冗余技术在厂站端自动化系统中的典型应用

包翼

摘要：本文主要对冗余技术在厂站端自动化系统中的典型应用进行了分析和探究，首先对冗余技术在厂站端自动化系统中的应用背景进行了分析；然后简单介绍了冗余技术的基本概念；最后对冗余技术在厂站端自动化系统中的典型应用进行了分析。

关键词: 冗余技术、自动化系统、厂站端

中图分类号：C35文献标识码： A

一、前言

冗余技合理的冗余设计是过程控制系统必须的，在厂站端自动化系统中，通过冗余设计，可以保证系统具有很高的可靠性，提高了电力工业生产的管理水平，降低了工程实施和日常维护成本。同时冗余技术是自动化控制系统可靠性保证的一种手段，所以冗余技术在电力系统厂站端综合自动化系统中得以广泛采用。

二、背景分析

如图1所示，为典型的厂站端综合自动化系统结构示意图，系统采用分层结构，包括站控层、间隔层两层。

通过这个结构图我们可以看到冗余技术几乎应用到了自动化系统的各个环节：整个自动化系统由两台冗余的远动设备实现与调度通信，当地监控采用双冗余的主机，站控层采用双冗余的工业以太网（或者现场总线网络），与调度主站的通信采用双冗余的通道，另外远动设备内部采用双冗余的电源供电，负责为全站对时的 GPS 时钟同步装置采用冗余型对时装置。

三、冗余技术

1、冗余技术简介

冗余技术又称为储备技术，是利用系统的并联模型来提高系统安全可靠性的一种有效的手段，冗余技术可以分为工作冗余和后背冗余两种技术。其中，工作冗余是一种或者两个或以上的单元并行工作的并联模型，一般情况下是由各处单元平均负担工作，因此工作能力有冗余；后背冗余一般情况下只需要一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。就以计算机为案例来介绍冗余技术，计算机的服务器以及电源等重要的设备，都是采用一用二备甚至是一用三备的配置，在计算机正常工作时，几台服务器可可以同时工作，互为备用，电源也是同样的工作。但是，一旦遇到通电或者是计算机故障，服务器或者电源就会自动转到正常的设备上继续工作，这样就能确保系统不停机，数据不丢失。

2、软件冗余技术

计算机软件冗余技术指的是在一台计算机的主机内拥有两套独立程序，也就是所谓的带有比较结果的一硬二软技术。主机内的两套程序都能独立完成对输出数据的处理，在计算机运行正常的情况下，数据经由比较器进行比较，在比较结果一致的情况下会经过两套输出电路，达到数据的输出来接通控制电路。在计算机发生故障时，因为两套计算机程序都是独立的，这样经过比较器得出的比较结果就会变得不一致，这种比较结构无法接通控制电路，就会导致计算机无法得到正常的供电。这样就会通过计算机的自动监控器的监控，在计算机电路短点的情况下，软件冗余就会将计算机导向安全的结果。在软件冗余技术中，计算机的存储器和CPU等器件都是公用的，而计算机的程序编制需要严格独立。这种计算机的一硬二软技术不能做到电路的完全独立，因此这种软件冗余技术存在着孪生性故障的隐患。

3、“二取二”硬件冗余系统

“二取二”硬件冗余系统是指两台完全相同的计算机在对输入数据进行处理后，得到的数据结果是相同的。这种处理结果会经过比较器的比较，在确认结果后就能使同步器的控制系统通过输出电路做出控制命令。而在计算机发生故障时，两台计算机的数据处理结果是不相同的，这样比较器进行比较后会给出切断电路的命令，切断计算机的电路做出故障警报。“二取二”硬件冗余系统有效的保证了计算机电路的输出，防止计算机在发生故障时产生连锁反应，导致计算机的数据丢失。

