冗余技術在廠站端自動化系統中的典型應用

包翼

摘要：本文主要對冗余技術在廠站端自動化系統中的典型應用進行了分析和探究，首先對冗余技術在廠站端自動化系統中的應用背景進行了分析；然后簡單介紹了冗余技術的基本概念；最后對冗余技術在廠站端自動化系統中的典型應用進行了分析。

關鍵詞: 冗余技術、自動化系統、廠站端

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

一、前言

冗余技合理的冗余設計是過程控制系統必須的，在廠站端自動化系統中，通過冗余設計，可以保證系統具有很高的可靠性，提高了電力工業生產的管理水平，降低了工程實施和日常維護成本。同時冗余技術是自動化控制系統可靠性保證的一種手段，所以冗余技術在電力系統廠站端綜合自動化系統中得以廣泛采用。

二、背景分析

如圖1所示，為典型的廠站端綜合自動化系統結構示意圖，系統采用分層結構，包括站控層、間隔層兩層。

通過這個結構圖我們可以看到冗余技術幾乎應用到了自動化系統的各個環節：整個自動化系統由兩臺冗余的遠動設備實現與調度通信，當地監控采用雙冗余的主機，站控層采用雙冗余的工業以太網（或者現場總線網絡），與調度主站的通信采用雙冗余的通道，另外遠動設備內部采用雙冗余的電源供電，負責為全站對時的 GPS 時鐘同步裝置采用冗余型對時裝置。

三、冗余技術

1、冗余技術簡介

冗余技術又稱為儲備技術，是利用系統的并聯模型來提高系統安全可靠性的一種有效的手段，冗余技術可以分為工作冗余和后背冗余兩種技術。其中，工作冗余是一種或者兩個或以上的單元并行工作的并聯模型，一般情況下是由各處單元平均負擔工作，因此工作能力有冗余；后背冗余一般情況下只需要一個單元工作，另一個單元是冗余的，用于待機備用。就以計算機為案例來介紹冗余技術，計算機的服務器以及電源等重要的設備，都是采用一用二備甚至是一用三備的配置，在計算機正常工作時，幾臺服務器可可以同時工作，互為備用，電源也是同樣的工作。但是，一旦遇到通電或者是計算機故障，服務器或者電源就會自動轉到正常的設備上繼續工作，這樣就能確保系統不停機，數據不丟失。

2、軟件冗余技術

計算機軟件冗余技術指的是在一臺計算機的主機內擁有兩套獨立程序，也就是所謂的帶有比較結果的一硬二軟技術。主機內的兩套程序都能獨立完成對輸出數據的處理，在計算機運行正常的情況下，數據經由比較器進行比較，在比較結果一致的情況下會經過兩套輸出電路，達到數據的輸出來接通控制電路。在計算機發生故障時，因為兩套計算機程序都是獨立的，這樣經過比較器得出的比較結果就會變得不一致，這種比較結構無法接通控制電路，就會導致計算機無法得到正常的供電。這樣就會通過計算機的自動監控器的監控，在計算機電路短點的情況下，軟件冗余就會將計算機導向安全的結果。在軟件冗余技術中，計算機的存儲器和CPU等器件都是公用的，而計算機的程序編制需要嚴格獨立。這種計算機的一硬二軟技術不能做到電路的完全獨立，因此這種軟件冗余技術存在著孿生性故障的隱患。

3、“二取二”硬件冗余系統

“二取二”硬件冗余系統是指兩臺完全相同的計算機在對輸入數據進行處理后，得到的數據結果是相同的。這種處理結果會經過比較器的比較，在確認結果后就能使同步器的控制系統通過輸出電路做出控制命令。而在計算機發生故障時，兩臺計算機的數據處理結果是不相同的，這樣比較器進行比較后會給出切斷電路的命令，切斷計算機的電路做出故障警報?！岸《庇布哂嘞到y有效的保證了計算機電路的輸出，防止計算機在發生故障時產生連鎖反應，導致計算機的數據丟失。

