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總有那么一些是你不知道的電力系統知識
1針對于計算機技術
計算機技術這幾年一直按摩爾（Moore）定律發展：處理器運算速度平均每1.48年翻一翻。現在高端服務器的運算速度已達每秒十億條指令，內存已達若干吉字節(GB)，是10年前的上千倍。原來用于巨型機、大型機的技術已下移至服務器甚至個人計算機。精簡指令計算機（RISC）繼續飛速發展，超流水線結構的MIPSR4000，超標量結構的SUNSuperSparc，超標量、超流水線結構的DECAlpha，雙流水線超標量結構的IntelPentium，等等，技術上各具特色，市場上各領風騷。64位CPU和多處理器體系結構已在服務器領域占主導地位。
計算機技術的飛速發展對電力系統計算產生深刻的影響，原來需要巨型機或大型機的電力系統計算，現在用臺式機就可完成；原來用于離線計算的方法，現可移植于在線計算，甚至實時計算。
2針對于操作系統
第三代電網調度自動化系統的開放性主要依賴于UNIX操作系統的開放性。10年來，UNIX操作系統在微內核、實時處理、對稱多道處理（SMP）、多線程支持、POSIX支持、系統管理的圖形化、容錯處理、安全可靠性等方面都取得了長足的進展。盡管WindowsNT僅運行在Intel和Alpha芯片平臺上，然而NT的發展與成熟的確對UNIX世界構成了威脅，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，后續版本會逐步改善。NT的技術性能正在漸漸趕上UNIX，但NT的獨家壟斷特性卻與UNIX的開放性相距越來越遠，尤其是Linux流行以來。Linux是現年28歲的芬蘭赫爾辛基大學的LinusTorvalds于1991年在讀大學時自己編寫的一種可以自由使用的UNIX操作系統，其源碼放在Internet上，吸引了大批有興趣的高手共同開發，不斷完善，將NT的易用性和UNIX的可靠性結合起來，將X—Window/MOTIF接口與UNIX功能結合在一起，被認為是當今UNIX的最好實現。Linux以其徹底開放的開發方式著稱于世，并因免費使用而迅速普及，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系統移植到地、縣調系統有重要意義。
3針對于網絡技術
局域網（LAN）是第三代EMS的“脊椎骨”。10年來，基于CDMA/CD以太網的傳輸速率已由10Mbit/s發展到100Mbit/s，甚至達到1000Mbit/s；傳輸介質從細纜（10BASE2）、粗纜（10BASE5）、雙絞線（10BASE—T），發展到高速雙絞線（100BASE—T）等；傳輸方式由共享總線式、集線器式，發展到交換式集線器、LAN交換、ATM交換等。交換式局域網改變了新型EMS的體系結構，由總線型發展為以LAN交換為核心的多總線結構，按功能分組，采用更多的網段，網段內共享，網段間交換。
4大型電力自動化系統實時數據通信技術的研究
針對電力監控系統底層通信數據量大、實時性要求高的特點，進行了兩方面的改進。在軟件結構上，提出了將數據通信軟件與監控軟件分離的方法；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控軟件的數據處理負擔，確保了現場儀表與監控計算機之間準確快速的數據通信，保證了整個系統的安全高效運行。
電力系統中，現場數據不但包括功率、電壓、電流等測量數據，還包括分合閘、過流、速斷等操作及事故所產生的事件數據。當發生事故而導致跳閘時，還要記錄現場的故障錄波數據，可見，需要通信的數據量是一般工業控制中所無法比擬的。由于電力系統現場數據的變化非常快，一次過流可能只維持十幾毫秒，數據稍縱即逝，所以對數據的實時性、通信速度的要求是非常高的。
監控系統底層數據可靠、高效的通信是系統可靠性的關鍵，是設計監控軟件的重點。一些現有的軟件，將數據通信、處理和監控都做在一個軟件中，雖然顯得直觀緊湊，但系統的升級改進卻十分不便，一個微小的改動都要對全部系統進行重新整理，因此，采取模塊化結構是比較好的一種選擇。
筆者在一個大型電力監控系統設計中，硬件上采用通信站和監控站分開的獨立方式，軟件上將底層通信軟件從監控軟件中分離出去，在通信站中獨立工作，通信站專門負責底層現場實時數據的采集，并和上層監控站進行雙向數據通信。由于通信站的獨立，使上層監控站的任務大大減輕，不但提高了底層的通信速率，還加快了監控界面的數據刷新速度。如果下層儀表數量很多，可以在通信站上采用多路雙口RAM智能通信卡，并擴充為多個串口，進一步提高底層通信速度。
5系統結構
