可适配多模块数据集控系统的研究与应用

周清平

(华自科技股份有限公司，湖南 长沙 410205)

0 引言

随着社会经济的不断发展，用电规模越来越大，人们对电力系统及其设施的安全性可靠性要求也越来越高，因此加强对整个电力网络系统、设备及负荷的全方位监控成为一种趋势。在电力系统控制领域，自动化、智能化［1］、网络化、信息化被更广泛地推广与应用，电力监控形式也多种多样。然而当前存在的监控系统都具有监控不到位现象，对没有配置监控接口回路，将无法进行信息状态的收集与对象的控制。为了满足全方位监控，需要加装智能装置，不仅功能得不到充分利用，系统成本更是急剧增加。本文论述的可适配多模块数据采控装置的研究与应用从根本上解决这个问题，它能让用户从工程需要选配模块并适当组合，从而达到无缝监控要求，功能得到充分使用，成本也控制在最小范围。

1 智能监控系统的现状及问题

1.1 智能监控系统及其意义

智能监控系统利用现代计算机技术、自动控制技术、通信技术和网络技术等，采用智能一次设备、智能电力仪表，自动控制装置、通讯设备等，经电力监控［2］管理软件组态，对电力系统遥信、遥测、遥控，从而实现系统全方位的监控和管理。

通过建立供智能监控网络仿真模型，模拟配电网络运行，对用户配电网络及电气设备实行不间断监控和保护。系统发生故障时，首先以最快的速度切除故障，保护设备及负载，缩小停电范围，同时系统还提供大量的图形和报表等分析统计工具协助运行人员分析故障原因，尽快查找和排除故障，及早恢复供电，提高系统供电的可靠性。

1.2 智能监控系统结构形式

智能监控系统由站控层、中间层及现场设备层三大部分组成。

站控层位于监控室内，包括安装有智能电力监控系统的后台主机及相关外围设备，接收通讯间隔层上传的数据和信息，进行集中存储、分析、管理，并执行相关操作，同时下发控制和命令。站控层负责整个变配电系统的监控和管理。

中间层采用多串口服务器、以太网交换机等通讯管理设备，与现场设备层的带通讯功能的各类装置进行通讯，采集其数据与参数，传输到主站层，同时接受来自主站层下发的控制和命令，按要求传达到对应的装置和设备。

现场设备层位于变配电现场，包括微机保护装置、多功能仪表、智能操控装置、电能计量表、谐波监测装置等，采集电力系统现场的各类开关量、模拟量数据和信息，发送给中间层，由中间层上传至站控层，同时执行中间层下发的各类指令。

1.3 现场设备层的实现手段及存在的缺陷

整个监控系统中现场设备层位于系统最下层，与现场设备紧密联系。为实现对现场设备状态信息的采集，或对设备对象的控制等，监控回路中一般使用智能化的一次设备和二次元件装置，采集现场对象的温湿度、开关量、模拟量等状态信息并对目标对象进行控制。

现场设备层对监控的回路或对象需要按要求相应配置监控接口或智能组件，各接口或组件不能组合和互用。在实际工程应用中，一般设备及控制回路，需要对其采集与监控的参数不多，这部分回路或设备因成本与技术因素目前无法安全配置监控接口或智能组件，因此无法进行信息状态的收集与对象的控制。这类监控系统都存在监控不到位现象，是存在缺陷的。

2 目前缺失监控的处理办法

一般设备和负荷在整个系统中相对重要负荷作用要低，但对其的监控又不可或缺，为此需要采取措施和办法采集其状态信息，并对其参数调整、操作控制等。目前处理的方法主要有以下两种，即加装多功能仪表和配置PLC系统［3］。

2.1 多功能仪表加装

多功能仪表能采集电流、电压模拟量，设备的位置信息及开关的分合闸状态等，同时具有二到三路可控的继电器输出口，并配置RS485通讯，在回路的监控上完全满足系统要求，目前在监控系统中较多采用智能仪表来监控一般回路或负荷来解决缺失监控的问题。因网络控制的限制，每个控制对象需单独配置一套多功能仪表，然而多功能仪表功能强大，如有功、无功检测，谐波监测等，在实际应用中基本上使用不到，造成功能的冗余，加之多功能仪表的价格比较高，因此在“死角”监控中无法得到理想解决。

2.2 PLC系统配置

PLC系统在DCS工业控制领域应用非常广泛，由于它的完善的功能及配置，在电力监控系统中同样可以得到充分的利用。PLC系统具有电源模块、CPU模块、通讯模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块等，并可按现场要求随意组合与配置。然而PLC并不为现场设备的底层而设计，它能进行程序编程，人机界面的组态等，是完整的DCS控制系统，在电力监控系统中用作设备层的智能信息装置应该说是一个极大的浪费，最终控制系统的造价可想而知。

