电力系统监控和数据采集系统介绍.doc

电力系统监控和数据采集系统
测控技术与仪器 0840308234 张臻欢
摘要：
介绍了监控和数据采集系统各部分的功能和运行原理,以及一种基于USB和CAN总线技术的数据采集系统，该系统主要由一个USB-CAN节点和多个数据采集结点构成，采用CAN总线构成通信网，以USB总线接口实现主节点与计算机的通信，数据采集结点完成电力设备参数采集，可以通过一台主机监控多个电力设备状态参数。该系统实现了电力监控系统中的电力参数检测和总线通信，具有实时性强、可靠性高、抗干扰能力强、容易扩展新节点等优点。
关键词：
电力监控、数据采集、功能运行原理、通用串行总线、控制器局域网总线
引言：
计算机的出现，使监控系统的设计与使用发生了巨大的变化。在引入以计算机为基础的系统前，监控系统的功能局限于远程控制和简单的状态信号显示。当以计算机为基础的监控系统出现后，大容量的数据采集和处理才有可能被广泛地运用，并成为计算机系统的基本功能之一。随着电力工业的发展，电力系统的可靠性和电能质量越来越多的受到人们的关注，对电力监控也提出了更高的要求。
1监控及数据采集的功能
1.1数据采集
周期性地从RTU中采集数据是它的基本功能。电力系统中的大多数系统是以查询方式采集数据，即RTU仅在接收到主站对其请求后，才把数据传送给主站。它有2种可选用的RTU响应方式：第一种方式是发送所需点或点集的实际值或状态；另一种方式是仅发送前一次查询请求以来状态发生过的变化或数据值超过一预先定义的增量变化范围的点或点集。后者称为报告异常事件方式。此方式的主要优点是减少了主站处理时间。通信线路中平均负荷也比第一种方式要小。不过，通信线路必须具有足够的带宽容量，以适应最坏情况，即在电力系统出现大干扰时，大量点的数据会发生快速变化，而此时调度员却最需要及时和准确的数据。
数据采集过程可认为是一些专用及高度相关子过程的过程集。这些子过程为：a．对RTU内部数据库的查寻及快速修改；b．主站周期性地对RTU进行查询；c．把主站所需的RTU数据传送给主站；d．校核因传送所引起的数据错误；e．换算数据工程单位；f．通过写入来覆盖数据库中的原有状态或数值。
1.2信息显示
信息显示是有选择地检索数据库中固定数据及实时数据，并将其组合后提供给运行人员的过程。通常将其显示在有限的图形CRT彩色屏幕上。固定数据包括发电厂、变电站接线图的信息及其它不随时变化的可显示信息。可变数据包括二态或三态设备的状态和数量变化，并可能带有符号的模拟量。通过名字或标识符来表示的设备名称和点的标志常被认为固定值，并被附在变量后面。
显示常常选择分层的树结构形式。在此结构中，索引页面（或者叫菜单）允许运行人员用光标定位技术（键盘、鼠标、跟踪球或屏幕接触定位法）来选择各种信息的显示。在同一系统中，常常提供多种显示选择方法，如专用功能键、显示标识符或名字的键盘输入。
专用功能键使显示的时间大为缩短。但由于受空间的限制，因而这种键的数目是有限的。用标识符进行键盘选择，要求运行人员记住及使用相互参照表。
也有除CRT之外的其它显示介质。一般有动态模拟盘，它主要通过灯光的变化来显示。也有在模拟盘上装配数显来显示重要的模拟量数据。
1.3监控
监控是指能操纵远距离设备的运行。这个过程包括发电厂或变电站的选择、被控设备的选择以及执行开关的断开或闭合。因此需采用选择—确认选择—操作的顺序（简称为操作前校核）。必须避免未被选中设备的操作或未发命令就进行错误操作的情况发生，这是监控及数据采集系统中一个重要的设计环节。为了高度安全，通常采用如图1所示的“操作前校核”信息顺序。
1.4报警处理
告诉运行人员发生了异常事件并报告发生的时间、站号、设备和事件的实质，一般称为报警处理。它有多种报警处理及表示方式。处理方法的细节大都被纳入监控及数据采集系统中的一个功能块中。最常用的报警处理输出是按时间先后排列，显示在CRT报警表、打印机硬复制输出和语音报警中。运行人员确认报警之后，立即把运行状态直接转到与其相关的运行位置，进行人工直接干预。
1.5信息存贮及报告
记录和保存运行过程中的状态和数据是电力系统运行中的一项重要任务，通过精确的记录，用来满足各种统计要求和对系统未来运行情况及用电规划进行预测。
记录保存一般的实现方法是按一定的周期间隔获取预先选定的数据集，并把它们保存在一个滚动文件中。存贮周期常被设定为1 h，但某些特殊情况下则需要更频繁获取和保存信息。
