摘要：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成熟，但在智能建筑中并不多見，介紹了利用Lonworks技術(shù)實(shí)現(xiàn)高層建筑的設(shè)備綜合自動(dòng)化，使測(cè)量、控制、顯示、保護(hù)等各種功能實(shí)現(xiàn)一體化，使各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，為智能建筑管、控一體化打下基礎(chǔ)。
　　關(guān)鍵詞：綜合自動(dòng)化；Lonworks；軟件設(shè)計(jì)
　　在智能建筑中，設(shè)備自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)樓宇高效、功能全、舒適的基本保證。而設(shè)備自動(dòng)化重要的部分之一就是變電站的自動(dòng)控制。目前基于現(xiàn)場(chǎng)總線的變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成熟，考慮到使用Lonworks 總線的諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于其他設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)連接，構(gòu)成整個(gè)智能建筑的設(shè)備自動(dòng)化、通信自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)底層，使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，提高設(shè)備使用效率，降低運(yùn)行成本［1-3］。
　　1　自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能
　　一個(gè)典型的智能建筑變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，通常由測(cè)量、控制、顯示、保護(hù)等部分組成。由于單一的用電性質(zhì)及特殊的地理環(huán)境，造成了供電半徑小，負(fù)荷性質(zhì)單一，負(fù)荷變化率大。一般情況下采用10kV供電，出線為三相四線制（400V）。供電可靠性要求較高，并且考慮到將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)歸納到設(shè)備自動(dòng)化中，由統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理中心進(jìn)行監(jiān)控，變電站為無人值班，因此實(shí)行自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)安全放在位。有條件的話還要采用冗余技術(shù)。按照國(guó)際流行慣例，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)需完成63種功能，智能建筑變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合自己的特點(diǎn)，可將其歸納為5個(gè)功能組。
　　1.1　保護(hù)
　　保護(hù)包括進(jìn)線保護(hù)、配電線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、小電流接地監(jiān)測(cè)、備用電源自動(dòng)投入、電容器保護(hù)等。保護(hù)相對(duì)獨(dú)立，其功能不依賴通信網(wǎng)絡(luò)或其他設(shè)備。
　　1.2　計(jì)量與監(jiān)測(cè)
　　采集各進(jìn)出線及變壓器的電流、電壓、有功、無功功率、功率因數(shù)以及各斷路器、隔離開關(guān)接地信號(hào)、開關(guān)的狀態(tài)值。在主接線圖通過變色顯示，使運(yùn)行人員掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)測(cè)量由電能表輸出的脈沖量，計(jì)算出有功、無功電量。
　　1.3　控制功能
　　控制功能可就地也可遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)。無論何處發(fā)送操作命令，只有在返送校驗(yàn)無誤后方可在防誤邏輯閉鎖系統(tǒng)監(jiān)視下執(zhí)行。一般情況下，根據(jù)命令和斷路器、隔離開關(guān)的閉合、開啟條件實(shí)現(xiàn)電容器組的自動(dòng)投切、備用電源的自動(dòng)投入與變壓器的有載調(diào)壓。
　　1.4　報(bào)警打印
　　對(duì)各種需要記錄的參數(shù)構(gòu)成的值班記錄，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組成的曲線、事件順序記錄、保護(hù)動(dòng)作，均可進(jìn)行定時(shí)打印或召喚打印。對(duì)采集到越限的各種參數(shù)進(jìn)行聲光報(bào)警，并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。
　　1.5　通信
　　通過局域網(wǎng)將變電站與網(wǎng)絡(luò)中心或城市的電管（調(diào)度）部門相連，實(shí)現(xiàn)變電站的四遙（遙測(cè)、遙控、遙信、遙調(diào)）。
　　2　智能建筑變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　智能建筑變電站綜合自動(dòng)化已經(jīng)開始應(yīng)用智能開關(guān)、光電互感器和數(shù)字化控制回路，并且將小型化后的保護(hù)、監(jiān)控裝置完整地安裝在開關(guān)柜上。因此物理結(jié)構(gòu)是由智能開關(guān)、控制機(jī)構(gòu)和數(shù)字化測(cè)量?jī)x表構(gòu)成的開關(guān)柜為主的設(shè)備和帶有神經(jīng)元芯片和微處理器的Lonworks網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的保護(hù)、控制裝置組成的二次設(shè)備組成。在邏輯結(jié)構(gòu)上分為3個(gè)層次，根據(jù)IEC6185a通信協(xié)議草案定義為“過程層”、“間隔層”和“站控層”。這樣可以使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性增強(qiáng)，不同設(shè)備的相互影響減小。
