基于控创 Passau60通信管理机的变电站综合自动化

图1：基于Passau60通信管理机的变电站综合自动化方案示意图

　　控创Passau60通信管理机是在综合自动化系统的一种通信及数据存贮装置，它具备多种类型的标准通信接口来实现保护、智能电子设备等装置与调度端之间的信息联系。用于多种继电保护装置及其它装置与保护主站、当地监控系统之间的通信转接及规约转换。对下通过串行接口与发变组保护装置进行通信，搜集各类保护信息，对上通过网络口或串口，经规约转换后送往当地监控或DCS等。也可用于变电站与调度系统之间的通信转接及规约转换。
　

　　图1中给出了综合自动化方案的示意图，图中通信管理机所处的承上启下的位置是十分关键的，所以相关设备的选择需要十分慎重。在众多的工控机中，Passau60的脱颖而出绝不是偶然的，下面将从功能、性能等各个方面深入剖析一下为什么Passau60能够实现在复杂电磁环境中长时间、高可靠、连续不间断工作，从而得到电力行业的普遍认可。
　

　　1 功能
　　Passau60最高支持Inter Core 2 Duo的CPU和2G DDR2内存，可以满足大负荷的通信、控制、数据存储等任务。同时Passau60具有6以太网、6串口（RS232/422/485），能够实现多种工作方式的通信。Passau60的网络接口可以实现双网口使用同一IP地址的热备冗余模式，非常容易实现电力自动化系统对网络冗余互连的要求。
 　

　　为保证数据存储的可靠性，Passau60支持双SATA硬盘，可简单地通过RAID1模式做成冗余数据存储，使重要的数据做到万无一失。
　

　　2 性能
　　2.1 散热系统
　　普通IPC一般采用风扇进行主动散热，这样做成本虽然较低，但不可避免地引入以下的不可靠因素：
　　风扇使用寿命有限
　　目前性能较好的风扇，其使用寿命不过50000小时。对于风扇这种关键部件，一旦出现故障，轻则导致CPU因过热而保护关机，严重的会使IPC内部某些部件因温度过高而出现不可恢复的故障。
　　灰尘
　　既然采用主动散热，机箱与外界的空气流通是必须要保证的。为减少进入机箱的灰尘，普通IPC采用的通常办法是在进气通道口加滤网。这会带来两点问题，一个是即使加滤网，也不可能杜绝灰尘的进入。而灰尘是计算机的重要杀手之一，可导致接触不良、散热不良等多种问题，严重的可能引起电路板短路。另一个问题是滤网的维护。如果滤网长时间不更换，灰尘会堵塞网孔，将导致设备散热不良。在一些灰尘较大的地方，滤网需要频繁更换或清洁，而这些工作并不是任何情况下都容易完成的。
　　潮湿
　　很显然，采用主动散热的设备几乎无法避免外部潮湿空气的进入。而潮湿空气，特别是沿海等地区含有盐分的空气，对设备稳定运行所产生的负面影响是不言而喻的。
　　振动
　　即使安放在环境很好的机房中，振动也是不可避免的，因为风扇本身就是一个不可忽视的振动源。受风扇振动影响最大的就是机械硬盘，硬盘因为风扇振动而导致失效的例子并不少见，这也就是为什么很多在必须使用主动散热(功耗过高)的高档服务器中，风扇与机箱之间都是采用软性材料连接。
　

　　正是为了避免以上情况的出现，提高可靠性，Passau60选择了被动散热的方式，将CPU、芯片组、电源等高热部件产生的热量通过热管传导到机箱侧壁上进行散热。同时Passau60采用的是Intel专用的高性能/功耗比的L系列低功耗CPU，这种CPU在保持性能的基础上大幅降低了功耗，其TDP甚至只有笔记本用CPU的1/2。而且采用被动散热的方式还可以很容易地做到全密闭机箱，从而大大提高了设备抵抗灰尘和腐蚀性空气（潮湿、盐雾）等影响的能力。

　　2.2 EMC防护
　　众所周知，变电站中电磁环境是比较复杂的，这些电磁干扰主要来自高压设备操作、低压交直流回路内电气设备的操作、雷电引起的浪涌电压、电气设备周围的静电场、电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所引起的瞬变过程等。这些干扰可能通过空间辐射和线路传导的途径进入IPC，从而引起系统出现工作不稳定、误动作、死机等现象，严重的可能会损坏IPC内部的电子器件。即使IPC本身的成本不高，但某些故障所产生的后果往往是难以接受的。
　

　　Passau60在设计上完全考虑到了电力行业中复杂的电磁环境，通过各种措施对系统进行防护，现介绍如下：
　　地的处理
　　Passau60系统包含三个不同的“地”，即机壳地、信号地和数字地。机壳地也就是系统的保护地，通过电源的地线与大地连接，是干扰信号的主要泄放通道。
　　串口信号的地与保护地是绝缘的，这样是考虑到通信对端的信号地有可能与大地绝缘。但串口的所有信号与保护地之间安装了ESD和浪涌保护器件，一旦出现异常的干扰信号，会立即被导入大地，从而避免对后端器件造成影响。
　　Passau60的数字地与保护地、信号地之间都有高压隔离器件，即使外部电磁环境非常恶劣，内部数字电路仍可不受影响地正常工作。
　

　　阻挡与疏导并用
　　在处理好三个“地”的关系后，Passau60就可采用“阻挡”与“疏导”并用的方法将电磁干扰完全消除。
　　“阻挡”的办法也是从抗辐射和抗干扰两个思路出发，使用了机箱屏蔽、电源隔离、信号隔离的方法。Passau60的机箱使用的是1.5mm的钢板，无论是对大功率工频磁场还是高频电磁波均有很好的屏蔽作用，这样就阻断了辐射干扰的路径。同时Passau60在电源接口、网络接口和串口均采用了高压隔离的器件，即使外部产生了高压干扰，也不会传导到内部的数字电路，这样就切断了传导干扰的传输。另外电源接口还设计了滤波器，可以为内部的AC/DC适配器提供纯净的工频电源，同时也能避免开关电源产生的干扰传导到外部供电线路中。
　　当然如果只采用阻挡的办法不够的，这其实是系统的最后一道防线。Passau60在设计上主要依靠“疏导”的策略，在电源、和串口都设计了高等级的浪涌防护器件，同时所有的接口均有高等级的ESD防护器件。而电源、串口和网络接口与内部电路是隔离的，它们的泄放通道也是保护地，这样无论是对电磁信号的“阻挡”还是“疏导”均不会对内部电路造成任何影响。

　　结论
　　Passau60在方方面面采用的这些措施和手段不可避免地增加了一些成本，但其在性能和稳定性方面的提升则是巨大的。而正是因为Passau60采用了全面的可靠性设计，才顺利通过了国家电力科学院电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心的严格认证，达到了EMC和环境等各项测试的高等级标准，成为电力系统相关工控机设备的最佳选择之一。综上所述，Passau60完全可以承担变电站综合自动化系统中关键的通信、控制及数据存储任务。

　　参考文献
　　1 吴栋萁 陈胜定 “浙江电网变电站IPC 工控机运行工况的分析及处理”
　　2 牛建伟 张爱军 吴若铃 “综合自动化变电站工程电磁干扰与防护设计”
　　3杨军 “变电站综合自动化应注意的几个问题”