6ES7 321-1CH20-0AA0 西门子开入模块6ES7 321-1CH20-0AA0

上海腾桦电气设备有限公司

本方案从通信架构、通用通信接口、通信协议3个方面展开研究：通过分析通信交互双方对数据的需求，提出适用于大数据量交互的通信架构；通过分析现阶段通信模式，提出基于面向服务的通信接口；根据通信接口的需求，提出采用电力系统通用服务协议作为接口实现的传输协议。本方案可实现数据源即插即用、数据按需调阅，并兼顾数据传输稳定性和安全性机制。

随着电力系统技术的发展，主站与变电站自动化系统开始朝着彼此独立的方向发展。而变电站与主站之间的通信依然保留着传统四遥的方式，形成了主变电站相对独立的发展局面。随着智能电网快速发展，尤其是新技术的不断应用，给主站和变电站自动化技术提出了新的要求。

在此阶段中，变电站端继电保护数据越来越丰富，不再局限于保护运行数据，而是向多维度、跨专业方向发展。保信主站各种高级应用层出不穷，这些应用为不同专业提供了工作便利，但对数据的依赖性也越来越高。

这些数据需求都使得主厂站间数据通信需打破点对点逐级转发模式，采用更加灵活、GX并兼容现有通信体系的主厂站交互技术，打通两端的交互瓶颈，将主站系统与变电站自动化系统从应用功能的维度上紧密结合在一起，实现主站与变电站自动化系统的互联互通。

国家电网企业标准《Q/GDW679 智能变电站一体化监控系统建设技术规范》中，明确提出变电站一体化监控系统要融合站内各专业子系统或设备，数据通信网关机是面向主站数据交互通道。南方电网企业标准《Q/CSG 110017.23—2012 南方电网一体化电网运行智能系统技术规范 第2部分：第3篇：变电站系统架构技术规范》中也明确规定：智能远动模块是变电站的统一数据出口，用于变电站与主站的数据、模型通信，根据数据的重要性和实时性要求，可通过不同的通道以及不同的通信协议上传数据。

为了快速、便捷地实现主站与变电站间数据交互，先后有多种技术方案被提出，主要体现以下两种模式：

西门子开入模块6ES7 321-1CH20-0AA0

1）通过基于电力系统通用服务协议，实现主子站数据交互。

2）将变电站数据网关机或智能远动机作为主站自动化系统一个部分，与主站之间采用内部广域服务总线实现数据传输。

本方案是以第1）种模式为基础，结合现有通信问题进行研究，将计算机行业中比较成熟的面向服务通信架构应用于主站与变电站间，实现数据交互的统一化和通用化。同时也针对变电站端大数据量，提出分布式传输解决方案，满足现阶段的数据传输需求，并适应未来电网自动化技术的发展方向。

1 主子站数据传输现状

变电站从远程测控终端（remote terminal unit, RTU）模式到分布式综合自动化系统，再到智能变电站一体化监控系统，经历了3个发展阶段，可以说每个发展阶段都与当时通信和计算机技术息息相关。在这3个阶段中，变电站数据由少变多，目前已出现站内数据过于庞大的情况。大量变电站数据要与主站进行交互，对数据传输和主站应用都是一种考验。

1.1 继电保护数据

在RTU变电站阶段，站内继电保护装置只能通过硬接点将保护总动作、跳闸、硬压板投退、动作出口数据输出到RTU，再由RTU转发至主站。此阶段，变电站通常都是有人值守，大部分与继电保护运行有关的运维数据并未被采集，而是通过模拟方式显示在站监控室的光字Pai上，为站内运行人员提供辅助监控。或者，运行人员定期进行，记录继电保护设备运行数据。

随着微机设备在变电站的应用，进入常规变电站阶段。该阶段，继电保护设备在保留原有硬接点输出基础上，还增加了更详细的继电保护数据报文输出，包括：保护故障动作数据、设备关键运行数据、设备自检数据、定值参数、保护录波。

