮總線接口是否匹配問題。
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