监控及数据采集系统中的历史文件为各种表、报告提供了一个有效数据和状态信息源。可在保存历史数据文件的基础上设置各种报表格式，如日、月、年报表等。
1.6事件顺序采集
事件顺序是获得和记录异常事件的发生过程，具有毫秒级事件间隔的时间分辨率。事件一般以离散状态（两态）出现，如断路器的断开或闭合状态。获取记录异常事件，其时间分辨率与中心主站对RTU进行查询的周期无关。当发生异常事件时，RTU主动向主站发送告警信号，因此RTU中的精确时间基值或时钟是事件顺序记录的基础。在大量分散的RTU中，时间基值的精确同步是事件顺序记录的关键，通常主站定时向各RTU发送广播校时命令，以达到与RTU时钟同步。不同RTU之间事件时间分辨率大约为±10 ms。各RTU将所发生的异常事件发送给主站，主站对这些异常事件一起按时间先后排列，随后打印在一张事件顺序记录表上。
1.7数据计算
在监控及数据采集系统中，需要不断利用所采集的数据进行计算，其中包括工程量转换和在给定时间间隔内最大或最小值的计算，以及对时间的积分。对大变压器组进行负荷监视，就是一个计算过程实例。大变压器的最大容量是由它们的最大温升值来确定，而变压器的发热与MVA负荷有密切的联系。与变压器有关的最普通的测量为MW和Mvar，而不是它的输送电流（安培）。监控数据采集系统通过下列公式（MVA）2＝（MW）2＋（MVAR）2，定期计算MVA，并把它作为实时数据与额定值相比较。
布尔计算用于离散点或点集，并把计算处理结果作为一个新的信息。这个过程被称为“组合过程”，它能确定电力系统中某些部分的特殊状态，如断路器的通断状态等。
2监控及数据采集系统基本运行原理
2.1问答式
电力系统监控及数据的采集大多采用问答（polling）运行方式，主站与各个RTU之间几乎都是问答式。在通信中，这种方式被称为需求分配／时分多路存取。主站控制所有活动，处于主动位置，定时对RTU进行顺序查询。RTU仅对主站查询作出响应。目前，最普通的2种通信配置方式如图2所示。

其中图2（a）是用多条2线或4线制电话线从主站向外辐射。这些通信回路均以半双工方式运行，并且相互独立，一条回路可专用于单个RTU。但通用且比较经济的方法是在一条公共通信线路上连接几个RTU支路。这些线路的媒质可用电话线路、专用电缆、电力载波。在每条线路上，主站查询命令以及RTU响应回送数据采用多路复用技术。主站以异步方式独立地为接在主站处的每条线路服务。每个通道上的信息传送速率可在3 000～9 600 bit／s范围内。这种通信方式数据传输率高，连续传送的信息量大。采用应答方式时，其循环周期只受各RTU支路响应时间的影响，但这种通信方式成本较高。
图2（b）是无线通信方式构成的监控及数据采集系统。无线通信是以民用电台或数传电台作为通讯工具。国家无线电管理委员规定超短波段为数据传输通讯使用频段，频率范围为223～460 MHz。由于无线电台不能长时处于发射状态，因此由无线电台构成的系统主站查询扫描周期一般选择间隔为15，30，60 min。用无线组成的监控数据采集系统基本与用户供电设施相对独立，具有投资少、见效快、维护检修方便、容易扩充等优点。
上述由有线、无线通信方式构成的监控及数据采集系统，其工作原理是主站以串行方式逐一查询扫描各RTU，当查询到某一RTU时，RTU根据接收到的不同命令及控制要求，加以区分，并逐个对应。对线路断路器操作的命令总是按选择—校核—操作顺序以避免错误操作。
在大型变电站或厂矿能源管理中，分布数据采集及控制的监控数据采集系统，可采用不同的查询方式。对于地理上相距较近的所有RTU，可以通过一个局域网来相互联接，并与主机相连。这样的配置允许在系统单元或结点之间的通信有较大灵活性，能代替传统的、完全由主站控制下的顺序查询方法。采用局域网连接系统，允许任意2个结点之间直接交换信息。
2.2数据采集
电力系统运行中的监控及数据采集系统常用于监视从变电站传送来的信息，如母线电压，线路电压、电流、有功、无功，变压器的分接头位置，线路上的断路器、隔离开关及其它设备状态，报警，总有功功率，事件顺序等。
以上大部分为模拟量输入，它们均来自强弱转换的二次仪表变送器。常用简单的二进制“0”，“1”两种状态来表示变压器分接头位置和断路器、隔离开关的状态。