四、冗余技术在厂站端自动化系统中的典型应用

多种冗余技术在电力系统厂站端自动化系统的设计中得以应用，使得其可靠性大大提高，以下以图1所示的自动化系统为例，说明冗余技术的典型应用。

1、主机的冗余

主机冗余包括监控主机的冗余和远动主机的冗余，在本自动化系统中，监控主机和远动主机是平等地通过站级网络和间隔层装置交换信息。前面介绍了系统冗余和单元冗余的概念，如果把主机看作系统，主机完成的各种服务（如监控主机的实时库、历时库、图形等，远动主机与各个通信接口的通信）看作是单元的话，传统的主机冗余方式大部分采用系统冗余即只有一台主机工作，另外一台主机处于热备状态，本自动化系统采用了单元冗余，即不同的服务可能运行在不同的主机上，正常情况下可能两台主机都在工作，这样不仅分担主机负荷，还提高了系统可靠性。主机之间需要实现数据同步以便在备份机接管工作机的工作后保证数据不丢失，采用软件方式通过网络交换数据实现同步，为了保证冗余的主机之间的通信是可靠的，用于同步的通信通道必须是冗余的。远动主机冗余的一种特殊形式是两台主机都具备全部的数据而由调度端的主站来选择。

2、站级网络的冗余

站级网络采用双冗余的工业以太网或现场总线网络，可为同构的双网络的冗余也可为异构的双网络冗余。网络冗余主要有提高可靠性、分担网络负荷等功能，在本自动化系统中主要目的是提高通信的可靠性，对于主动上送的规约，上行信息从两个网络同时上送并由主机选择一个网络的数据，下行信息由主机选择一个当前有效的网络，应答信息从收到下行信息的网络上送，这样既避免了不必要的网络流量又保证了在网络故障时迅速切换。在本自动化系统中，站控层设备对每台间隔层装置均跟踪其双网的工作状态，而并非只是跟踪站级网络的工作状态，这样保证出现交叉故障时的数据正常，也是单元冗余优点的另一体现。当有网络切换时均需上送告警信息以便使维护人员处理可能发生的故障。

3、电源的冗余

电源冗余是指采用两块及以上的电源模块为装置内的各个模块冗余供电。实现电源冗余通常有两种方案，一是通过专用的冗余电源适配器，适配器外接两路电源输入，一路输出给各个模块供电，两路输入中任何一路故障时另外一路仍能保证系统正常供电；二是在两个电源模块分别按照支持冗余功能来设计直接给其他模块供电。电源冗余通过硬件电路来实现，各电源模块均有状态监视/告警信号供其他 IO 模块采集。两路外接的输入电源需来自不同的供电电源，这样避免了由于供电电源故障而使系统停电。

4、对时源的冗余

为了便于事故分析，自动化系统中须具备时钟同步功能以达到各个装置时间一致，整个厂站端自动化系统的对时由远动装置来实现，或者 GPS 时钟同步装置直接给间隔装置对时。这里所说的对时源的冗余指以下几个方面，一是指对时源可以是 GPS装置和调度主站，二是指两台冗余的主机的对时处理配合，三是 GPS 装置的双冗余设计。对时源可以是 GPS 装置也可以是调度主站，但同一时刻只能有一个对时源，远动设备必须通过软件判断只能使一个对时源有效，同样的道理两台冗余的远动设备也必须保证同一时刻只有一台对时功能起作用。GPS 装置的双冗余设计是指 GPS 装置内部采用双冗余设计，采用两套处理器、天线和接收器，处理器之间互相交换信息，保证同一时刻只有一个输出信号。

五、结束语

综上所述，本文主要对冗余技术在厂站端自动化系统中的典型应用进行分析，冗余技术就是增加多余的设备，以保证系统更加可靠、安全地工作，所以在厂站端自动化系统中的应用大大提高了设备的可靠性。冗余的分类方法多种多样，但是每种冗余的实现都是有代价的，虽然单元冗余的可靠性比系统冗余高，但是有时完全的单元冗余实现是非常困难的。因此，在实际工作中，要根据系统的具体情况，在满足一定的技术要求的情况下，实现一种性能价格比高的冗余方式。

参考文献：

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