[摘 要] 本文主要介绍了发电厂升压站自动化系统的框架结构和设计思想，并阐述了其系统实现的主要技术方法，包括数据结构设计、通信协议的应用、通信网络和通信控制站的冗余设计以及设备驱动程序的开发。
[关键词] 升压站 自动化系统
0、引言
发电厂升压站是整个发供电环节中的重要环节，我们根据生产需要，本着充分利用现有设备、尽量减少工作量以及经济实用的原则，将发电厂升压站二次设备经过功能重新组合，采用最新的计算机、网络和控制技术，实现了对升压站的自动监视、测量、协调和控制。
1、系统结构
系统结构如图1所示
Fig 1 System structure
整个系统主要由数据采集控制设备、通信控制站、数据通信网络和操作员站、工程师站、Web服务器等组成。其中数据采集控制设备采用分布式结构，通过现场网络与通信控制站通信，可以实现交流采样、波形采集、谐波分析、故障录波、事件记录、监控、保护、计算等功能。
通信控制站与操作员站、工程师站和Web服务器通过冗余数据通信网（快速以太网）相连，通信速率达100Mbit/s，可满足实时数据和操作控制命令通信的准确性、实时性。管理网用户可以用浏览器查询本系统的数据并可以进行数据的分析、汇总、打印等。
2、系统实现
系统是在消化、吸收各种变电站自动化系统的基础上，结合发电厂升压站的具体情况开发而成的。系统硬件方面，数据采集控制设备采用智能分布式设备，可就地安装，减少了信号电缆的敷设，提高了系统的抗干扰能力。系统采用分布式结构，可扩展性强[1]，通信控制站提供RS-232，RS-485，以太网及常见的现场总线网络接口，支持MODBUS，TCP/IP，CAN等多种网络协议，可以连接多种交流采集设备、调节器或PLC等。下面对系统实现过程中的主要技术进行讨论。
2.1系统数据结构
系统测点的数据结构是系统进行数据采集、通信和处理的基础，主要包括模拟量、开关量和计算量三种类型的数据结构：（1）模拟量类型数据结构，包括编号、名称、单位、实时值、状态、扫描周期、测点类型、量程上限、量程下限、小数点位数、设备号、通道号、Ⅰ值报警上下限、Ⅱ值报警上下限和报警死区等[1]。（2）开关量类型数据结构，包括编号、名称、状态、0状态描述、1状态描述、设备号、通道号、开关量类型和报警类型等。（3）计算量采取用户组态方式，其数据结构包括点号、名称、单位、实时值、状态、计算周期、计算函数名、参数个数、计算函数参数等。
2.2通信协议
通信协议是分布式系统的实现关键，本系统通信协议基于TCP/IP，协议设计主要考虑两个问题：一是大批量数据的快速发布；二是关键数据的可靠性、及时性。通信协议主要包括普通广播命令、需应答的命令和应答命令3种：
（1）普通广播命令，不需应答和超时重传，协议结构字段包括：目的站号，源站号，优先级，命令编号，协议代码，发送时间，数据长度，数据，CRC16校验等。主要用于传送实时数据和设备状态，优先级最低。（2）需应答的命令，命令发送后在收不到应答时应超时重传，除与普通广播命令相同的字段外，还包括4个字段：预定的超时间隔，已超时间，预定的最大发送次数，已发送的次数。（3）应答命令，是对需应答命令的反馈，其协议结构字段包括：目的站号，源站号，优先级、命令编号，协议代码，发送时间，原请求命令编号，数据长度，数据，CRC16校验等。该类命令与原命令具有相同的优先级。
2.3系统冗余的实现
系统根据关键性和重要程度，实现了两方面的冗余：数据通信网冗余和通信控制站冗余。数据通信网采用以太网和TCP/IP协议，每台机器配置两块网卡，两个网络分配不同的网络地址。在软件实现方面，数据发送进程把数据包同时发送到两个网络上，数据接收进程接收两个网络上的数据包，经校验正确后与数据接收队列中的数据包进行比较。下面对通信控制站双机冗余的实现加以重点说明。
通信控制站的双机冗余是在单机系统的基础上，通过增加通信接口（以太网）和管理软件实现的。通信控制站的软件模块结构图如图2所示。
Fig 2 Structure of sof tware model n communication control station
实现冗余的关键是状态切换模块。系统定义3种状态：运行状态，所有模块正常运行；热备用状态，本机正常，但I/O模块不进行输入输出操作；故障状态，硬件设备出现问题(故障、掉电)、I/O模块或通信模块不能正常运行等。状态切换的实现算法如下：
（1）初始化本站和冗余站状态为热备用状态。（2）接收通信模块的输入，处理冗余站的状态信息：本站处于运行状态时，若冗余站也处于运行状态，则站号较大的站切换为热备用状态；若冗余站处于热备用或故障状态，则只设置本站中冗余站的状态，不进行状态切换。本站处于热备用状态时，若冗余站也处于热备用状态，则站号较小的站切换为运行状态；若冗余站处于故障状态，则本站切换为运行状态；若冗余站处于运行状态，则只设置本站中冗余站的状态。（3）预定的时间内收不到冗余站信息则认为冗余站故障，若本站处于热备用状态，则切换为运行状态。（4）检查I/O模块状态计数器，若计数器大于0，则减1，此时若本站处于故障状态，则切换为热备用状态；若计数器等于0，则把本站状态切换为故障。（5）若本站处于热备用状态而冗余站处于故障状态，则把本站切换为运行状态。（6）重复执行步骤2～5。
2.4设备驱动程序开发
设备驱动程序是操作系统核心的一部分，其中包括一组过程，它对用户程序和外部设备间的数据传输和控制进行管理，向操作系统提供统一接口，并使外部设备在系统内以设备文件的形式存在[2]。
开发、配置设备驱动程序的主要步骤如下：1、选择前缀，前缀为2个～4个字符，一般应有特定含义；2、编写程序，在系统规定的范围内编写需要的用户过程；3、编译源程序，生成目标文件(Driver.o)；4、生成设备文件，设备文件和驱动程序通过设备号相关联[2]；5、系统配置，用configure命令把设备配置到系统中；6、连接核心，把驱动程序的目标文件和系统连接成为一个新的核心。完成上述步骤后，重新启动系统，就可以利用新加入的驱动程序接口访问相应的硬件设备。
3、结语
该系统可完成升压站各种模拟量、开关量的数据采集和处理；可显示最新的模拟量越限报警、一般开关量变位和事件量的跳变信息；可计算、存储历史数据；可显示接线图的状态、报警画面、提示信息、事故记录、趋势记录、装置工况状态、控制系统配置、值班记录等；可定时生成班报、日报、月报等各种报表；并为其他系统提供数据库访问接口。目前该系统已在多家电厂实施应用。
参 考 文 献
［1］王常力(Wang C han gli).集散型控制系统的设计与应用(TheD es ign and A ppl icati on of D ist ribu ted Cont rol Syst em).北京：清华大学出版社(Beijing：Tsinghua University Press)，1993
［2］陈华瑛(Ch en Huaying).U N IX操作系统设计与实现(TheD es ign and Realizat ion of U N IX Operati ng Syst em).北京：电子工业出版社(Beijing：Publishing House of Electronics Industry)，1992■
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