3 可适配多模块数据采集与控制

3.1 全方位监控的解决策略

电力控制系统由多个不同功用的设备与回路构成，它们各司其职，独立动作但又相互联系、相互制约，缺一不可。设备有重要与一般之分，回路控制有复杂与简单的不同。重要的设备比如消防水泵，复杂的控制回路如中央空调集控［4］，要监测的量非常多，电流、电压、频率、功率因素、有功、无功、谐波及电能量等，同时控制的点也相当繁杂，如正转、反转、启动、停止、加速、减速等，需要有专用的装置进行采集和控制，智能监控系统设备层的多功能仪表、智能断路器、智能组件、微机保护装置、专用控制器等都能从不同角度满足要求。而对于一般负荷和回路，要采集和控制的量的比较少，项目实施过程中会考虑成本和效果，但无法做到二者兼顾。

可适配多模块数据采集与控制的全方位监控的解决策略就是既要满足成本控制需要，又要符合系统监控效果及完整性要求，达到全方位无“死角”监控，即所有对象进行监控，包括一般回路和设备，对无专用智能装置及接口的回路的信息与控制量统计汇总，采取合理机制进行分类组合监控，从而达到全方位监控，并且监控成本又相当低。

3.2 系统结构与实现

3.2.1 模数化结构

为适应多种应用现场的可变组合需要，数据采集测控装置采用模块化［5］结构，插拔式制作工艺，各类型模块可随意选插到机箱内，类型与位置不受限制和约束，极大地满足了工程用户的灵活选配与使用。一个插槽为一个单元，大小尺寸均相同。机箱作为采集测控装置的整体构架，在结构设计上也考虑到采用标准4U或8U模数化形式，在具体工程应用中可根据实际监控规模大小选用相应机箱形体。模数化结构如图1。

图1 模数化结构示意图

小型工程项目中，电力成套设备内及现场控制设备的离散状态信息量、开关量、整定值及控制字等根据实际情况用一套标准模数化装置即可完成监测与控制。面对大型工程，可选用多套装置进行组合，扩展功能单元，也能解决全方位超量信息的监控要求。

3.2.2 多类型模块

图2 系统构架图

就单独一个简单控制回路与设备在监控系统中的信息与控制量不一定很全面，有的只有开关输入量，有的只有温湿度量，但综合所有回路及设备，包含了各种类型的信息量与控制量，模数化数据采集及控制装置系统基于此进行设计与研发，主要有 DI、DO、DCI、DCO、RT、AC等模块，当然还有 POWER及CPU模块。DI模块实现开关量输入信号的采集;DO模块对外提供开关量输出信号;DCI模块实现直流输入信号的采集;DCO模块对外提供直流量输出信号;RT模块实现温度输入信号的采集;AC模块实现交流输入信号的采集;POWER模块为装置工作提供电源;CPU模块完成数据处理、通讯等功能。

3.2.3 系统构架与模块自适应

各功能模块在模数化机箱平台基础上，通过CAN总线连接，POWER模块提供工作电源，CPU模块完成整体数据处理及上位通讯，从而搭建一套功能完备的信息采集［6］与控制系统，如图2。

各功能模块根据现场应用进行组合与配置，数量及插拔位置不受限制，这就需要模块本身及系统平台需要具备自适应功能，在模块插入机箱构架时，模块与系统平台即进行握手通讯，从而完成自适应。自适应流程图及插槽模块类型定义程序如图3。

图3 自适应流程图

4 结束语

本文从当前智能电力监控系统的现状出发，剖析设备与技术等多方面制约因素，分析当前智能监控现场设备层监控“死角”与遗漏监控的深层原因，提出可适配的多模块的数据采集与控制系统理论，对现场离散的状态与信息及控制量进行集中监控，以最优的成本控制达到全方位［7］智能监控的要求。各类型模块任意适配概念及模数化结构思想完全满足工程用户不确定性及自由多变的需求。然而本文中的多路信息的集中监控与传输理论是在硬件设备性能与网络通讯速率完全满足要求的前提下提出的，实际上现有条件是存在一定困难的，因此如何进一步提高数据的集中并行处理性能与可靠性将是下一阶段研究的方向与课题。

［1］张杭.智能化电器和智能化开关柜的现状与发展［J］.江苏机械制造与自动化，1999，28(6):3-8.

［2］魏建国，李小玲.智能建筑配电监控系统［J］.攀枝花学院学报，2010，27(3):62-65.

［3］晏行芳.智能配电监控系统的应用［J］.芜湖职业技术学院学报，2003，5(3):6-9.

［4］宫慧颖.集控站自动化监控系统构造模式的分析与设计［J］.北华大学学报，2011，12(1):113-116.

［5］谭忠显.多路数据采集系统的模块化设计［D］.重庆:西南大学工程技术学院，2010.

［6］陶晓农.分散式变电站监控系统中的通信技术方案［J］.电力系统自动化，1998，22(4):51-54.

［7］扬培君，马文瑞.智能配电监控系统的人机交互设计［J］.电子科技，2011，24(4):92-95.