　　在功能上站控層實(shí)現(xiàn)通信連接作用，完成匯接全變電站的實(shí)時(shí)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)有關(guān)規(guī)定將一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)送當(dāng)?shù)卣{(diào)度中心。也可將有關(guān)控制信號(hào)和命令通過間隔層送往過程層，對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行遙控或遙調(diào)。在站控層內(nèi)的工程師工作站和操作員工作站組成的后臺(tái)完成顯示、操作、報(bào)警打印等，并具備對(duì)間隔層、過程層諸設(shè)備的維護(hù)、組態(tài)、參數(shù)修改的在線功能。間隔層設(shè)備主要功能是匯總本間隔層的實(shí)時(shí)信息，對(duì)采集到的電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算及按設(shè)定好的方案進(jìn)行控制，同時(shí)做到在間隔層的操作如何實(shí)現(xiàn)閉鎖和防誤動(dòng)。必要時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)接口的全雙工方式提高信息通道的冗余
　　度，保證通信暢通無阻。過程層是設(shè)備和二次設(shè)備的結(jié)合面，主要為光電互感器、智能開關(guān)和操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)見。
　　

　　這是一種分布式面向?qū)ο蟮淖冸娬咀詣?dòng)化系統(tǒng)，它將大部分原來在控制室完成的電流、電壓、頻率等模擬量信號(hào)的測(cè)量，各類斷路器、隔離開關(guān)的閉合控制，變壓器、線路保護(hù)和電能計(jì)量均下放至設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，并采用Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。這樣不僅減少許多控制和信號(hào)電纜，還使得控制室面積大大減小，電纜的性投資減少，從而降低整套設(shè)備成本。
　　間隔層使用了單元控制器方式，每個(gè)單元控制器均安裝在開關(guān)柜中，對(duì)設(shè)備中的互感器采用光電式互感器，此類互感器的工作特點(diǎn)在小電流時(shí)由鐵心電流互感器測(cè)量，大電流時(shí)由Rogowski線圈測(cè)量，保證了測(cè)量回路和保護(hù)回路電流信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此單元控制器將測(cè)量和保護(hù)合二為一，完成一條線路的測(cè)量、保護(hù)和控制，這樣使得間隔層的每個(gè)開關(guān)柜中的單元控制器集保護(hù)、控制、測(cè)量和通信為一體，萬一某一單元出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響到其他間隔層單元。單元的控制器防潮、抗震性能要良好，保證在分、合閘時(shí)不會(huì)出現(xiàn)故障。
　　單元控制器是以Lonworks神經(jīng)元芯片和80C196CPU芯片為主的集成電路組成的，是基于Neuron芯片宿主型結(jié)構(gòu)（見），分成數(shù)據(jù)采集處理和控制計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)通信2個(gè)部分。單元控制器只是Lonworks測(cè)控網(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集處理部分有光電繼電器組、濾波、隔離放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和通道選擇控制電路以及80C196CPU芯片。為了保證保護(hù)能正確、有效、及時(shí)地動(dòng)作，將互感器二次側(cè)和電阻分壓器的模擬信號(hào)通過通道選擇控制電路，控制光隔離繼電器選擇要測(cè)量的輸入通道。濾波電路用于濾除模擬輸入信號(hào)中的高頻干擾，使Neuron 芯片電路與外部模擬輸入信號(hào)不共地。模擬轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)12位A/D轉(zhuǎn)換，將對(duì)應(yīng)通道的模擬信號(hào)送至Neuron 芯片中的相應(yīng)的應(yīng)用處理器與保護(hù)用80C196CPU 中。
　　

　　采集的數(shù)據(jù)為母線電壓，進(jìn)線線路有功、無功功率、饋線電流，變壓器一、二次側(cè)三相電流、電壓以及有功、無功功率、主變溫度等。另外還有斷路器及有關(guān)刀閘的啟閉狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)和電能表輸出的脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)計(jì)算及控制主要是對(duì)重要參數(shù)超越限監(jiān)視與處理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。這里將監(jiān)控與保護(hù)采用雙CPU技術(shù)，做到合理分配任務(wù)，防止系統(tǒng)滿負(fù)荷工作，特別是有利于提高系統(tǒng)處理問題的速度和能力，同時(shí)也保證了系統(tǒng)的安全性。
