变 电 所 监 控 及 其 网 络 系 统 的 设 计
采用光电耦合器可以切断主机与前向、后向及其它主机部分的电路联系，光电耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻大，且输入/输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，因此回路一侧的干扰很难通过光耦送到另一侧去。能有效地防止干扰从过程通道进入主机。在传输线较长，现场干扰十分强烈时，为了提高整个系统的可靠性，可通过光耦将长线完全“浮置”起来。
2) 长线传输的阻抗匹配
信号在长线传输时,阻抗不匹配的传输线会产生反射,使信号失真,可采用终端并联阻抗匹配,接钳位二极管、始端串联阻抗匹配等措施。 3．印刷电路板及电路的抗干扰设计
1) 地线设计
在印刷电路板设计中尽量将数字电路地和模拟电路地分开。且两者地线不能互混,接地线应尽量加粗,构成闭环路,降低地线产生的电位差。有可能时,接地线应在2～3mm以上。
2) 去耦电容配置
电源输入端跨接10～100μF的电解电容。原则上每4～10个芯片安置一个1～10μF的限噪钽电容器。对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM存储器件,应在芯片的电源和地线间直接接入去耦电容。 4．数据采集的抗干扰设计
数据采集的精度是测控系统控制精度的重要标志，干扰信号会造成数据采集误差加大、控制状态失灵、数据发生变化、程序运行失常等现象。为提高采集数据的可靠性和精确性，软件应采用离散的采集方式，并选用了相应的数字滤波技术。
1) 离散的采集方式
参数采集应遵循“离散采集同一参数，连续采集不同参数”的原则，连续采集同一参数容易使采集数据受到干扰的影响，数字滤波技术对此无能为力。而使参数采集离散在时空中，降低了干扰的概率，并使干扰分布在不同的参数上，这样采用多次采集和数字滤波即可以除去干扰的影响。
2) 数字滤波技术
数字滤波是通过算法程序对采样信号进行平滑加工，滤出采样信号，消除或减少干扰。常用的数字滤波方法有：算术平均值法、比较舍取法、中值法、一阶递推数字滤波法，针对不同的干扰及对象特性，应采用不同的滤波方法。在设计中，通常是将几种方法结合起来使用。
5．控制状态位的抗干扰设计
控制状态位可采用软件冗余法和设置当前输出状态寄存单元，当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时，系统能及时查询寄存单元的输出状态信息，使系统恢复原有的输出状
33
变 电 所 监 控 及 其 网 络 系 统 的 设 计
态。
6．程序运行失常的抗干扰设计
干扰信号有可能使CPU的程序计数器PC值发生变化，使CPU执行一系列的错误指令，导致程序跑飞、陷入死循环或改变系统的参数值等故障现象，给监控系统的可靠性构成极大的危险。因此，必须设置软件陷阱和监视跟踪复位电路。
1) 设置软件陷阱常用软件陷阱是利用转移指令LJMPXX,强行将运行失常的程序转向故障处理程序的首地址，通过故障处理程序的诊断和处理，使系统恢复正常。软件陷阱一般安排在软件功能模块之间和控制转移指令(如LJMP、RETI等)后的断点，使跑飞的程序转向故障处理。将空置的ROM区设置成FFH，并每隔一段放置一个软件陷阱，当程序进入这些单元时，即可自动捕捉到跑飞的程序。
2) 采用监视跟踪复位电路软件陷阱可解决上述的程序跑飞问题，但当跑飞的程序陷入死循环时，软件陷阱就无法捕捉到它，所以还应采用监视跟踪复位电路。利用监视跟踪软件对程序运行情况进行监视，一旦发现程序运行不正常时，发出故障信号，通过相应的硬件设备，让监控系统进行故障处理，迅速恢复程序的正常运行。常用方法是配置系统看门狗电路，设计一个单稳定时器电路，工作方式为连续触发输出，输入端与CPU的某一端口线相连，输出端连接到单片机的复位电路，在整个系统程序中多处加入置位指令。程序正常运行时，不断地通过该端口线输出脉冲信号，使单稳定时器电路一直处于触发状态，当程序运行出现异常时，单稳定时器电路的触发脉冲丢失，其输出状态改变，转化成为单片机的复位信号，使系统具有自恢复力，重新启动，脱离失控状态，重新开始正常工作。