給出了一種典型的系統結構，這種結構綜合了以上討論的特點。其中，兩個通信站組成雙機冗余熱備，保證系統的安全運行，現場儀表的數據通過RS－485／422串口傳送給通信站，通信程序讀取串口的數據，解析后一方面將數據存入數據庫，作為歷史數據加以保存，另一方面通過TCP／IP協議，將數據打包后傳遞給上位機，在監控軟件中進行運接送上以太網，也利于遠程監測和故障診斷。
由于通信站和監控站是分離的，只要都支持TCP／IP通信協議，編寫監控系統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大而硬件功能相對弱的組態軟件編寫監控軟件，以提供直觀漂亮的操作畫面。
對于一些特殊的下層儀表，如果通信協議不同，只需在通信軟件中改變相應的協議即可，不需要對監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議的儀表。這樣，系統的升級和擴展就會相當方便。
6提高通信速度的措施
6．1硬件措施
通信站與上層監控站間的通信是通過以太網傳輸的，通信速度快，實時性很好。而現場儀表與通信站之間是通過串口讀寫數據的，在儀表傳輸速率與傳輸數據量一定的條件下，當現場儀表的數量多到一定程度，由于總數據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。
6．1．1多串口數據通信
串行通信具有連接簡單、使用靈活方便、數據傳遞可靠等優點，在數據采集和實時控制系統中得到了廣泛應用。
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據通信的時間等于通信站與每個儀表的通信時間之和。
7現場總線——DCS發展趨勢
分散控制系統(DCS)今天已步入第三代。它的發展一方面受計算機技術、控制技術、通信技術及CRT技術的影響，另一方面又受到生產過程控制和管理要求的驅動。
隨著微電子技術的迅速發展，微處理器在控制裝置、變送器上的廣泛使用，現場儀表(傳感器、變送器、執行器等)得以智能化。“現場總線標準”就是設計用來替代4～20mA模擬信號標準的新工業標準。
現場總線(Fieldbus)國際標準的制定將對DCS的發展產生重大影響，由于現場總線與傳統的4～20mA信號傳遞相比有很多優點，以現場總線為基礎的自動化系統結構有望成為未來的分散控制系統。
8DCS系統的發展
DCS將向信息管理系統和計算機網絡控制擴展，將過程控制和信息管理系統緊密結合起來，構成計算機集成過程系統(CIPS)。CIPS除了要完成傳統DCS過程控制的功能外，還要實現運行支持和決策支持的功能，包括質量控制、過程管理、在線優化、經營管理、決策分析等。
網絡是當今工廠自動化的核心，是計算機集成過程系統的基礎，而工廠自動化的每一層都有適用于自己的網絡。分散控制系統的典型網絡體系結構如圖1所示。
工廠級(上層、管理層)包括工廠信息管理和生產管理，負責與工廠管理計算機的連接，計算機間的管理數據交換通過工廠主干網實現。主干網采用ISO／OSI-MAP／TOP或TCP／IP-Ethernet網絡協議標準。隨著工廠自動化規模的不斷擴大，這一級的功能也越來越強，它是DCS向CIPS發展的一個重要標志。
車間級(中層、監控層)包括過程控制和過程管理，用于控制室、現場控制設備和各現場控制裝置間的連接。通信網采用中速、載帶工業過程數據公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。這是DCS的實時工業控制網絡，應具有高可靠性、高使用性、實時性強、有自診斷功能、有自組態功能、容易接入新站等。
現場級(低層)用于連接過程控制中的傳感器、執行器、智能儀表等。現場以標準的現場總線為發展目標，現已有了兩個國際組織的現場總線產品，現場總線將是DCS發展的一個重要方向。
9現場總線
9.1現場總線標準
現場總線標準的第一部分被命名為H1，定義了一個低速、帶電鏈路的數字信號取代4～20mA模擬量傳輸信號。當H1被采用后，智能傳感器將能夠與數字控制系統直接通信。第二部分H2，定義了一個高速、不帶電的鏈路，使協議可應用于高級邏輯和控制。H2協議的通信速率為1Mb，而H1通信速率為31.25Kb。
由于是作為低級的網絡應用，Fieldbus與OSI模型的第一、二和七層有關。OSI網絡模型與三層Fieldbus體系結構的對照見圖2。
Fieldbus中物理層確定通過物理媒介傳送的數字信號的形式，包括電纜種類、硬件、傳輸方式、傳輸速率、電氣及機械性能等。數據鏈路層負責現場與控制空間的信號雙向傳送，包括數位如何組織和確認，采用怎樣的協議，故障診斷和修正以及類似的功能。應用層提供格式化的數據，集中在網絡中設備定址、設備存取、信息和其它功能的方法上。僅利用OSI網絡界面模型的三層，可在保證與更高級網絡兼容的同時，減少與現場總線標準有關部分的成本和費用，將使每連接一臺裝置的費用較低。相對于使用在工廠級的較高級網絡，Fieldbus標準設計采用較小信息量和較低數據速率的網絡。