这些报文数据，远比硬接点数据更丰富和详细，因此硬接点数据逐渐不再被保信子站采集。相对于前一阶段，此时的继电保护数据已经出现几何式增长，既有继电保护专业数据，又有其他跨专业数据。这些数据的类型五花八门，没有统一的格式。保护通信规约、接口种类繁多，接入较为困难。

为了使用保护数据，不得不采用规约转换设备，将其统一至一种格式，通常为站内系统集成商私有格式。在数据转换过程中，必然存在精度差异、格式不兼容等问题，因此数据经过转换后，往往存在数据丢失现象，导致实际保信子站数据不全面。

在智能变电站阶段，站内过程层设备数字化，继电保护设备再次发生演变，增加了过程层设备（例如：智能终端、合并单元等）、继电保护在线监测设备等。设备的演变再次导致继电保护数据量剧增。除新增过程层设备数据外，原有继电保护数据还增加过程层回路告警和配置数据、设备台账信息数据、设备运管数据、运行灯数据、历史数据等。在实际变电站配置中，由于工程施工和后期维护等原因，与过程层相关的数据并不是按实际回路配置，而是化配置，这也导致保信子站数据增多。

的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速(0.6~0.1μs)的指令运算速度;用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算;一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值;方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送;CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如:超时，模块更换，等等);多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改;S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统;串行通信处理器用来连接点到点的通信系统;多点接口(MPI)集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。

3. SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、性能范围的可编程序控制器。 S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别(功能逐步升级)的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

输入采样 折叠

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

用户程序执行 折叠

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

输出刷新 折叠

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

智能变电站相对于常规变电站，继电保护不仅在数据量上有很大增加，而且还新增了许多不同类型数据。继电保护数据的剧增，对于保信主子站业务数据分析类应用，既是机遇又是挑战。

1.2 主站数据需求

在变电站发展的同时，主站各类系统也在蓬勃发展。除常规的电网监控调度系统外，保信系统、设备状态检测系统、辅助系统、设备运维系统、能源管理系统（energy management system, EMS）系统等也在逐步完善，主站系统复杂度也随之增加。

除保信系统外，其他系统也会需要继电保护设备数据。这些系统的高级应用所需数据来源不再是单独几台继电保护设备，而是相互交叉。通常，主站各系统都会自建一套数据传输机制。表面上看，这种方式使数据传输互不干涉，但在变电站端却会造成数据重复采集和远传，甚至非实时数据传输会占用电网监控数据传输带宽。

西门子开入模块6ES7 321-1CH20-0AA0

在智能变电站中，站端数据量本身就很大，使得非实时数据侵占实时数据传输带的情况进一步加剧。因此，有必要以一体化监控系统为基础构建统一的继电保护数据传输模式，形成统一的数据服务接口。这样可在同一系统上部署和运行第三方的高级应用功能模块，增强变电站的数据预处理功能，与主站功能协同配合，并形成一体化的功能为电网终端用户服务。

对于保信业务，常规五大类继电保护数据是必须的。此外，配置标准化管理、过程层监视、智能告警等高级应用还需要更多的辅助数据，例如：CID/CCD配置文件、GOOSE/SV断链数据、保护在线监测实时告警数据。

这些数据并不是完全来自于继电保护设备，而是相关辅助设备，例如：智能终端、继电保护在线监视设备，甚至数据网关机保信功能模块。与常规五大类数据不同，这类数据信息量庞大，而主站端的保信业务应用并不需要实时获取，而是按需索取，尤其历史数据。

相对于变电站端日趋庞大的继电保护数据，主站端全部采集并存储的方式显然不合适。借鉴互联网行业云数据模式，变电站端将关键数据实时上送，其他数据按需响应，这样可使主站端资源和通信带宽得到充分利用。这种数据分散存储的模式，在一定程度上可以降低主站端和变电站端的耦合度。

