总有那么一些是你不知道的电力系统知识

1针对于计算机技术

计算机技术这几年一直按摩尔（Moore）定律发展：处理器运算速度平均每1.48年翻一翻。现在高端服务器的运算速度已达每秒十亿条指令，内存已达若干吉字节(GB)，是10年前的上千倍。原来用于巨型机、大型机的技术已下移至服务器甚至个人计算机。精简指令计算机（RISC）继续飞速发展，超流水线结构的MIPSR4000，超标量结构的SUNSuperSparc，超标量、超流水线结构的DECAlpha，双流水线超标量结构的IntelPentium，等等，技术上各具特色，市场上各领风骚。64位CPU和多处理器体系结构已在服务器领域占主导地位。

计算机技术的飞速发展对电力系统计算产生深刻的影响，原来需要巨型机或大型机的电力系统计算，现在用台式机就可完成；原来用于离线计算的方法，现可移植于在线计算，甚至实时计算。

2针对于操作系统

第三代电网调度自动化系统的开放性主要依赖于UNIX操作系统的开放性。10年来，UNIX操作系统在微内核、实时处理、对称多道处理（SMP）、多线程支持、POSIX支持、系统管理的图形化、容错处理、安全可靠性等方面都取得了长足的进展。尽管WindowsNT仅运行在Intel和Alpha芯片平台上，然而NT的发展与成熟的确对UNIX世界构成了威胁，但目前NT版本还不支持多用户及POSIX接口，且易受病毒的侵袭，后续版本会逐步改善。NT的技术性能正在渐渐赶上UNIX，但NT的独家垄断特性却与UNIX的开放性相距越来越远，尤其是Linux流行以来。Linux是现年28岁的芬兰赫尔辛基大学的LinusTorvalds于1991年在读大学时自己编写的一种可以自由使用的UNIX操作系统，其源码放在Internet上，吸引了大批有兴趣的高手共同开发，不断完善，将NT的易用性和UNIX的可靠性结合起来，将X—Window/MOTIF接口与UNIX功能结合在一起，被认为是当今UNIX的最好实现。Linux以其彻底开放的开发方式著称于世，并因免费使用而迅速普及，许多软件厂家已宣布支持Linux，这匹黑马的出现对NT无疑是沉重的打击。Linux对于把基于UNIX的成熟的SCADA/EMS/DMS系统移植到地、县调系统有重要意义。

3针对于网络技术

局域网（LAN）是第三代EMS的“脊椎骨”。10年来，基于CDMA/CD以太网的传输速率已由10Mbit/s发展到100Mbit/s，甚至达到1000Mbit/s；传输介质从细缆（10BASE2）、粗缆（10BASE5）、双绞线（10BASE—T），发展到高速双绞线（100BASE—T）等；传输方式由共享总线式、集线器式，发展到交换式集线器、LAN交换、ATM交换等。交换式局域网改变了新型EMS的体系结构，由总线型发展为以LAN交换为核心的多总线结构，按功能分组，采用更多的网段，网段内共享，网段间交换。

4大型电力自动化系统实时数据通信技术的研究

针对电力监控系统底层通信数据量大、实时性要求高的特点，进行了两方面的改进。在软件结构上，提出了将数据通信软件与监控软件分离的方法；在硬件上，使用多路双口RAM智能通信卡扩展通信端口，提高底层通信的速度。这些措施有效地减轻了监控软件的数据处理负担，确保了现场仪表与监控计算机之间准确快速的数据通信，保证了整个系统的安全高效运行。

电力系统中，现场数据不但包括功率、电压、电流等测量数据，还包括分合闸、过流、速断等操作及事故所产生的事件数据。当发生事故而导致跳闸时，还要记录现场的故障录波数据，可见，需要通信的数据量是一般工业控制中所无法比拟的。由于电力系统现场数据的变化非常快，一次过流可能只维持十几毫秒，数据稍纵即逝，所以对数据的实时性、通信速度的要求是非常高的。

监控系统底层数据可靠、高效的通信是系统可靠性的关键，是设计监控软件的重点。一些现有的软件，将数据通信、处理和监控都做在一个软件中，虽然显得直观紧凑，但系统的升级改进却十分不便，一个微小的改动都要对全部系统进行重新整理，因此，采取模块化结构是比较好的一种选择。

笔者在一个大型电力监控系统设计中，硬件上采用通信站和监控站分开的独立方式，软件上将底层通信软件从监控软件中分离出去，在通信站中独立工作，通信站专门负责底层现场实时数据的采集，并和上层监控站进行双向数据通信。由于通信站的独立，使上层监控站的任务大大减轻，不但提高了底层的通信速率，还加快了监控界面的数据刷新速度。如果下层仪表数量很多，可以在通信站上采用多路双口RAM智能通信卡，并扩充为多个串口，进一步提高底层通信速度。