標準規定了一個31.25kHz傳輸信號，它適用于現行生產裝置上采用的4～20mA信號線路，將來則采用1MHz和25MHz、可用于更高頻率的導線。
物理性能低速／DC(H1)高速／DC(H2)傳送距離1900m750m拓撲總線或任意總線結構點—點通信點—點通信響應時間100ms1ms數據傳輸速率31.25Kb1Mb報文傳送速度81～122報文／s2604～3906報文／s標準報文長度32～48B32～48B數據類型浮點(32位)，文本，時鐘浮點(32位)，文本，時鐘設備數量3232傳輸媒介儀表級雙絞線通信級雙絞線電源DCDC冗余支持支持本質安全性有無(對于網絡供電裝置)連接方式直接直接
現場總線標準中的物理層協議已于1993年獲得通過。它規定了傳輸媒介的情況，包括工作電壓和電流。現正在開發應用層和用戶層協議。Fieldbus的最后目標是以一片硅集成電路為基礎的現場總線，這片集成電路將覆蓋物理層、數據鏈路層和應用層的需要，目前Honeywell、Rosemount正在開發Fieldchips。
9.2兩大現場總線機構
80年代末，一些儀表公司著手開發統一標準的現場總線。目前主要有兩大機構：ISP(相互可操作性系統工程)和WorldFIP。ISP機構成員有西門子、羅斯蒙特、費希爾、福克斯波羅、橫河、ABB等64個公司；WorldFIP機構成員有霍尼韋爾、山武—霍尼韋爾、貝利等150個公司。兩大機構都在開發各自現場總線標準。ISP以德國工業標準Profibus為基礎，它采用由主機向各臺設備發布令牌，使其進入網絡。WorldFIP以法國工業標準FIP為基礎，采用按時序進入現場總線。但是兩種現場總線都包括ICE和SP50的聯合在1989年完成實驗。下面分別敘述。
ISP根據IEC-ISASP50的思想，提供了兩種現場總線H1和H2(同國際標準)，它有一個設備描述語言DDL，是由Rosemount公司開發的，可將任何最新進入系統的儀表所具有的功能和性能自動地通知主機。Siemens的過程裝置開發工程師認為，此功能是WorldFIP所不具備的，這種功能使擴充現有系統非常容易。ISP的另一優點是它為用戶而定義的功能塊。在開發標準的第一階段中，ISP已定義了10種功能塊，它可覆蓋現場總線應用要求中的80%，其中包括開關和模擬量的輸入、輸出、PID控制以及它們的組合，ISP成員橫河公司開發生產出一種新型硅片可實現ISASP50協議所規定的物理層及部分數據鏈路層的工作，其余的數據鏈路工作與應用層和功能塊一起由置于現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，連接在總線上的各儀表設備可按時序進入現場總線。根據Honeywell公司介紹，只有FIP總線能控制時間周期在1ms以內。WorldFIP在1994年投入了它自己的設備描述工具，稱DeviceBuilder。它收入了SP50已批準的所有功能塊，能自動地告訴控制系統一臺新儀表具有的功能以及必須整定的參數。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品還不兼容，但WorldFIP和ISP都表示，當IEC-ISA最后完成其現場總線標準時，他們將使其產品與標準兼容，現有系統更新到能夠滿足最后的IEC-ISA標準可能僅僅只是更換控制硅片而已，費用大約5美元。
1994年9月，ISP和WorldFIP合并成立了FieldbusFoundation(FF,即現場總線協會)。FF是一非盈利性的國際組織，這將有助于發展一個單一的、國際間的、可互操作的現場總線。其技術將是現存幾個組織的某些規約的融合，即FF的技術將基于已有IEC／ISA的物理層、數據鏈路層，ISTRev3.0版本的應用層和用戶層，結合ISP和WorldFIP的網絡和系統管理層來組成。可互操作則由設備描述語言來支持。其現場總線的體系結構如圖3所示。
9.3現場總線的優勢
現場總線不單單是一個通信標準，而是試圖包含全部領域，作為一個過程控制的開放的、集成的測量控制系統。采用現場總線，具有許多優點：
a)大大縮減了鋪線費用；
b)簡化了線路的安裝與維護；
c)能傳送多個過程變量，可以實現在線故障診斷及線路故障檢測；
d)用數字信號取代4～20mA模擬信號，可提高系統精度，而且可把一些功能(如線性化、補償校正、工程量轉換、報警處理等)賦于現場儀表，提高了現場儀表的自主性和可靠性；
e)因現場總線是雙向的，故可從控制室對現場儀表進行標定和調整；
f)現場總線采用國際標準后，用戶可以優選各儀表廠商的產品組成系統，而不必考慮總線接口是否匹配問題。
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