基于分布式保护监控装置的电力监控系统

【摘 要】随着计算机信息技术、电子技术以及通信技术的快速发展，我国变电站中的二次设备也取得了一定的发展，在变配电所中投入了微机保护装置。文章就基于分布式保护监控装置的电力监控系统进行研究和分析，着重介绍用Visual C++与.net所开发的一种微机电力监控系统，主要分析系统的设计要点、结构功能以及软件模块等。

【关键词】分布式；保护监控装置；电力监控系统；微机

目前我国所采用的微机保护监控装置大多自身都带有相应的RS485接口或者RS232接口，能够通过PT和CT就地安装在变电所一次设备的附近，同时还可通过工业现场总线较为方便的组成一个局域网络，利用计算机远程控制或者操纵这些装置，通过上位监控微机自身所具备的强大计算判断功能来监控变配电所实时运行的状况。相对于传统以人为作为核心的监控系统而言，微机电力监控系统是一种集数据通信、保护、控制和测量功能等为一体的一种系统，便于促进变电站综合自动化目标的实现。本文笔者就基于分布式保护监控装置的电力监控系统来进行详细地阐述。

1 系统基本功能结构的概述

该系统主要的任务就是完成在实际生产过程中其运动系统的四个基本功能，即遥调、遥测、遥控和遥信功能，通过变压器、进线和母线等的实时频率、电压、功率以及电流等来控制母线断路器的储能状态、分合状态以及开关柜手车位置等相关信息，并将其实时传送至上位监控主机，经过上位监控主机来下达断路器的分合命令，并对微机保护装置实施参数的设定等，在其整个电力系统的监控过程中，要求其数据的采集以及处理必须要具备一定实时性。

在枢纽站中早期的监控系统主要是以集中方式来实施监控管理，这种监控系统的费用较低，且简单实用。但是其也存在着不足之处，即机房的布线过多和过长，为施工带来了一定的难度，同时其模拟量的采集精度比较低，系统的扩容较差。

而本文所介绍的这种电力监控系统则是基于分布式所设计的一种监控系统，其结构主要如上图1所示。该系统是由监控主机、被监控对象以及微机保护监控装置所组成的，是一种分层系统，其中微机保护监控装置为三相综合电力监控仪器，是一种集显示、遥测、通讯、遥信以及遥控等各功能为一体的仪器，主要是用于继电保护中的ABB微机保护装置，以及用于接地保护中的直流屏系统或者小电流接地选线装置等，这些装置自身均带有RS485接口或者RS232接口。同时该电力监控仪具备光电隔离的RS485通讯口，能经过屏蔽双绞线组成为局域网，构成一个经济且高效的电力监控网。此外，ABB微机继电装置自身带有相应的RS232接口，经过RS232/485转换器后再经过屏蔽双绞线组成为局域网。这些仪表具备相应的远动功能，除了用于监控以外，同时还可向上位机发送相应的监控数据。这种分布式的监控系统容易扩容，在扩充一个监控设备或者工作单元的时候，只需将485总线局域网直接接入即可，该系统的反映速度较快，其编程较为容易，数据的实时性也比较强，其性能的价格较高。

2 系统软件模块

该系统的软件模块框架主要如图2所示，其监控系统的主界面开发平台为Visual C#.net，其系统数据库采用的是SQL Sever 2000，经过对数据库的读写来完成遥控数据以及遥测数据的显示，并下发遥控命令，对配置参数进行调整与保护，查询SOE事件与历史数据。而通讯程序以及协议分析部分则是通过 VC++来达到实时性目的，利用串口来发送与接收报文，对接收到的数据实施报文解析并将其写入到数据库中去，把要发送的这些数据组织成为报文，经过串口来进行下发。对于保护跳闸等一些突发事件，将会经过自定义消息和主界面程序来实施通讯。看门狗程序则是用于异常情况发生的监测，比如死机，系统主界面程序与通讯程序每隔1s向看门狗程序发送一个自定义信息，若没有发送则说明程序的运行中止。