5系统结构

给出了一种典型的系统结构，这种结构综合了以上讨论的特点。其中，两个通信站组成双机冗余热备，保证系统的安全运行，现场仪表的数据通过RS－485／422串口传送给通信站，通信程序读取串口的数据，解析后一方面将数据存入数据库，作为历史数据加以保存，另一方面通过TCP／IP协议，将数据打包后传递给上位机，在监控软件中进行运接送上以太网，也利于远程监测和故障诊断。

由于通信站和监控站是分离的，只要都支持TCP／IP通信协议，编写监控系统的工具语言不需要与通信站相同，这样就给用户提供了灵活的平台选择，可以利用一些图像功能强大而硬件功能相对弱的组态软件编写监控软件，以提供直观漂亮的操作画面。

对于一些特殊的下层仪表，如果通信协议不同，只需在通信软件中改变相应的协议即可，不需要对监控软件作出任何修改。用这种方法，可以非常灵活的兼容各种不同通信协议的仪表。这样，系统的升级和扩展就会相当方便。

6提高通信速度的措施

6．1硬件措施

通信站与上层监控站间的通信是通过以太网传输的，通信速度快，实时性很好。而现场仪表与通信站之间是通过串口读写数据的，在仪表传输速率与传输数据量一定的条件下，当现场仪表的数量多到一定程度，由于总数据量过大而造成通信时间过长，可能会成为限制实时性的瓶颈，为了解决这个问题，硬件上可以采取以下的改进。

6．1．1多串口数据通信

串行通信具有连接简单、使用灵活方便、数据传递可靠等优点，在数据采集和实时控制系统中得到了广泛应用。

一般情况下，多台下层仪表连在一条通信总线上，通信站通过其一个串口连接一条通信总线，从而实现通信站与仪表的串行通信。这时，通信站对全部下层仪表作一次数据通信的时间等于通信站与每个仪表的通信时间之和。

7现场总线——DCS发展趋势

分散控制系统(DCS)今天已步入第三代。它的发展一方面受计算机技术、控制技术、通信技术及CRT技术的影响，另一方面又受到生产过程控制和管理要求的驱动。

随着微电子技术的迅速发展，微处理器在控制装置、变送器上的广泛使用，现场仪表(传感器、变送器、执行器等)得以智能化。“现场总线标准”就是设计用来替代4～20mA模拟信号标准的新工业标准。

现场总线(Fieldbus)国际标准的制定将对DCS的发展产生重大影响，由于现场总线与传统的4～20mA信号传递相比有很多优点，以现场总线为基础的自动化系统结构有望成为未来的分散控制系统。

8DCS系统的发展

DCS将向信息管理系统和计算机网络控制扩展，将过程控制和信息管理系统紧密结合起来，构成计算机集成过程系统(CIPS)。CIPS除了要完成传统DCS过程控制的功能外，还要实现运行支持和决策支持的功能，包括质量控制、过程管理、在线优化、经营管理、决策分析等。

网络是当今工厂自动化的核心，是计算机集成过程系统的基础，而工厂自动化的每一层都有适用于自己的网络。分散控制系统的典型网络体系结构如图1所示。

工厂级(上层、管理层)包括工厂信息管理和生产管理，负责与工厂管理计算机的连接，计算机间的管理数据交换通过工厂主干网实现。主干网采用ISO／OSI-MAP／TOP或TCP／IP-Ethernet网络协议标准。随着工厂自动化规模的不断扩大，这一级的功能也越来越强，它是DCS向CIPS发展的一个重要标志。

车间级(中层、监控层)包括过程控制和过程管理，用于控制室、现场控制设备和各现场控制装置间的连接。通信网采用中速、载带工业过程数据公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。这是DCS的实时工业控制网络，应具有高可靠性、高使用性、实时性强、有自诊断功能、有自组态功能、容易接入新站等。

现场级(低层)用于连接过程控制中的传感器、执行器、智能仪表等。现场以标准的现场总线为发展目标，现已有了两个国际组织的现场总线产品，现场总线将是DCS发展的一个重要方向。

9现场总线

9.1现场总线标准

现场总线标准的第一部分被命名为H1，定义了一个低速、带电链路的数字信号取代4～20mA模拟量传输信号。当H1被采用后，智能传感器将能够与数字控制系统直接通信。第二部分H2，定义了一个高速、不带电的链路，使协议可应用于高级逻辑和控制。H2协议的通信速率为1Mb，而H1通信速率为31.25Kb。

由于是作为低级的网络应用，Fieldbus与OSI模型的第一、二和七层有关。OSI网络模型与三层Fieldbus体系结构的对照见图2。

Fieldbus中物理层确定通过物理媒介传送的数字信号的形式，包括电缆种类、硬件、传输方式、传输速率、电气及机械性能等。数据链路层负责现场与控制空间的信号双向传送，包括数位如何组织和确认，采用怎样的协议，故障诊断和修正以及类似的功能。应用层提供格式化的数据，集中在网络中设备定址、设备存取、信息和其它功能的方法上。仅利用OSI网络界面模型的三层，可在保证与更高级网络兼容的同时，减少与现场总线标准有关部分的成本和费用，将使每连接一台装置的费用较低。相对于使用在工厂级的较高级网络，Fieldbus标准设计采用较小信息量和较低数据速率的网络。