四、冗余技術在廠站端自動化系統中的典型應用

多種冗余技術在電力系統廠站端自動化系統的設計中得以應用，使得其可靠性大大提高，以下以圖1所示的自動化系統為例，說明冗余技術的典型應用。

1、主機的冗余

主機冗余包括監控主機的冗余和遠動主機的冗余，在本自動化系統中，監控主機和遠動主機是平等地通過站級網絡和間隔層裝置交換信息。前面介紹了系統冗余和單元冗余的概念，如果把主機看作系統，主機完成的各種服務（如監控主機的實時庫、歷時庫、圖形等，遠動主機與各個通信接口的通信）看作是單元的話，傳統的主機冗余方式大部分采用系統冗余即只有一臺主機工作，另外一臺主機處于熱備狀態，本自動化系統采用了單元冗余，即不同的服務可能運行在不同的主機上，正常情況下可能兩臺主機都在工作，這樣不僅分擔主機負荷，還提高了系統可靠性。主機之間需要實現數據同步以便在備份機接管工作機的工作后保證數據不丟失，采用軟件方式通過網絡交換數據實現同步，為了保證冗余的主機之間的通信是可靠的，用于同步的通信通道必須是冗余的。遠動主機冗余的一種特殊形式是兩臺主機都具備全部的數據而由調度端的主站來選擇。

2、站級網絡的冗余

站級網絡采用雙冗余的工業以太網或現場總線網絡，可為同構的雙網絡的冗余也可為異構的雙網絡冗余。網絡冗余主要有提高可靠性、分擔網絡負荷等功能，在本自動化系統中主要目的是提高通信的可靠性，對于主動上送的規約，上行信息從兩個網絡同時上送并由主機選擇一個網絡的數據，下行信息由主機選擇一個當前有效的網絡，應答信息從收到下行信息的網絡上送，這樣既避免了不必要的網絡流量又保證了在網絡故障時迅速切換。在本自動化系統中，站控層設備對每臺間隔層裝置均跟蹤其雙網的工作狀態，而并非只是跟蹤站級網絡的工作狀態，這樣保證出現交叉故障時的數據正常，也是單元冗余優點的另一體現。當有網絡切換時均需上送告警信息以便使維護人員處理可能發生的故障。

3、電源的冗余

電源冗余是指采用兩塊及以上的電源模塊為裝置內的各個模塊冗余供電。實現電源冗余通常有兩種方案，一是通過專用的冗余電源適配器，適配器外接兩路電源輸入，一路輸出給各個模塊供電，兩路輸入中任何一路故障時另外一路仍能保證系統正常供電；二是在兩個電源模塊分別按照支持冗余功能來設計直接給其他模塊供電。電源冗余通過硬件電路來實現，各電源模塊均有狀態監視/告警信號供其他 IO 模塊采集。兩路外接的輸入電源需來自不同的供電電源，這樣避免了由于供電電源故障而使系統停電。

4、對時源的冗余

為了便于事故分析，自動化系統中須具備時鐘同步功能以達到各個裝置時間一致，整個廠站端自動化系統的對時由遠動裝置來實現，或者 GPS 時鐘同步裝置直接給間隔裝置對時。這里所說的對時源的冗余指以下幾個方面，一是指對時源可以是 GPS裝置和調度主站，二是指兩臺冗余的主機的對時處理配合，三是 GPS 裝置的雙冗余設計。對時源可以是 GPS 裝置也可以是調度主站，但同一時刻只能有一個對時源，遠動設備必須通過軟件判斷只能使一個對時源有效，同樣的道理兩臺冗余的遠動設備也必須保證同一時刻只有一臺對時功能起作用。GPS 裝置的雙冗余設計是指 GPS 裝置內部采用雙冗余設計，采用兩套處理器、天線和接收器，處理器之間互相交換信息，保證同一時刻只有一個輸出信號。

五、結束語

綜上所述，本文主要對冗余技術在廠站端自動化系統中的典型應用進行分析，冗余技術就是增加多余的設備，以保證系統更加可靠、安全地工作，所以在廠站端自動化系統中的應用大大提高了設備的可靠性。冗余的分類方法多種多樣，但是每種冗余的實現都是有代價的，雖然單元冗余的可靠性比系統冗余高，但是有時完全的單元冗余實現是非常困難的。因此，在實際工作中，要根據系統的具體情況，在滿足一定的技術要求的情況下，實現一種性能價格比高的冗余方式。

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