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Intellution FIX 在电力系统自动化中的应用

--贺鹏辉 上海胜百电力系统控制有限公司

供稿:GE 自动化&控制 2001/9/21 11:47:00

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一、引言 随着计算机、电子技术、通信技术的高速发展,电力系统的二次设备及自动化水平也发生着新的变化。为了更好地满足大电网、大机组、高电压的电网实时监控的要求,除常规RTU(Remote Terminal Unit,远动终端)和IED(Intelligence Electronic Device , 如智能电度表、继电保护装置、GPS等)采集电网实时数据外,还须采用软件对电网进行监控。软件应将各二次设备采集的数据收集至监控站,并可根据所采集的实时数据,按一定策略对电网进行控制。
由于电力系统对数据采集的实时性和控制的可靠性要求较高,所以所采用的软件也应有好的实时性与可靠性,而INTELLUTION公司的工业自动化软件FIX很好地满足了这一要求。二、FIX工业自动化软件的系统结构及功能 FIX软件是一种自动化软件,自动化软件为操作人员和贯穿整个管理的应用软件提供实时的数据。FIX采集实时数据的过程是:
1.I/O驱动程序软件从I/O设备中读取数据并把数据传入驱动程序映射表(DIT Driver Image Table)的地址中。
2.扫描、报警、控制(SAC)程序从DIT中读数据,并将处理后的数据传输到过程数据库中。
3.内部数据库访问功能从本地或远程的数据库读取数据,并将这些数据传输至请示的应用程序中去。
在整个数据采集的过程中,有这样几个关键的环节:I/O驱动程序(I/O Drivers)、FIX的数据库、图形界面用户程序。I/O驱动程序(I/O Drivers):
传感器或控制器将数据送入PLC或其它过程硬件的寄存器中。FIX软件提供与PLC等硬件设备的接口。可以将数据从寄存器中读出的软件接口称做I/O驱动程序(I/O Driver)。高性能的I/O驱动程序有许多功能,诸如自动通讯错误检测、信号调节、报告、恢复、支持冗余通讯等功能。FIX可以同时支持8个不同类型设备的I/O驱动程序在一个SCADA节点上运行。FIX的数据库:
FIX数据库可从驱动程序映射表(Driver Image Table)检索数据、处理过程数据(包 括指令)、与定义的报警限进行比较、输出值返回到驱动程序映射表、发送报警信号到操作员显示器,打印机,文件及网络报警设备。图形界面应用程序:
在现场应用中,FIX最重要的功能是提供一个可视化的窗口进行过程处理,FIX画面提供一个图形用户界面(GUI),在用户屏幕上提供图形化的过程信息,包括原始数据、计算数据、报警、变量字符串、点信息、趋势报警或变量状态。
图形应用程序的核心是从数据库访问信息。为了直接显示数据,图形应用程序提供了多样性的链接(Links)方式,链接可以有多种格式及配置的灵活选择,对系统或过程数据进行显示。操作人员也能使用链接向数据库写数据。同时,数据源不仅可以是来自FIX数据库,而且可以来自其它DDE应用程序或ODBC数据库。这些数据传输可以是双向的。
除了这几个关键环节外,FIX还提供了报警和安全系统。报警系统可用于生成、显示、存储报警和信息。可将报警和信息发送到网络上的任意节点、与FIX相连的打印机、磁盘文件、报警概要显示、报警历史窗口、多媒体报警。安全系统包括基于用户的安全系统和系统安全性应用程序,基于用户的安全系统可保护FIX文件、重要的程序、操作显示文件和配方、数据库模块,系统安全性应用程序包括安全配置和登录两种程序。 在安全配置程序中可以设置节点的安全性为允许/不允许、创建用户和组的账号、分配用户使用程序和程序功能的权限、分配用户名和密码、分配安全区(security area)名等。为了保护数据库不受非法修改,FIX使用安全区(security area)的概念,可以把安全区看作是有着相同安全级别的一组数据库的模块,最多可定义254个不同的安全区。 一旦节点有安全保护,操作人员必须访问登录程序,输入姓名和密码。在登录后,操作人员才能访问权限允许范围内的内容。三、电力系统自动化状况分析 电力系统由发电厂、变电站及输电线等组成,也设有一个集中控制管理中心,这就是电力系统调度所。由它统一指挥在正常或事故情况下电力系统的运行。在发电厂和变电站设有主控制室,集中控制和管理整个厂、站的运行。
为了保证电力系统运行的可靠性、经济性和电能的质量,调度所必须收集系统的实时运行资料。例如主要发电厂的机组出力、母线电压、电网频率和线路潮流等主要参数;还要收集主要设备的运行状态,例如开关的投入或切断等。过去这些工作都要通过电话来完成,每天由各厂、站的值班人员定时地轮流向调度所报告机组的出力、线路潮流、母线电压等参数,调度员参照这些资料,结合负荷预测情况,安排运行计划,检修计划等,并用电话通知下属厂、站的值班人员,以达到控制管理的目的。这时的调度工具只有电话通信,主要是电力线载波通信。显然这种一来一往的通话需要较长的时间,调度员通过电话所掌握的资料缺乏实时性,是过去一段时间的情况,不能满足及时安全经济调度的要求。特别在处理事故时,电话通信不能使调度人员及时掌握故障情况,快速处理事故。这样,电力系统为了在正常及事故情况下,提高效率,在调度、厂、站逐步采取了自动化技术。电力系统自动化技术的遥测(模拟量输入)、遥信(数字量输入)、遥控(数字量输出)及遥调(模拟量输出)功能显著地提高了监控效率。
近几年来,随着用户对供电可靠性要求的提高,电力系统调度自动化、变电站自动化和配电网自动化在电力系统中得到了越来越广泛的应用。
变电站自动化是在微机技术和网络通讯技术的基础上发展起来的。变电站自动化系统集保护、测量、控制、远传等功能为一体,采用微机化产品,并充分利用微机的数字通信的优势来实现数据共享的一套电力系统二次设备的自动化装置。它取代了常规的仪表盘、柜,以及一些中央信号装置,节省了变电站的占地面积,节省了电缆的投资。整个变电站要实现自动控制,一套优秀的监控软件是必须的。当操作人员进入变电站时,可以从自动化系统的当地监控软件上了解变电站当前的运行情况和历史记录。当地监控软件通过密码实现多权限多级管理,一般操作人员可以看主接线图、遥信遥控遥测表、特殊功能显示图、SOE等图表,系统管理员可以修改软件配置、各级权限范围、各种图表,操作员和监督员同时认可才能进行遥控操作。登入登出过程、执行操作后软件都会详细记录操作人姓名、密码、操作等信息。软件根据设定自动记录所需的四遥量并进行统计,形成曲线、棒图等。
配电网自动化是将低压电网中的智能化设备以最优的结构连接起来,组成一个无论在电网结构还是在保护、控制、管理和运行等方面都能适应电网建设需要的自动化系统。其主要功能有:基于地理信息的配网运行监测和控制(SCADA/GIS)、故障自动诊断隔离与供电恢复、网络优化、电能质量最优控制、自动读表、负荷控制与管理等。要实现这些功能,除了IED(Intelligence Electronic Device)外,还需要自动控制软件来实现上述功能。四、 在FIX中开发电力系统所用协议的驱动程序 电力系统要实现自动化,优秀的自动控制软件是必不可少的,而INTELLUTION的FIX自动控制软件在可靠性、实时性、灵活性上都满足了电力系统的要求。但由于电力系统所用的通讯协议与普通工业自动控制中所用的协议不同,所以要想在电力系统中应用FIX软件,首先要开发电力系统所用通讯协议的驱动程序。1、协议驱动程序开发工具
FIX软件的结构是开放式的,它所用到的协议驱动程序可由用户自己开发,开发驱动程序的工具有I/O DRIVER DEVELOPMENT TOOLKIT和OPC SERVER TOOLKIT。若要开发WINDOWS环境下32位的应用程序,可用OPC SERVER TOOLKIT。
在VISUAL C++5.0下应用OPC SERVER TOOLKIT可生成基于串口或TCP/IP的驱动程序的框架。框架的基本结构如下图:

