分層分散式計算機監控系統網路結構

分層分散式計算機監控系統網路結構

電站計算機監控系統的發展與電子、計算機、通訊和網路等技術的發展密切相關，網路通訊技術在電站計算機監控系統中起著至關重要的作用。對於分兒分散式計算機監控系統，網路通訊技術的發展直接決定著系統結構、系統功能的實現和效能的優劣。

目前，分層分散式電站計算機監控系統的常用網路通訊方式歸納起來主要有三大類，即序列資料通訊、現場匯流排和乙太網。

一、通訊方式

（一）序列資料通訊

序列資料通訊系統是以站控層主單元為系統中心，以間隔層測控裝置或測控保護一體裝置為外圍，透過序列資料通訊介面組成的計算機監控系統。通常在間隔層採用 RS-232、RS-485、RS-422 等通訊介面，將其中的監控和保護裝置連線起來，並透過主單元與後臺系統進行序列資料通訊，將間隔層的資訊傳送至站控層，同時下達來自後臺系統或遠方調控中心的控制命令。序列通訊介質多采用遮蔽雙絞線。根據間隔層裝置與站控層主單元的通訊連線方式，序列資料匯流排主要有星型和匯流排型連線方式。

1。星型網路結構

星型網路結構是指以站控層主單元為系統的中心，以間隔層的保護測控裝置為外圍，每一個保護測控裝置與主單元之間按點對點方式連線。星型網路結構不允許裝置之間直接通訊，必須透過主單元才能實現間隔層裝置間的通訊。星型網路結構的連線介質多采用遮蔽電纜，一般距離在50m 左右。星型網路結構如圖 2-3所示。

（1）星型網路結構的優點主要有∶

1）可靠性高。單個連線點故障隻影響一個裝置，不會影響整個系統的通訊。

2）便於集中控制和故障診斷。由於每個節點都直接連到主單元，因此容易檢測和隔離故障，可方便地將故障節點從系統中刪除_

3）訪問協議簡單。任何一個連線只涉及主單元和一個間隔層裝置，因此訪問的方法簡單。

（2）屋型網路結構的主要缺點有；

1）通訊介質的輻射相對較為複雜，每個裝置均需要獨立的通訊介質，通道利用率低而且成本較高。

2）瓶頸問題突出，一旦主單元出現故障，將影響整個系統的通訊。

3）各間隔層裝置之間的橫向通訊必須透過主單元進行，通訊機制複雜且效率不高。為增加系統的可靠性，星型網路結構的電站計算機監控系統也可採用雙主控的方式。但由於系統結構複雜，軟體實現難度大，實際中已基本不適用該結構系統。

2。匯流排型網路結構

匯流排型網路結構是指在主單元與間隔層裝置之間的通訊方式採用序列匯流排形式的結構，其基本結構如圖2-4所示。

（1）匯流排型網路結構的優點主要有∶

1）佈線容易，通訊介質較省。

2）結構簡單，執行可靠。

3）方便節點的增減，操作方便。

（2）匯流排型網路結構的缺點主要有∶

1）故障診斷和故障隔離困難。

2）採用主從輪詢通訊機制。通訊速率較微型網路結構慢，通訊效率低。難以滿足較高的實時性要求。

3。匯流排型雙主單元結構

為了增加系統的可靠性，匯流排型的電站監控系統也可採用雙主單元的方式，其結構如圖 2-5所示。雙主單元系統的特點是主單元的冗餘性，如果一臺主單元故障，另一臺備用主單元就可以由備用轉為主機執行，使整個系統不致因主單元故障而陷於癱瘓狀態。

考慮到可靠性及效能維護等因素，匯流排型結構的電站計算機監控系統還可以將一條匯流排分割成多端資料匯流排連線各間隔層裝置，以實現匯流排的冗餘性及更大的資料傳輸能力，多分段匯流排型網路結構如圖2-6 所示。

4。主要特點

序列資料通訊具有介面標準化、規範化和介面方便等特點，便於工程實施。序列資料匯流排也存在一些固有的缺點，制約了其在電站計算機監控系統中各進一步的推廣應用，主要有以下幾個方面；傳輸距離短，傳輸速率低；通訊機制相對落後，實時性較差；抗干擾能力差，傳輸誤位元速率較高。