标准规定了一个31.25kHz传输信号，它适用于现行生产装置上采用的4～20mA信号线路，将来则采用1MHz和25MHz、可用于更高频率的导线。

物理性能低速／DC(H1)高速／DC(H2)传送距离1900m750m拓扑总线或任意总线结构点—点通信点—点通信响应时间100ms1ms数据传输速率31.25Kb1Mb报文传送速度81～122报文／s2604～3906报文／s标准报文长度32～48B32～48B数据类型浮点(32位)，文本，时钟浮点(32位)，文本，时钟设备数量3232传输媒介仪表级双绞线通信级双绞线电源DCDC冗余支持支持本质安全性有无(对于网络供电装置)连接方式直接直接

现场总线标准中的物理层协议已于1993年获得通过。它规定了传输媒介的情况，包括工作电压和电流。现正在开发应用层和用户层协议。Fieldbus的最后目标是以一片硅集成电路为基础的现场总线，这片集成电路将覆盖物理层、数据链路层和应用层的需要，目前Honeywell、Rosemount正在开发Fieldchips。

9.2两大现场总线机构

80年代末，一些仪表公司着手开发统一标准的现场总线。目前主要有两大机构：ISP(相互可操作性系统工程)和WorldFIP。ISP机构成员有西门子、罗斯蒙特、费希尔、福克斯波罗、横河、ABB等64个公司；WorldFIP机构成员有霍尼韦尔、山武—霍尼韦尔、贝利等150个公司。两大机构都在开发各自现场总线标准。ISP以德国工业标准Profibus为基础，它采用由主机向各台设备发布令牌，使其进入网络。WorldFIP以法国工业标准FIP为基础，采用按时序进入现场总线。但是两种现场总线都包括ICE和SP50的联合在1989年完成实验。下面分别叙述。

ISP根据IEC-ISASP50的思想，提供了两种现场总线H1和H2(同国际标准)，它有一个设备描述语言DDL，是由Rosemount公司开发的，可将任何最新进入系统的仪表所具有的功能和性能自动地通知主机。Siemens的过程装置开发工程师认为，此功能是WorldFIP所不具备的，这种功能使扩充现有系统非常容易。ISP的另一优点是它为用户而定义的功能块。在开发标准的第一阶段中，ISP已定义了10种功能块，它可覆盖现场总线应用要求中的80%，其中包括开关和模拟量的输入、输出、PID控制以及它们的组合，ISP成员横河公司开发生产出一种新型硅片可实现ISASP50协议所规定的物理层及部分数据链路层的工作，其余的数据链路工作与应用层和功能块一起由置于现场仪表的一台微处理器来完成。

WorldFIP采用了时间同步信息系统，连接在总线上的各仪表设备可按时序进入现场总线。根据Honeywell公司介绍，只有FIP总线能控制时间周期在1ms以内。WorldFIP在1994年投入了它自己的设备描述工具，称DeviceBuilder。它收入了SP50已批准的所有功能块，能自动地告诉控制系统一台新仪表具有的功能以及必须整定的参数。WorldFIP也计划推出一种更便宜的硅片。

虽然目前两大组织的总线产品还不兼容，但WorldFIP和ISP都表示，当IEC-ISA最后完成其现场总线标准时，他们将使其产品与标准兼容，现有系统更新到能够满足最后的IEC-ISA标准可能仅仅只是更换控制硅片而已，费用大约5美元。

1994年9月，ISP和WorldFIP合并成立了FieldbusFoundation(FF,即现场总线协会)。FF是一非盈利性的国际组织，这将有助于发展一个单一的、国际间的、可互操作的现场总线。其技术将是现存几个组织的某些规约的融合，即FF的技术将基于已有IEC／ISA的物理层、数据链路层，ISTRev3.0版本的应用层和用户层，结合ISP和WorldFIP的网络和系统管理层来组成。可互操作则由设备描述语言来支持。其现场总线的体系结构如图3所示。

9.3现场总线的优势

现场总线不单单是一个通信标准，而是试图包含全部领域，作为一个过程控制的开放的、集成的测量控制系统。采用现场总线，具有许多优点：

a)大大缩减了铺线费用；

b)简化了线路的安装与维护；

c)能传送多个过程变量，可以实现在线故障诊断及线路故障检测；

d)用数字信号取代4～20mA模拟信号，可提高系统精度，而且可把一些功能(如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处理等)赋于现场仪表，提高了现场仪表的自主性和可靠性；

e)因现场总线是双向的，故可从控制室对现场仪表进行标定和调整；

f)现场总线采用国际标准后，用户可以优选各仪表厂商的产品组成系统，而不必考虑总线接口是否匹配问题。

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