文　摘　为提高10 kV供电网络的安全可靠性，提出了变电站自动监测系统的新方案。该系统由一个主站和若干子站构成，主站与子站之间以同轴以太网互联，通过网络动态数据交换实现信息共享。该系统的突出特点是现场数据采集和设备控制由可编程控制器(PLC)实现，通过RS-232串行协议与各主控微机通讯。操作系统选用Windows NT 4.0(中文版)，开发工具选用可视化程序设计语言Visual Basic 5.0及Windows API函数库。系统软件具有友好的图形用户界面，实现了数据动态显示、事故自动报警、定时报表打印、在线信息查询、安全权限检查等多项功能。
关键词　变电站；可编程控制器(PLC)；自动监测
分类号　TM 769

　　国民经济的高速发展不仅需要大量电力能源，同时对供电质量也提出了更高的要求。变电站作为电力系统输配电的中心环节，它的自动化程度直接影响着整个电力系统的自动化水平。因此，发展变电站自动监测系统有着重要的现实意义［1］。
　　当前国内进行变电站自动监测系统设计时，数据输入和设备控制多采用自制各种总线方式的智能化模块，每个模块各用一个CPU。这种方法既延长了研制周期，又降低了可靠性和互换性。
　　为避免这些缺点，本文作者在进行10 kV变电站自动监测系统设计时，将工业过程控制领域中广泛使用的可编程控制器(PLC)用于现场数据输入和设备控制，并采用当前最先进的软件开发环境和编程技术，取得了满意的效果。

1　硬件系统设计

1.1　系统组态

　　变电站自动监测系统属于分散型控制系统。它的模块组态目前大体可分为集中式、分布分散式和分布式结构集中式组屏三种。集中式组态模式一般要用到功能和配置很强的计算机系统，其扩充性和维护性较差。分布分散式组态模式是随着单片机、网络技术特别是位总线技术而出现的，在高压变电站应用较为合适。分布式结构集中式组屏主要用于中低压变电站，它具有分布式结构的全部优点，便于扩充与维护。本文设计的10 kV系统属中低压变电站，选择了第三种组态，各站点间通过局域网互联。

1.2　监测数据输入

　　变电站自动监测系统需要对各类相关电量进行采集与输入［2］。为提高系统的可靠性与可维护性，传感器作为各种物理量与电量的中间转换环节应选用优质可靠的定型产品，尽量避免自行设计与制造。
　　传感器采集到的数据必须进行一定的处理后再发送给上位计算机。数据预处理部分以往大多采用单片机自制成各种总线方式的智能化模块，但这种方式可靠性和抗干扰性都难以得到有效保证。经研究，若选用在工业过程控制领域中已被广泛使用的PLC，可取得满意的效果。
　　PLC是以单片机为核心，专门用于工业过程自动化控制的新型电脑器件［3］。它除具有逻辑判断，指令跳转，时钟计数，I/O接口等丰富功能外，还有着极高的可靠性和稳定性。
　　经统计，目前世界上比较流行的PLC的平均无故障工作时间都达到了3×105 h以上。这对于要求高可靠性的电力系统来说，无疑是十分理想的选择。PLC不但具有高可靠性，而且具有极强的抗干扰能力。它的I/O至少经一级光耦，可以有效地抑制电磁干扰。在变电站这类电磁干扰十分严重的场所尤其适用。
　　此外PLC编程简单，尤其擅长开关量的控制，可以取代变电站中大量使用的机械式继电器。基此考虑，本文选用PLC作为现场监测设备。

1.3　数据传输

　　变电站自动监测系统的数据传输分为两部分：PLC与上位机之间，子站与主站之间。PLC与上位机之间通讯距离较近，采用RS-232串行通讯协议即可满足要求；子站与主站之间通讯距离较远，数据流量大，需采用网络传输。本系统各站点间距离较远(最大1.5 km)，需特殊考虑。

1.3.1　网络传输媒介

　　网络传输媒介多用光缆和电缆。光缆传输容量大，传输距离长，抗电磁干扰，但安装技术要求高，且价格相对昂贵。本系统选用的电缆传输媒介，价格便宜，安装方便。但同轴粗缆在以太网中最大传输距离为500 m，超过此限度需增加中继器。

1.3.2　网络拓扑结构

　　常见的网络拓扑结构及其典型代表有总线/星型(Ethernet)、环型(Token Ring, FDDI)和簇型(ARCNet)等［4］。总线型网络利用基于竞争和冲突的协议(CSMA/CD)，提供了公平同等的访问权，具有相当好的延时和吞吐能力，简单实用，应用广泛。令牌环网在传输效率上高于总线网，还可以设定优先级，但各站形成环形，故增删节点比较麻烦，且某点出现故障时整个网络将陷于瘫痪，并且需要令牌的维护，软件开销较大。
　　变电站自动监测系统的大部分时间网上数据流不大，仅传送正常的系统参数和装置状态等信息，并不需要令牌网提供的高度实时性。如果采用令牌环或令牌总线不但不能充分显示其优越性，反而增加了系统投资和软件开销。因此实际应用中倾向于采用各点都平等的网络，如总线型网。总线型的以太网不仅可满足当前电力系统的要求，而且为未来的高级应用如全站的数据共享等提供了高效通畅的硬件平台，具有较长的生命周期［5］。本系统PLC与上位机之间采用RS-232串行通讯，各站上位机之间采用总线型的以太网通讯，系统结构见图1。

