基于以太網的電網監控系統設計

李響

(重慶電子工程職業學院，重慶401331)

基于以太網的電網監控系統設計

李響

(重慶電子工程職業學院，重慶401331)

以工業以太網為基礎，底層主控模塊為核心，結合模糊控制策略，構建了電網監控系統。該系統具有遙測、遙感、遙控等功能，可以有效地對電力系統運行情況進行監測和遠程控制。經測試證明，該系統可靠有效，具有一定的推廣價值。

以太網；嵌入式；監控；電力系統

電網監控系統是現代電網運行管理的重要手段。隨著電力電子技術、計算機技術、通信技術的發展，電網監控的功能也日趨完善。

電網監控系統的主要作用在于收集電網的運行狀態信息，并將這些信息進行一定程度的處理和加工，然后將結果提供給工作人員。工作人員通過對數據的觀察，確定電網運行的狀況。而與此同時，系統也可自動地監視各運行參數的合理性，當運行狀態偏離正常的情況時，及時發出報警信息，給予工作人員一定的提示。工作人員在控制臺可以遠程控制電網的運行，當工作人員沒有及時解決問題時，電網監控系統自動生成一系列控制命令，并將命令以一定方式通知工作人員，以保證電網運行的可靠性。

從以上功能可以看出，一個功能完善的電網監控系統具有其自身的特點：

(1)具有存儲和分析大量數據的能力。電力系統的復雜性導致監控系統中的數據結構復雜、數量眾多，這就要求相應的監控系統能夠準確地描述監控系統所管理的設備及其運行信息，同時又必須具有良好的數據分析功能，可以幫助工作人員在最短的時間內完成對電網狀態的反映和識別；

(2)系統必須具用高的可靠性。電力系統的安全運行是涉及國民經濟，廣大人民群眾生命生活的大事。因此，監控系統的運行管理和監視必須能夠保證24小時連續運行，要求整個系統要具有互相支援，互為后備，可以脫機維護和故障排除時間短的特點；

(3)強健的通信系統，保證系統的實時性。良好的監控系統必須對電力系統中所發生的各個“事件”在最短的時間內作出及時的反應，這就要求系統具有一個良好的通信系統，可以暢通無阻地實現數據和控制命令的上傳下達。

針對以上要求，本文論述了以工業以太網為核心的遠程電網監控系統的總體結構和相關設計，并利用模糊控制策略改進了系統，提高了系統的準確性和及時性。

1 監控系統總體設計

基于工業以太網的電力系統監控系統總體結構如圖1所示。整個系統分為3個網絡層次：信息管理層、控制層和設備層。

信息管理層由上層信息中心組成，利用TCP/IP協議，對從設備層傳遞來的信息進行存儲、顯示、篩選和處理后，形成一整套完整的生產數據，并將結果顯示在生產調度大屏幕上，一方面可以有效地觀察生產狀態，對預警信息進行及時處理；另一方面為安全高效的生產方案的制定提供必要的數據基礎。

控制層的作用主要有兩個：一個是處理設備層上傳過來的各種信息；第二是下達信息管理層的控制命令。對于第一種功能，控制層利用單片機及嵌入式網關構成主控模塊，對設備層采集的數據進行處理、匯總，構成統一的數據存取模式，并生成現場的監控顯示系統；對于第二種功能，控制層需要按照信息管理層或現場監控系統的應急反映，分門別類地將控制命令下傳至設備層的控制元器件上，以生成有效的控制過程。控制層采用雙機冗余方式，采用1 000M工業以太網從具有CAN總線結構的設備層接收數據，并將數據送入服務器的數據庫中進行存儲。

圖1 監控系統整體結構

設備層：現場設備層具有結構復雜的特點。因此，在局部采用CAN總線結構，整體采用工業以太網。各CAN總線的終端連接相應的電壓互感器和電流互感器等現場數據采集傳感器和控制命令執行機構，形成采集數據流和控制命令流。

2 監控系統硬件選型

電網監控系統中，需要實時采集電流、電壓等信號。在本設計中，采用電壓互感器和電流互感器來實現這一目標。

(1)電壓互感器：根據所測量電壓的具體量度、實際使用環境和測量精度的要求，每一條線路可以選擇不同型號的電壓互感器來完成測量。本設計中測試所用的是0～3MA 2MA/ 2MA電壓互感器，這是一種微型精密電壓傳感器，具有高精度和一致性好的特點。具體結構如圖2所示。

圖2 電壓互感器基本原理圖

從圖2中可以看出，該產品為有源輸出，R為取樣電阻，C和r用于相位補償，R'為限流電阻。該類型電壓互感器一次側用來測電網電壓，具有不受二次負荷影響，測量精度高，使用簡單方便的優點，從實際測試結果來看，可以滿足采集電壓的要求。

(2)電流互感器：電流互感器種類也很多，應用至電網監控當中的電流量采集多選擇穿心電流互感器。本設計選用的電流互感器有兩種使用方法，如圖3和圖4所示。

圖3 電阻法采樣電路原理圖

圖4 IC法采樣電路原理圖

當用電阻法直接獲得采樣電壓時，其性能參數如表1所示。

當用IC法直接獲得采樣電壓時，其性能參數如表2所示。

3 以太網協議及模糊控制策略的使用

本設計的中間層利用了工業以太網來實現局部數據的通信，并利用32位ARM芯片構成網關，形成與Internet網的連接。工業以太網選用EPA來構建相應的通信協議。其底層采用IEEE802系列規范形成協議模型的物理屋和數據鏈路層，并在其上形成了網絡層、傳輸層和應用層，并且增加了用戶層。

上層通信采用Internet網，協議采用TCP/IP協議，EPA協議和TCP/IP的轉換依靠ARM芯片來完成。為了提高轉換的效率，采用模糊控制策略對數據的周期性報文和非周期的報文的發送和接收進行有序的控制。模糊控制系統框圖如圖5所示。

如圖5所示，所有的數據流和控制流生成數據庫，在規則庫中規則體系的作用下，采用神經網絡學習法形成推理機制，生成輸出選項，存入容錯服務器中的數據庫。

4 總結

本文設計完成了基于工業以太網的電網監控系統，系統的設備層采用CAN總線通信，并利用底層主控模塊采集數據，利用工業以太網將數據通過嵌入式網關傳入容錯服務器。上層信息管理層與嵌入式網關間利用Internet網進行數據的傳輸，并利用模糊控制策略構建了相應的數據傳送控制規則[1-2]。

圖5 模糊控制系統框圖

[1]汪萍.基于DSP的變電站網絡監控系統的設計[D]．淮南:安徽理工大學，2007：36-39.

[2]崔偉．基于工業以太網的智能電網監控系統[D]．大連：遼寧師范大學，2013：31-34.

Design of power gridmonitoring system based on ethernet

LIXiang
(Chongqing College ofElectronic Engineering，Chongqing 401331，China)

The monitoring system of power grid was built w ith the bottom main controlmodule as the core and combined w ith the fuzzy control strategy based on industrial ethernet.The system has the functions such as telemetry，remote sensing and remote control.And it can monitor and effectively remotely control the power system. The testproves that this system is reliable and efficient，and ithas certain promotion value.

ethernet;embedded;monitoring;power system

TM 727

A

1002-087 X(2016)07-1498-03

2016-02-25

重慶市教委科學技術項目(kj132205)

李響(1979—)，男，湖北省人，碩士，講師，主要研究方向為計算機通信技術、計算機應用技術、網絡技術。