34
变 电 所 监 控 及 其 网 络 系 统 的 设 计
4系统通信网络结构
4.1 概述【4】【5】【10】【11】【23】
数据通信的内容很广，计算机与计算机、一个系统与另一个系统、计算机内部各个部件之间、人机接口设备之间的信息交换等都属于数据通信的范畴。
变电站监控系统实质上是由多台微机组成的分级分布式的监控系统，包括微机监控、保护、电能质量自动控制等。因此，在监控系统内部必须通过内部数据通信，实现各个子系统内部和各个子系统之间的信息交换，以减少变电站二次设备的重复配置和简化各子系统间的互连，又提高系统整体的安全性，这是常规变电所的二次设备所不能实现的。
另一方面，变电所是电力系统中电能传输、交换、分配的重要环节，它集中了变压器、开关、无功补偿等昂贵设备。因此，对该监控系统的可靠性、抗干扰能力、工作灵活性和可扩展性要求很高，尤其是在无人值班变电所中，不仅要求系统所采集的测量信息和各断路器、隔离开关的状态信息和继电保护动作信息等能传送给上级调度中心，同时也要能接受和执行控制中心下达的各种操作和调控命令。
因此，变电所监控系统的数据通信，包括两方面的内容：一是小系统内部各个子系统间的信息交换；二是各个小系统与调度控制中心间的通信。本文主要阐述变电所一个小系统内部的信息通信。
4.1.1 监控系统内部的信息交换
由于本系统采用变电所上位机—智能监控单元—设备层的分层分布式监控系统，所以需要传输的信息有如下几种：
1. 设备层与智能监控单元层间的信息交换
设备层的高压断路器可能有智能传感器和执行器，可以自由地与单元层的装置交换信息，单元层的设备大多数需要从设备层的电压和电流互感器采集正常和事故情况下的电压值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息，这些信息可能包括：断路器和隔离开关位置、变压器、互感器、避雷器的诊断信息以及断路器操作信息。
2. 智能监控单元层内部的信息交换
在一个单元层内部相关的功能模块间，即继电保护和控制、监视、测量之间的数据交换。这类信息有测量数据、断路器状态、器件的运行状态、采样信息等。
3. 智能监控单元层与变电所上位机间的信息交换
这两层之间的信息交换内容很多，概括全起来主要有如下3种：
1) 测量及状态信息 正常和事故情况下的测量值和计算值，断路器、隔离开关、主
35
变 电 所 监 控 及 其 网 络 系 统 的 设 计
变压器分接开关位置。
2) 操作信息 断路器和隔离开关的分、合命令，主变压器分接头位置的调节，自动装置的投退等。
3) 参数信息 微机保护和自动装置的整定值等。 4.1.2 变电所监控层系统与其他监控站之间的通信
变电所不仅要与智能监控单元交换信息，而且要能与同级监控系统交换信息。从较大系统的角度考虑，还要能与上级监控中心进行数据交换，从全系统范围考虑电能质量等，这些功能如果实现，将给电力系统带来很大效益。同时，这也是变电站实现综合自动化的优越性和要求的目标。
1．局域网络技术的应用
局部网络（Local Network）是一种在小区域内使各种数据通信设备互连在一起的通信网络。局部网络可分成两种类型：①局部区域网络，简称局域网（LAN）；②计算机交换机（CBX）。局域网是局部网络中最普遍的一种。
单片机技术和局域网络技术的发展，为变电所监控系统的结构向分散式发展创造了有利的条件。为分散式系统提供了通信介质、传输控制和通信功能的手段。
局域网络的某些典型特性是：①高数据传输速率，0.1～100兆位/s；②短距离，0.1～25km；③低误码率，10－8～10－11。
2．控制室网络的拓扑结构