因为RTU运行在高压环境中，必须在设计中采取相应措施，以防止干扰、损坏、数据出错和误操作。
2.3控制输出
在监控及数据采集系统中，监控是调度运行人中全面调度的有效手段，由运行人员选择被控RTU及对操作顺序即设备—确认—选择—操作的运行。正确选择和操作是避免人身伤亡和供电安全的保证。
控制输出是RTU接收到主站发来操作命令后发出的一高电平信号，该信号是由继电器瞬间闭合而产生的，与此同时提供起动电源，使断路器“跳闸”或“合闸”。
2.4人—机对话
现代监控及数据采集系统中，最有吸引力和挑战优势的是提供一个有效的并对用户“友好”的人—机接口。这种人—机接口不仅由硬件设备（如CRT、控制台、模拟屏、打印机及声音报警）组成，而且还需有支持实现这些工作的程序。所谓“友好”的人—机接口，焦点是提供快捷清晰的画面，操作简便能使运行人员迅速掌握运行概况。
模拟盘（模拟屏）的使用及与CRT显示器之间的关系，历来存在着争论，主要原因是模拟盘一次性投资费用及经常修改所需的费用和精力花费较大。但是，模拟盘可提供一个电力系统网络的总的概貌，这些信息在单个CRT显示器上是难以实现的。所以，模拟盘与CRT之间有互补性。
3采用USB和CAN总线的电力监控数据采集系统
在电力监控系统中电力参数的检测和总线通信是两个基本而且重要的组成部分。目前电力监控装置中常见的通信方式是RS232和RS485接口。RS232接口是不能直接构成实际意义上的通信网络，因为它只能是一对一通信，而且通信距离最长只有15m。RS485接口是一种使用较多的通信方式，具有结构简单、抗干扰能力强、传输距离远、网络节点多、成本低等优点。但是RS485接口是单主结构，同一时刻，总线上只能有一个节点发送数据（或命令），所以总线只能用巡回检测的方式，实时性差。此外，RS485接口的系统故障限制能力差，中继结构复杂。
控制器局域网（CAN）总线是一种“多主竞争”的总线形式。它废除传统的站地主编码方式，代之以对数据信息进行编码，协议采用总线型拓扑结构，利用总线结构电缆长度短、布线容易、可靠性高、易于扩充等优点；且通信速率高，在距离不超过40cm的条件下通信速率最大可达1Mb/s；利用短帧数据结构，占用总线时间很短；提供错误处理能力，保证数据通讯可靠。
通用串行总线（USB）是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并可以进行热拔插的串行接口。速度快是USB技术的突出特点之一。全速USB接口的最高传输率可达12Mb/s，比串口快了整整100倍，而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480Mb/s。对于广大的工程设计人员来说，USB是设计外设接口时理想总线。
本文以CAN总线构成骨干通信网络，以USB总线接口实现主节点与计算机的通信，完成了USB总线和CAN总线的协议转换。各个基于CAN总线的数据采集节点完成电力设备参数的采集。这个数据采集系统实现电力监控系统中的电力参数检测和总线通信。
按照以上论述，研制了基于USB和CAN总线的电力监控数据采集系统样机，并对该系统中的USB-CAN节点和各数据采集节点进行了多次测试，测试结果表明该系统具有如下特点：（1）实时性强。USB总线除了具有易于使用、双向、可同步传输外，还能够高速、高效完成大量数据交换。USB-CAN节点实现了各数据采集节点与计算机之间的高速通信，提高了系统的实时性；（2）可靠性高。CAN总线具有错误处理和检错机制，当发送的信息遭到破坏后，系统会自动重发，从而提高了系统的可靠性和抗干扰能力；（3）传输距离远。CAN总线的直接通信距离可达10km,通信速率最高可达1Mb/s，此时通信距离最长为40m。（4）易于扩展。在实际电力监控系统中，有时需要增加或减少监控节点，由于CAN总线具有很强的开放性，所以增加或减少节点，不需要更改系统的硬件和软件，也不影响其他节点正常工作。
4结语：
电力监控及数据采集系统不仅适用于电力系统，同样也适用于供水、煤气、工矿企业的能源管理、污水计量等分散目标的集中管理及控制。基于USB和CAN总线技术的数据采集系统能够满足电力监控的需要，对提高电力系统的自动化水平、提高供电的安全性和可靠性具有重要意义。随着电子技术的发展和计算机速度及存贮容量的不断提高，将会出现功能更加齐全的监控和数据采集系统。