（二）現場匯流排

現場匯流排是指主單元和間隔層單元之間以工業現場匯流排進行資料通訊的計算機臨控系統。現場匯流排連線方式是將所有間隔層單元都接在一條公用的主幹鏈路上。主單元和間隔層單元可以實現雙向傳輸，通訊介質以雙絞線或同軸電纜為主，應用較多的現場匯流排由控制器區域網絡（Controller Area Notwork，CAN）、LonWorks等。

1。常見連線方式

由現場匯流排組成的計算機監控系統通常採用匯流排型的連線方式，此外也有少部分採用環型網路結構。現場匯流排一般也配有主單元，由其負責與各間隔層裝置及監控後臺的資訊交換，是整個系統的核心。現場匯流排型連線方式如圖 2-7所示。

2。主要特點

相對於序列資料通訊方式來說。現場匯流排具有協議簡單、容錯能力強、抗干擾性能好以及實時性高的特點。較好地解決了序列資料通訊的傳輸速率慢、易受干擾、通訊距離受限制等缺點。

現場匯流排雖然具有較好的實時性和較高的可靠性，但由於各種現場匯流排採用專用通訊協議，造成現場匯流排標準不一，互不相容，開放性不足。

（三）乙太網

隨著自動化技術的推廣應用，電站自動化水平得到不斷提升，電站計算機監控系統內部資料互動也越來越密集，網路流量也隨之增大。基於序列匯流排和現場匯流排的計算機臨控系統已很難滿足自動化對資料實時性的要求。為此，必須考慮採用具有更高速率，能滿足更多網路節點通訊需求的網路通訊方式。乙太網技術的發展，為電站計算機監控系統的網路結構最佳化創造了條件，不僅提高了電站計算機監控系統的效能，也豐富了網路結構。

目前，乙太網在電站計算機監控系統中應用的基本模式通常有是型和環型兩種結構。尾利網路模式較為常見。其網路通訊節點透過交換機或集線器組成可級聯的星型網路，網路節點分佈相對集中。

1。單層次網路結構

所謂單層次網路結構就是在監控系統中只使用一種乙太網，把站控層與間隔層透過網絡合為一個層次，結構簡潔、清晰。此種結構的系統又細分為單層單網和單層雙網兩種，其結構分別如圖2-8和圖2-9所示。

單層次網路結構中的主單元與序列資料匯流排、現場匯流排中的主單元作用基本相同。主單元與間隔層的各種保護測控裝置進行資訊交換，獲取各類實時資料，同時把各種命令下發給間隔層裝置，實現不同的控制與調節。此外，主單元還承擔著與站控層工作站進行資料通訊的任務，甚至還可兼做遠動工作站完成與遠方排程的資訊交換。

2。雙層次網路結構

所謂雙層次網路結構就是計算機監控系統的站控層工作站和間隔層保護測控裝置分別屬於不同層次的網路。這種網路結構在實際應用中主要有雙層次同構網路和雙層次異構網路兩種模式。

（1）雙層次同構網路模式。

雙層次同間構網路模式中。站控層和間隔層均採用乙太網，但屬於不同的網段，帶窗可以相同也可以不同。雙層次同構網路模式又可分為雙層單網和雙層雙網兩種。

1）雙層單網。雙層單網系統結構簡潔，但可靠性相對較差，應用較少。其網路結構如圖2-10所示。

2）雙層雙網。為提高雙層次結構系統的可靠性，可以把雙層單網升級為雙層雙網，從而增加網路的冗餘度，提高網路的可靠性。正常通訊過程中，雙網分別傳輸不同的資料內容，並且可以按主備方式執行。主備方式執行時，若其中的一條網路出現故障，另一條網路即可擔負起傳輸全部資料的功能，從而可以提高系統的實時性和可靠性，但同時增加了系統網路結構的複雜性。其網路結構如圖 2-11所示。

（2）雙層次異構網路模式。

當監控系統的站控層和間隔層採用不同性質的通訊網路時成為雙層次異構網路模式。在實際應用中上層選用雙高速乙太網，下層選用序列通訊或現場匯流排形式的單網。其網路結構如圖 2-12所示。

