（兰州石化公司动力厂）
摘要：变电站监控系统负责将现场设备各项运行参数准确、实时地上送给运行人员，以便运行人员对系统运行状况做出正确的判断。各类参数的上送，是以数据帧为载体，数据帧在传输的过程中，由于各种原因，造成传输错误，数据通信中断，造成监控系统运行出现错误，影响运行人员的判断和决策，做出错误的操作。因此，数据帧传输正确率的高低，就成为变电站监控系统能否可靠运行的前提。本论文以提高数据帧传输正确率为研究方向，通过对造成数据帧传输错误的原因进行分析，提出改进措施，实现提高数据帧传输正确率的目的。
关键词：监控，数据帧
一、监控系统概述
所谓电力监控系统，是指借助计算机技术、网络技术，将企业变电站中的测量仪表、继电保护设备、信号系统、自动及远动装置等，经过功能上优化设计与功能组合，利用计算机技术、网络通信技术、电力电子技术、信号处理技术，实现对变电站内高压设备，输配电线路等运行状况进行自动监视、测量、保护、控制功能，这样的系统称为监控系统。图1为监控系统结构图。
从结构图中可以看出，设备的各种运行状况、实时参数，首先通过各类传感器采集，进行信号变换，上传给保护单元、测控单元，经过处理汇总后，再上传至数据采集装置，由采集装置进行分析、存储，处理后的数据通过局域网，上传到服务器，经过服务器的分析处理，将数据与人机画面相互关联，从而实现对现场设备运行状况实时监控的目的。
图2 二进制数据结构图
二、数据帧传输存在的问题
监控系统的主要功能包括对断路器分、合闸，手车位置、地刀位置，电压、电流、功率量的监视与控制功能。这些物理量以二进制数据的形式被做成数据包，数据包的前后加上源地址、目标地址、校验码、起始标识、结束标识等数据位，这样的一组数据称为数据帧。数据帧传输正确率的高低直接关系着设备的信息能否准确快速地传送到监控系统，并将信息显示在监控画面上，以便运行人员做出相应的判断。因此，数据帧传输正确率的高低对监控系统运行稳定性起着非常关键的作用。二进制数据结构如图2所示。
监控系统在对运行设备的各类数据进行采集的过程中，经常会出现数据帧校验错误的情况，导致数据帧传输正确率降低，造成服务器与运行设备通信中断，监控画面显示状况与设备实际运行状况不符。在运行人员对设备进行操作时，会对系统运行状况做出错误的判断，导致设备误操作，造成设备停电的后果。
三、数据帧传输正确率低的原因
1、数据帧采集时间短
监控系统依靠各类通信协议（如IEC103协议）对保护、测控单元的信息进行采集，通信协议对信息采集的过程如下所述：对保护、测控单元初始化——时间同步——总召唤——如果FCB位显示为1，则召唤1级数据。如果FCB为0，则召唤2级数据。
上述采集过程中的各项命令和1、2级数据分别采用固定长度数据帧、可变长度数据帧两种帧格式，固定长度数据帧固定为5个字节，可变长度数据帧长度L是随数据量、数据处理时间的变化而变化。而程序对数据帧的采集时间t是固定值，当可变帧长度L超过t时，多出的数据部分被丢弃，不予采集，结果便导致数据校验错误，当程序连续3次对该可变长度数据帧校验都产生错误后，程序认为该设备通信中断，直观显示给运行人员的报警结果便是保护、测控单元通信中断。
可变长度数据帧结构简介如图2所示：
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图2 可变长度数据帧结构图
数据帧采集不完整原因如图3所示：
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图3 数据帧采集不完整原因图
2、电磁干扰
通信电缆与电力电缆、控制电缆同槽盒或混合敷设。电力电缆、控制电缆周围存在强磁场，使通信电缆产生互感电动势。通信电缆屏蔽层未可靠接地，互感电动势产生的电荷无法导入大地，静电荷的积累，使屏蔽层对地产生电位差。互感电动势叠加在低幅值的信号电压上，造成信号电压失真，从而出现错码。具体情况见图4。
四、解决方案
1、提高数据帧采集时间
1）方案一：延长数据帧采集时间
该方案将可变长度数据帧的采集时间t延长。按照可能出现的最大数据帧时间L设置采集时间t，这样一来无论可变数据帧时间L多长，总能采集完整。然而，保护、测控单元上送的数据帧中，只有部分可变长度数据帧的时间L较长，超过目前的采集时间t，其他固定长度数据帧、较短的可变长度数据帧的时间L都在采集时间t的采集范围内。如果全部延长采集时间，无疑造成系统传输资源的浪费，是一种不合理的改进方法。因此，方案1否决。
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图4 电磁干扰原理图
1）方案二：增加数据帧长度标志位
该方案在可变长度数据帧的启动字符后面，插入表示该帧数据长度的标识位V，标识位V表示了该可变长度数据帧的总体长度。采集程序在采集可变长度数据帧的时候，首先判断V的值，然后在采集数据帧的过程中，同步计算数据帧的长度，与V的值进行比较，直到采集长度等于V时，采集过程才结束。
具体原理如图5所示：
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图5 增加长度标志位
采用方案2，对于不同长度的可变长度数据帧，其采集时间t是随数据帧长度变化的，长度相对较短的可变长度数据帧采集时间就相当的短，不会造成采集时间资源的浪费。这样做能够有效地提高系统的采集效率，减少无谓的时间浪费，能够达到比较满意的效果，所以，采取方案2。方案2涉及后台采集程序的修改，采集程序修改部分见附件。
2、降低电磁干扰
1）将通信电缆与电力电缆分槽盒敷设。远离电力电缆槽盒，可以有效减少电磁干扰的影响。
2）通信电缆与控制电缆十字交叉敷设。十字交叉敷设可以最大限度的减少互感电动势，降低电磁干扰危害。
3）剥开通信电缆外绝缘层，将屏蔽层与服务器柜体可靠连接，可以使感应电荷导入大地，消除电位差，减弱电磁干扰对传输信号的影响。
改进后的通信电缆敷设结构如图6所示。
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图6 通信电缆敷设结构图
结论
通过分析造成数据帧传输正确率低的原因，并采取相应的措施进行改进后，变电站监控系统数据帧传输正确率得到大幅度提高，数据阻塞现象明显减少，设备通信中断率降低，实现了预期目标。
数据传输正确率的提高，直接提升变电站监控系统运行的可靠性和稳定性，使得设备运行的参数能够准确、实时上送至服务器，为运行人员在操作和处理突发状况时做出正确判断提供了技术保障。
本论文通过对监控系统数据帧采集正确率低的问题进行原因分析并制定解决方案，付诸实施，解决了监控系统设备通信频繁中断的问题，提高了监控系统设备通信可靠程度，从整体上提高了系统的安全可靠性。
参考文献
[1] 张惠刚.变电站综合自动化原理与系统[M].第一版.中国电力出版社，2004.12.
[2] 吴功宜.计算机网络[M].第一版.清华大学出版社，2003.8.