系统主界面有电流棒图、监控系统主接线图、电压棒图以及保护装置图等，主接线图不仅可将各进线与馈线的功率、电压以及电流等实时电量信息实时的反映出来，同时各断路器、保护配置图、手车的分合状态以及分布式保护监控装置的实际工作情况也会被实时显示出来。系统的操作主要是通过菜单来完成，通过巡检各类监控设备，对遥测到的实时数据进行采集，利用计算机来进行分析并显示在遥测数据表中；接着读取刀闸开关和断路器等遥信实时数据，并显示在遥信表中。系统通过数据库将SOE事件实时记录下来，点击操作界面窗口上所对应的图标，可以更方便地查询各断路器与开关的状态以及各路的功率值、电流和电压，将当前电路自身的状态与短路电流发生的变化情况显示出来，查询记录SOE事件的相关数据库，将当前遥信状态以及遥测值打印出来。最后，点击线路图上各个断路器以及开关来下发遥控命令并提供相应的在线帮助信息。

3 系统设计中的关键技术

3.1 数据库的查询优化技术

监控系统所采用的SQL数据库，因长期运行，其历史数据越来越多，就会出现“数据爆炸”等问题，对数据访问速度将会造成严重的影响，甚者还会引发事务冲突而导致系统的崩溃。对此，在面对海量数据的时候，可采取定期转储的方式，即每隔一段时间将历史数据库中一部分数据移出数据库，这样使历史数据库随时只保持一定数量的数据，以此有效控制数据量。

数据的查询非常耗费CPU时间，特别是在查询大量数据的时候，计算机在等待数据库返回数据常常会导致CPU时间过于紧张，以致于出现堵塞现象。针对这种问题，在设计系统的时候，应该由一个工程线程来专门负责数据的查询，待该查询线程收到来自于主线程消息通知以后，根据操作人员的要求来进行数据库的访问，并执行SQL语句，待数据返回后，将这些数据反馈给主线程， 最后由主线程输出。操作人员在发出查询命令的时候，主线程就会立即发出一个定向消息，通知查询工作线程工作的进行，同时指明结果数据的储存区域。查询工作线程在完成工作以后，相应的也会向主线程发出一个定向消息，通知主线程其查询工作完毕。这种方式不仅有效解决了CPU时间过于紧张的问题，同时在一定程度上还提高了其工作效率。

3.2 通讯协议的分析

采集电力系统的监控数据主要的方式为问答运行法，其主站和各RTU间基本都是问答式。由于和多种监控设备进行通信，用于不同目的的监控设备发出的协议格式也均有不同。对此，在监控系统中，首先采用多个线程来完成多种数据的收发过程，在各个线程中分别完成其所管辖区域的协议后，接着将这些协议格式转换为一个统一的格式，这样就能利用一个线程来完成多个格式相类似的协议数据收发。

比如，在系统中用于做特定保护监控的ABB150JC与140JC，其通信协议具有很多相同的属性，可利用同一线程来完成其数据的收发，这样在减少线程数目的同时，主线程对于用户操作的响应速度也不至于过慢。系统中的线程数目应该结合实际的现场监控规模来明确。在线程中，按照具体协议的特征，监控主站和现场设设备的数据交换应该采用不同机制，其中对于响应较为快速的现场设备，可采取轮询的方式，在每个子站轮询时间内完成一次完整的数据交换；而对于响应比较慢的现场设备，则可以采用时间片的方式。

3.3 通讯协议校验算法

在通讯系统中各站点间的通讯协议主要采用的是MODBUS串行通信协议，因容易受到传输距离与现场状况等各种因素的影响，各站点间的通讯数据经常会发生一些无法预测的错误，为了避免这些错误带来影响，在通讯的时候，应该采用循环冗余码来进行校验。

在该系统中所采用的CRC—16码主要是由两个字节所组成的。在校验开始之前，CRC寄存器的每一位均预置为1，接着将CRC寄存器和8—bit的数据实行异或，之后将CRC寄存器从高至低移位，在最高位处补零，若最低位为1，则应该将寄存器和预定义多项式码实施异或，重复上述动作进行8次移位，待所有字符处理完成以后，CRC寄存器的值就是最终CRC值，最后对最终CRC值进行校验，CRC校验主要有两种方法，即计算法与查表法，由于查表法的模块代码较少，可移植性较好，同时其修改灵活且计算量小，因此在该程序中主要采用的是查表法。

参考文献：

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