1.4　计算机硬件

　　目前电力系统中自动监测系统多采用两种机型：微机和工作站。随着当今计算机技术的飞速发展，微机的性能得到了极大的提高。当今最快的微机在速度上已经逼近甚至超过中低档工作站。而且微机的兼容性和扩充性好，开发工具丰富，具有较高的性能价格比，因此基于微机的系统是较为理想的选择。该系统中我们选用的是以可靠性著称的美国Compaq微机。

图1　10kV变电站监测系统结构图

2　软件系统设计

2.1　操作系统

　　作为变电站自动监测系统的计算机操作系统，应具有极高的安全性、稳定性和优异的网络性能。目前流行的工业标准操作系统主要有Windows NT和Unix等几种。Unix在企业级领域得到广泛的应用，有着强大的网络功能和坚固的稳定性。Windows NT是近年来微软公司推出的采用最新技术的全新一代操作系统，其强大的功能，卓越的稳定性和优异的内置网络特性成为用户新的选择。特别是它与目前微机上广泛流行的Windows系列操作系统具有一致的界面，使用极为方便。目前随着硬件技术的发展，在微机和工作站领域已经得到广泛的推广。有人预计Windows NT最终将取代目前Unix的霸主地位，有着极为美好的发展前景。综合考虑后我们决定采用中文版Windows NT 4.0作为操作系统。

2.2　软件开发工具

　　目前软件开发的最新趋势是可视化编程和面向对象技术。前者大大加快了软件开发的速度，降低了复杂性；后者在降低编程复杂性的同时，增加了软件开发中代码可重用性和可维护性。
　　本文采用Visual Basic for Windows 5.0(以下简称VB5)作为主要开发工具。VB5是一套完全独立的Windows软件开发系统，是可视化、面向对象、采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，它在功能上可与C语言程序设计员使用的专业Windows SDK相媲美。利用VB的事件驱动编程机制和可视化设计工具，并使用Windows内部应用程序接口函数(API)，采用动态链接库(DLL)、动态数据交换(DDE)、对象的链接与嵌入(OLE)以及开放式数据库访问(ODBC)等技术，可以高效、快速地建造出Windows环境下功能强大、图形丰富的应用软件系统，是理想的工作组级的开发工具。虽然VB5在速度上与C/C++相比尚有一定不足，由于系统对实时速度要求不高，完全可以由硬件速度来补偿，相比之下却可节省大量宝贵的开发时间。

2.3　系统软件功能

　　本变电站自动监测软件具备以下功能：
　　1) 数据监测　提供准确全面的实时数据。变电站的各种运行数据将通过遥测装置采集，由PLC预处理后送入计算机监测系统。这些数据包括遥测量，遥信量，事故顺序记录等。对于遥测量，系统还提供在线计算功能，可进行电度的在线计算。
　　2) 画面调用与显示　提供丰富的画面调用功能，包括菜单调用、联想画面调用和按文件名索引调用等多种画面调用手段。这些画面和曲线包括：主接线图，实时运行曲线图，历史运行曲线图等。
　　3) 数据报表　自动或手动生成并打印各种数据报表。启动方式包括定时输出、事故输出和召唤输出等。报表包括各种日报表、月报表、事故追忆表和查询结果表等。
　　4) 数据库管理和查询　提供了强大数据管理功能，可自动对各种数据进行处理和保存，并可灵活地根据需要进行查询和更改。根据实际需要可以设置各种不同数据库，如状态数据库，事故数据库，安全数据库等。
　　5) 事故自动报警　当接到某事故信号时，计算机显示器上立即显示相应事故部位、时间和内容，并自动推出相关画面，同时伴有音响报警、自动打印记录功能。当保护动作后，相应开关发出闪烁信号，以提醒运行人员的注意。
　　6) 模拟屏通信　在主控计算机上可自动或手动地对模拟屏进行不下位操作，实现亮屏、暗屏和查灯等常规功能。
　　7) 安全保护　当对系统进行操作时，可提供各种保护和检查功能，杜绝错误操作和非法操作。由于实际需要的差别，还对操作权限进行了划分，防止越权行为。除操作系统本身提供的保护外，还在监控软件内部设置各类保护，包括口令保护，操作记录等。
　　　　在实际软件开发中，我们为提高开发效率和后期可维护性、可扩充性，采用了结构模块化和面向对象的程序设计方法。软件在结构上被划分为若干模块：人机界面，数据库及数据库管理，数据输入和事故识别，常规处理，事故处理，系统查询与维护，权限检查与操作记录，绘图与制表，多媒体等。图2详细地描述了各模块间的相互作用关系。

图2　系统软件数据流图

3　硬件系统改进探讨

3.1　无线扩频通信简介

　　有线通信传输距离有限，当距离较长时可靠性有所下降。相对而言，无线通信传输距离远，而且不用专门铺设线路，网络拓扑还可灵活改变。最近又新出现一种性能优异的无线扩频通信技术，它可重复使用频带，抗干扰性强，误码率低，有很强的隐蔽性和保密性，特别是安装简便，易于维护，是一种全新的通信方式，特别适用于变电站领域的通信。因此可以尝试将这种无线扩频技术应用于变电站自动监测系统。

3.2　扩频通信系统构成

　　扩频通信可以构成点对点或一点对多点系统，正好适用于变电站中主站和子站的分布式数据通信，其典型应用见图3。

图3　扩频通信筒图

4　结　论

　　提出并建立了基于PLC的变电站自动监测系统，该系统运行安全可靠，可维护性好；采用当今最先进的软件开发环境和编程技术开发系统软件，界面友好，功能强大；对无线扩频通信技术应用到变电站监测系统的实施方案进行了探讨。