电力系统监控和数据采集系统介绍

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1、电力系统监控和数据采集系统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：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：关键词： 电力监控、数据采集、功能运行

2、原理、通用串行总线、控制器局域网总线 引言：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监控及数据采集的功能 1.1 数据采集数据采集 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

3、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

4、 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 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）

5、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 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（

6、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

7、告信息存贮及报告 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

8、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 数据计算数据计算 在监控及数据采集系统中，需要不断利用所采集

9、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

10、数据采集系统基本运行原理监控及数据采集系统基本运行原理 2.1 问答式问答式 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

11、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 0009 600 bits 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 223460 MHz。由于无线电台不能长时处于发射状态，因此由无线电

12、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

13、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

14、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 人人机对话机对话 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

15、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 采用采用 USB 和和 CAN 总线的电力监控数据采集系统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

16、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