在网络中，一个或多个功能与传输线路互连的点称为节点，节点也可定义为网络中通向任何分支的端点，或通向两个或两个以上分支的公共点。各个站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑，构成局域网络的拓扑结构有很多种，基本的结构有点对点、星形、总线形和环形四种。本系统总线结构总的来说采用总线形结构。这种结构采用单根传输线作为传输介质。所有的站点都接在一条公用的主干链路上，任何时刻只允许两个站点间通信，但任两个节点间通过总线直接通信，速度快，延迟和开销小，通信介质使用双绞线或同轴电缆。具有容易布线、可靠性高、结构简单、易于扩展等优点。增加新节点，只要在总线任何一点接入即可。
各个站点间我们采用目前应用较多的ETHERNET网络，这种网络采用总线型拓扑结构，同轴电缆为传输媒介。这种网络有很多商业化的网络产品，具有许多突出的优点：如可靠性高、灵活性好、传输速率高、软硬件支持性好、实时性问题也能得到较好的解决。
基于以上分析，变电所监控系统中的控制层的局域网就直接采用ETHERNET网络（见2.2）。但是，为了实现变电所监控系统的控制室层的局域网络各个站点间实时数据和控制信息的传输，摆脱对网络服务器的依赖，以实现高效、可靠的数据和资源共享，必须要自行开发出适合实时通信的软件。
36
变 电 所 监 控 及 其 网 络 系 统 的 设 计
4.2 数据通信的特点与要求【10】【11】【12】【24】
1. 通信网络的要求
由于数据通信在监控系统内的重要性，经济、可靠的数据通信成为系统的技术核心，二由于变电所的特殊环境和监控系统的要求，使变电所监控系统内的数据网络具有以下特点和要求：
1） 快速的实时响应能力 变电所监控系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息。在电力工业标准中对系统数据传送都有严格的实时性指标要求，因此网络必须要很好地保证数据通信地实时性。
2）很高的可靠性 电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行。通信网络的故障和非正常工作会影响整个变电所监控系统的运行，设计不合理的系统，严重时甚至会造成设备和人身事故，造成很大的损失，因此系统的通信子系统必须保证有很高的可靠性。
3）优良的电磁兼容性能 变电所是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强电磁干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须注意采取相应地措施消除这些干扰地影响。
2. 信息传输响应速度的要求
不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大，具体内容如下：
1）常传输的监视信息。①监视变电所的运行状态，需要传输母线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、频率等测量值，这类信息需要经常传送，响应时间需要满足SCADA的要求，一般不宜大于 1～2s；②计量用的信息，如有功电能量和无功电能量。这类信息传送的时间可以较长。传送的优先级可以较低；③刷新变电所上位机监控层的数据库。需要定时采集断路器的状态信息，继电保护装置和自动装置投退的工作状态信息，可以采用定时召唤方式，以刷新数据库；④监视变电所的电气设备的安全运行所需要的信息，如变压器、避雷器的状态监视信息。
2） 突发事件产生的信息。①系统发生事故的情况下，需要快速响应的信息，这种信号要求传输时延最小，优先级最高；②正常操作时的状态变化信息要求立即传送，传输响应时间要小，自动装置和继电保护装置的投退信息，要及时传送；③故障情况下，继电保护动作的状态信息和事件顺序记录，这些信息作为事故后分析用，不需要立即传送。 4.3 数据通信的传输方式【7】【11】【12】【22】【25】
数据通信是计算机和通信相结合而产生的一种新的通信方式，它是各类计算机网络赖以建立的基础。
在数据通信中按照数据的传输方式可以分为并行数据通信和串行数据通信，并行数据
37