　　通信完全是利用Lonworks 技術(shù)。神經(jīng)元芯片中的MAC處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器包含了Lonworks Bus的通信協(xié)議（LonTalk）全部7層，概括起來Lonworks協(xié)議具有高可靠性、支持多種傳輸媒體、響應(yīng)時(shí)間快、安全、生產(chǎn)成本低、互用性強(qiáng)等特點(diǎn)。在MAC 處理器中包括了驅(qū)動(dòng)通信系統(tǒng)硬件和執(zhí)行MAC 算法。在網(wǎng)絡(luò)處理器中實(shí)現(xiàn)了LonTalk協(xié)議的3~6層，包括處理網(wǎng)絡(luò)變量、尋址、事務(wù)處理、權(quán)限證實(shí)、軟件計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等。通過控制網(wǎng)絡(luò)通信口，發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)在LonBus 網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流動(dòng)。
　　除此而外Lonworks 總線有時(shí)鐘模塊和網(wǎng)絡(luò)變量顯示模塊。前者為自動(dòng)化系統(tǒng)提供同步時(shí)鐘，各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間的運(yùn)算都以時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)提供的時(shí)間為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)全站設(shè)備對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)可達(dá)毫秒級(jí)。后者為現(xiàn)場(chǎng)即在開關(guān)柜上提供了觀測(cè)“窗口”，及時(shí)反應(yīng)保護(hù)動(dòng)作后的情況。
　　3　智能建筑變電站自動(dòng)化系統(tǒng)軟件
　　在智能建筑變電站綜合自動(dòng)化中想要使其與建筑物其他設(shè)備自動(dòng)化優(yōu)化集成得以順利實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)十分關(guān)鍵的部分。要積極尋求開放性及標(biāo)準(zhǔn)化的自動(dòng)化系統(tǒng)軟件，它應(yīng)為面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)表示和對(duì)數(shù)據(jù)的操作封裝在對(duì)象中，對(duì)象之間通過彼此的接口調(diào)用發(fā)生相互作用，系統(tǒng)通過對(duì)象的相互作用完成系統(tǒng)功能。因此在軟件設(shè)計(jì)中考慮到組態(tài)軟件的優(yōu)點(diǎn)，將智能建筑變電站綜合自動(dòng)化軟件組成分為圖形界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、第三方程序接口和控制功能組件。這樣就可完成報(bào)警、系統(tǒng)主結(jié)線的動(dòng)態(tài)頁(yè)面生成、報(bào)表組態(tài)、打印、歷史數(shù)據(jù)查詢與趨勢(shì)圖顯示等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)將被長(zhǎng)期存儲(chǔ)，特別是事故記錄，保證今后對(duì)事故原因進(jìn)行正確的分析，起到黑匣子作用。由于智能建筑變電站綜合自動(dòng)化只是建筑物電氣設(shè)備自動(dòng)化的一部分，因此通信及第三方程序接口組件必須對(duì)其他自動(dòng)化子系統(tǒng)開放，實(shí)現(xiàn)與第三方程序交互，做到智能建筑物業(yè)管理中心或市電力調(diào)度所對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。
　　系統(tǒng)軟件功能應(yīng)具有實(shí)時(shí)多任務(wù)功能，采用IEC1131-3的規(guī)范編程語言，通信協(xié)議采用TCP/iP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，建立的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索，報(bào)警處理與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，數(shù)據(jù)庫(kù)冗余控制和I/O數(shù)據(jù)連接，其軟件基本結(jié)構(gòu)見。
　　

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)過程是先確定需求，用ER模型建立數(shù)據(jù)之間的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)，如模擬量、開關(guān)量、計(jì)算量等設(shè)計(jì)它們各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)為機(jī)器世界的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型，便于機(jī)器實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一項(xiàng)一般都對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符（ID）。各點(diǎn)以ID號(hào)順序排列，根據(jù)ID號(hào)可以直接確定點(diǎn)的位置，加速點(diǎn)的查找。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)既是面向事件的，又是面向時(shí)間的，面向時(shí)間因其特殊性應(yīng)專門設(shè)置一任務(wù)定時(shí)更新數(shù)據(jù)，面向事件則可分成為一點(diǎn)全記錄寫，一點(diǎn)全記錄讀，模擬量點(diǎn)值和狀態(tài)讀，開關(guān)量點(diǎn)值和狀態(tài)讀，修改某點(diǎn)某些項(xiàng)內(nèi)容等。