1.3 主子站数据传输通信协议

继电保护设备的五大类数据与电网监控数据不同，除实时数据外，还存在定值参数、录波文件等非实时数据，采用标准DL/T 634.5104等远动通信协议传输这类数据存在明显的短板。因此出现了各种版本的保信主子站通信协议。

这些协议基本是DL/T 634.5104和IEC 60870-5-103协议的综合体，并且为了满足不同地区的要求，还进行了扩展。这种扩展的保信主站通信协议虽然满足了继电保护信息数据远传的需求，但也存在局限性，主要体现在以下方面：

1）继电保护数据仍然采用扁平化传输。由于采用了IEC 60870-5-103应用数据单元信息体，各种数据只能使用扁平化传输。即使变电站端继电保护已经采用了DL/T 860进行数据建模，但在转发至主站端时，仍然要将规范且丰富的继电保护模型数据打散成扁平数据。

2）保信主子站通信协议通用性差。各地区自行扩展保信主子站通信协议后，导致各种细节差异较大。同样的继电保护数据，在不同地区，采用不同方式编码。

3）继电保护数据跨专业使用困难。扩展的保信主子站通信协议基本是为保信专业量身打造，其他专业想要获取尤其是从站端获取很难实现。非继保专业为了获取保护数据，专门建立数据传输通道，既增加了变电站端保信子站压力，又耗费电力通信网资源，一定程度上形成了继电保护数据孤岛的局面。

4）继电保护数据多重转换导致数据不全。变电站端继电保护设备基本采用了DL/T 860建模。在主子站数据传输时，不得不将其转换为另一种格式。主站收到数据后，还要再转换成主站应用的数据格式。这样经过多重转手，不太重要的数据被忽略，例如：保护逻辑信息、中间节点信息、配置信息等。

5）扩展保信主子站通信协议传输文件和历史类数据时，局限性大。扩展协议虽然可以用于传输文件和历史类数据，但需要严格规范被传输文件的文件名、目录和查询条件。这种特定的编码格式与数据一一对应，不能与继电保护数据同步发展。在智能变电站中，继电保护设备的数据越来越多采用文件承载。每增加一种文件就需要扩展一次主子站通信协议，不光不方便，还需对已有设备进行升级改造。

从以上通信协议的局限不难看出，继电保护业务主子站数据传输亟需一种数据传输接口与实际通信协议解耦的传输方式。

2 主站数据交互需求

2.1 实时数据交互

继电保护装置输出的报文分五大类，即保护动作信息、告警信息、在线监测信息、状态变位信息和中间节点信息，其中保护动作信息、告警信息、状态变位信息、部分在线监测信息和设备运行灯信息属于实时数据。

继电保护实时数据偏重于继电保护设备逻辑以及其保护的一次设备故障。在保信主站端，实时数据的全面性和完整性远比实时性要求高。当主子站通信中断恢复后，子站还应能将这期间产生的实时数据重新传输至主站。

保信主站并非需要全部实时数据。不同等级主站对不同电压等级继电保护设备数据需求不一样。即使同一台继电保护设备数据，面对不同主站时，也不要求全部上送，这类似于传统远动业务的数据挑点。传统的数据挑点方式，人工干预性大，出错几率高。如果采用数据自动订阅服务机制，可有效降低出错率。

2.2 非实时数据交互

继电保护设备数据还包括大量的非实时数据：定值参数、台账信息、中间节点数据、保护装置录波文件、保护装置模型文件、保护装置虚回路配置文件、录波器录波文件。

与实时数据主动推送不同，非实时数据的传输通常是请求应答模式。变电站端收到主站获取数据请求时，需要先从继电保护装置获取数据后，再转发至主站，这样可以保证主站获取数据的正确性。部分非实时数据是以文件形式存在，这类数据传输需要标准、灵活的通信服务传输接口。