3。環型乙太網結構

環網通訊技術在其他領域的成功應用，為其在電站計算機監控系統的應用創造了良好的條件。目前已有不少電站計算機監控系統在間隔層裝置中開始採用環型乙太網網路結構，其網路結構如圖2-13所示。

環型乙太網結構最大特點是正常執行時環網上各節點以某一方向的資料流進行通訊。當環網上某處通道斷裂或節點發生故障時，與故障點最近的環網節點可快速透過改變資料流的傳送和接收方向，形成網路自愈。從而確保其他裝置的正常通訊，極大地提高了通訊的可靠性。

二、佈置形式及其特點

面向物件設計的分層分散式計算機監控系統的單個間隔層裝置可完成對某個電氣間隔的測量、控制及保護等功能，其佈置方式十分靈活，既可分散佈置也可集中佈置。目前，在電站中採用的分層分散式計算機監控系統主要有集中組屏、分散與集中相結合及全分散三種佈置型別。

（一）集中組屏的佈置形式

分層分散式集中組屏的結構是把整套監控系統按其不同的功能組成多個屏櫃，例如變壓器保護屏、公用屏、線路保護屏、測控屏、遠動屏等。一般這些屏櫃都集中安裝在主控制室中。其結構如圖 2-14所示。

集中組屏的主要特點∶

（1）執行人員操作方便，既可透過監控後臺進行操作，也可透過控制室中的保護屏、測控屏進行操作。

（2）全部屏櫃安裝在控制室內，工作環境好，電磁干擾相對開關櫃附近較弱，有利於系統的正常執行。

（3）資料採集透過電纜進行傳輸，增加了電纜的敷設量，加大了工作難度和工程造價。（二）分散與集中相結合的佈置形式

分散與集中相結合的佈置形式是為了減少二次電纜，簡化二次迴路。其中，對於低電壓等級的保護測控裝置，通常採用保護測控合一的裝置，分散安裝在各個開關櫃中，透過通訊網路對它們進行管理和資訊交換。即採用所謂的分散式佈置；而對於電壓等級較高的裝置，仍採用集中組屏安裝在控制室內或分散的裝置小室內，透過網路將這些分散的裝置或屏櫃連線在一起，進行資訊交換。其結構如圖2-15所示。

分散與集中相結合結構的特點∶

（1）低壓裝置保護測控裝置採用分散式結構，就地安裝，節約控制電纜，透過現場匯流排與保護管理機交換資訊。

（2）高壓裝置保護、測控裝置等採用集中組屏結構，保護屏安裝在控制室或保護室中，同樣透過現場匯流排與保護管理機通訊。使這此重要的保護裝置處於比較好的工作環境，有利於保護的可靠性。

（3）其他自動裝置，如備用電源自動投入裝置（AAT）、公用介面裝置等，採用各自集中組屏方式安裝在控制室或保護室中。

（4）系統透過網路互聯。各小室組成一個個小網路，然後再與站控層裝置構成一個完整網路系統。

分散與集中相結合的佈置模式，既發揮了分層分散式監控系統可分散佈置的優點，同時又兼顧了保護測控裝置對執行環境及抗電磁干擾等方面的要求。

（三）全分散式佈置形式

以變壓器、斷路器、母線等一次裝置為安裝單位，將各電壓等級的保護、測控裝置等就地分散安裝在一次裝置的開關櫃上，控制室內的主單元透過通訊網路與現場的各一次裝置屏櫃相連，形成全分散佈置的監控系統，其結構如圖 2-16所示。

全分散式系統結構的特點∶

（1）簡化了變電站二次部分的配置，大大縮小了控制室的面積。由於配電線路的保護和測控裝置分散安裝在各開關櫃內，減少了間隔層裝置安裝所需的各類保護和測控屏，因此主控室面積大大減小。

（2）減少了裝置安裝、除錯工程量。由於安裝在開關櫃的保護和測控裝置在開關櫃出廠前已由廠家安裝和除錯完畢，再加上敷設電纜的數量大大減少，因此現場施工、安裝和除錯的工期也隨之縮短。

（3）簡化了變電站二次裝置之間的互連線，節省了大量連線電纜。

（4）分散式結構可靠性高，組態靈活，檢修方便。各模組與監控主機間透過區域網絡或現場匯流排連線，抗干擾能力強，可靠性高。