　　智能建筑變電站綜合自動(dòng)化軟件是通過I/O驅(qū)動(dòng)程序從現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其方法是在計(jì)算機(jī)內(nèi)插入一塊智能光電隔離網(wǎng)絡(luò)控制卡，對(duì)變電站內(nèi)安裝的所有節(jié)點(diǎn)登錄，記錄各種節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，所屬子網(wǎng)號(hào)，節(jié)點(diǎn)類型。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，也可對(duì)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行診斷，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)來的信息變換為規(guī)范的數(shù)據(jù)表示格式，以提高及時(shí)顯示更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的速度。該卡與計(jì)算機(jī)之間采用DMA通信方式。在初始化時(shí)完成對(duì)Lonworks智能網(wǎng)絡(luò)控制卡的驅(qū)動(dòng)，使用neuron C提供的庫(kù)函數(shù)發(fā)送對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)控制卡的“握手”信息。然后從監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲
　　取實(shí)時(shí)信息，并經(jīng)過必要的加工，一方面以圖形方式直觀地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)斷路器等實(shí)施監(jiān)控或修改保護(hù)定值。
　　站控層客戶機(jī)和服務(wù)器之間采用TCP/IP協(xié)議通信，以瀏覽器, 服務(wù)器形式完成的監(jiān)測(cè)和控制功能，將程序、數(shù)據(jù)庫(kù)以及其他程序集中在服務(wù)器上，客戶端只需配置操作系統(tǒng)和瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的訪問。采用ActiveX控件將現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與WWW結(jié)合起來TCP/IP通信在實(shí)現(xiàn)時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)的效率，采用了較低層次的異步WinSock即MFC中的CasyncSocket實(shí)現(xiàn)，再用ActiveX控件封裝以支持瀏覽器操作。在客戶端，客戶首先發(fā)出連接
　　請(qǐng)求，在連接確認(rèn)后即可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，連接、發(fā)送、接收在服務(wù)器端，服務(wù)器的CMyServerSocket不斷偵聽連接請(qǐng)求，偵聽到連接請(qǐng)求，創(chuàng)建一個(gè)新的CnewSocket用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
　　關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中存放著系統(tǒng)中按一定組織結(jié)構(gòu)存放的各種信息，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2000。實(shí)時(shí)性要求不高的歷史數(shù)據(jù)的訪問，采用ADO（ActiveX）+ASP（ActiveX Server Page）方式。ASP是一種動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)站點(diǎn)的Web技術(shù)，它提供了一個(gè)可以集成Scripts語言到HTML主頁(yè)的環(huán)境，利用它可以執(zhí)行動(dòng)態(tài)的、交互式、高效率的Web服務(wù)器應(yīng)用程序。在ASP中采用ADO對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問，通過建立對(duì)象把訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的細(xì)節(jié)高度抽象，充分利用了ADO的快速、簡(jiǎn)便和低內(nèi)存開銷的優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)數(shù)據(jù)顯示和畫面更新的實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)通信，采用上述CAsyncSocket直接進(jìn)行通信。
　　4　結(jié)語
　　智能建筑變電站的綜合自動(dòng)化只是高層建筑電氣設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一部分，要能夠很好地將這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能控制，首要條件是解決如何利用網(wǎng)絡(luò)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備自動(dòng)控制子系統(tǒng)的集成，使各種信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都能夠在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)。而Lonworks總線起到了溝通電氣設(shè)備監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與管理信息的橋梁作用。因此探討基于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，深入研究其通信與控制方法，可以收到事半功倍的效果。特別是在實(shí)現(xiàn)了智能建筑各電氣設(shè)備的自動(dòng)化和高層建筑物業(yè)管理計(jì)算機(jī)化后，才能為真正實(shí)現(xiàn)智能建筑“智能”的功能奠定了基礎(chǔ)。
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　　《電力自動(dòng)化設(shè)備》