协议驱动程序的基本框架
协议驱动程序的基本框架

对于基于串口的协议驱动程序,各部分所包括的属性有:
通道:通讯端口;通讯模式(直接连接;通过MODEM拨号;无线电方式);波特率;数据位;停止位;校验方式。
设备:设备地址;响应等待时间(Reply Time);重试次数。
数据块:保存数据的内存地址;轮询速率;数据类型。 对于基于TCP/IP的协议驱动程序,各部分所包括的属性有:
通道:由于是基于TCP/IP协议驱动程序,通道部分没有属性需要设置。
设备:模式(TCP/UDP);IP地址;设备地址;响应等待时间(Reply Time);重试次数
数据块:保存数据的内存地址;轮询速率;数据类型。
协议驱动程序运作时,在数据块部分有这样几个共同的函数:轮询常用数据(如遥信,遥测数据);按用户要求进行的操作(如遥控,遥调操作);处理子站主动上报的信息(如SOE数据)。在编制具体协议的驱动程序时,应在这几个处理协议信息的函数中加入具体协议的报文。
在通讯过程中,为了保证遥信、遥测等数据的实时性,协议驱动程序是多线程(线程是Windows 应用程序的执行路径,多个线程可同时运行。)的,多个线程同步运行。驱动程序建立的基本线程有:通道扫描工作中设备的线程;通道处理协议数据收发的线程;数据块解析协议响应数据的线程。2、电力系统中所用通讯协议的现状分析 目前,在电力系统变电站与调度端之间,常用的协议有仅适用于点对点通讯的CDT(循环式)协议,以及既可以用于点对点通讯又可进行总线式通讯的POLLING(论询)协议,常见的POLLING协议有1801协议、SERIES V协议、μ4F协议、IEC870-5-101协议和DNP协议等。每种协议既有其优点,也有其局限性。(1)、CDT协议:
CDT协议为循环传输方式,无模拟量变化传输功能,在1:N的远动系统中,传输效率低,传输速度慢。由于CDT协议有多个版本,所以其具体实现方法,如遥控字的数据结构,一<

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