设备定期测试、调整 折叠

(1) 每半年或季度检查PLC柜中接线端子的连接情况，若发现松动的地方及时重新坚固连接;

(2) 对柜中给主机供电的电源每月重新测量工作电压;

设备定期清扫 折叠

(1) 每六个月或季度对PLC进行清扫，切断给PLC供电的电源把电源机架、CPU主板及输入/输出板依次拆下，进行吹扫、清扫后再依次原位安装好，将全部连接恢复后送电并启动PLC主机。认真清扫PLC箱内卫生;

(2) 每三个月更换电源机架下方过滤网;

检修前准备 折叠

(1) 检修前准备好工具;

(2) 为保障元件的功能不出故障及模板不损坏，必须用保护装置及认真作防静电准备工作;

(3) 检修前与调度和操作工联系好，需挂检修Pai处挂好检修Pai;

设备拆装顺序及方法 折叠

(1) 停机检修，必须两个人以上监护操作;

(2) 把CPU前面板上的方式选择开关从"运行"转到"停"位置;

(3) 关闭PLC供电的总电源，然后关闭其它给模坂供电的电源;

(4) 把与电源架相连的电源线记清线号及连接位置后拆下，然后拆下电源机架与机柜相连的螺丝，电源机架就可拆下;

(5) CPU主板及I/0板可在旋转模板下方的螺丝后拆下;

(6) 安装时以相反顺序进行;
1) 测量电压时，要用数字电压表或精度为1%的万能表测量

(2)电源机架，CPU主板都只能在主电源切断时取下;

(3) 在RAM模块从CPU取下或插入CPU之前，要断开PC的电源，这样才能保证数据不混乱;

(4) 在取下RAM模块之前，检查一下模块电池是否正常工作，如果电池故障灯亮时取下模块RAM内容将丢失;

(5) 输入/输出板取下前也应先关掉总电源，但如果生产需要时I/0板也可在可编程控制器运行时取下，但CPU板上的QVZ(超时)灯亮;

(6) 拨插模板时，要格外小心，轻拿轻放，并运离产生静电的物品;

(7) 更换元件不得带电操作;

(8) 检修后模板安装一定要安插到位

当PLC的用户程序要保留在RAM中时，就会用到电池，电池通常是3V或3.6V的不可充电的锂电池，电池的使用寿命通常是五年左右，电池用久了，电压就会下降，当其下降到不足以保证RAM中数据时，RAM中的程序就会丢失。如果用户没有备份程序，就会相当麻烦。

一般PLC内部设有电池电压检测电路，当电压下降到一定程度时，PLC就会报警，提醒更换电池。PLC的使用说明书都有提供更换电池的方法。一般来 说，PLC在断电后，因为PLC上RAM电源端接有充电电容，即使把电池去掉，电容上充电电量也足够RAM内的数据保持一段时间，所以如果取掉电池后在短 时间内(通常5分钟)再将新电池换上去，数据是不会丢失的。

但用户实际使用PLC的环境情况不尽相同，例如电容的容量下降，RAM电源回路有 灰尘、油泥等形成放电回路等，这会加快PLC断电后电容的放电速度，从而使时间不好把握。如果在带电的情况下更换电池就可保程序万无一失。因为电源始终会 有电压加在RAM芯片的电源脚。当然更换时亦要小心应对，注意电池的极性以及避免短路情况发生。

是把PLC通电15分钟(给内部电容充电)，断电，在5分钟内换好新的电池，再上电试一下。

西门子PLC有带卡的，有不带电池的;也有带卡的，带电池的。程序存在MMC卡中，如果没有存储卡，需要电池保存程序的，更换电池时候务必注意，带电的情况下，将旧电池取出来，然后将新电池换上即可

PLC有较高的易操作性。它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。用于梯形图与电气原理图较为接近。容易掌握和理解。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快找到故障的部位。