變電站繼電保護裝置集中打印方案設計及工程應用

李書田，楊紅培，金 翼，魏 勇，張喬賓

（1.國網河南省電力公司濟源供電公司 河南 濟源 454650；2.許昌電氣職業學院 河南 許昌 461000；3.許繼電氣技術中心 河南 許昌 461000）

變電站繼電保護裝置集中打印方案設計及工程應用

李書田1，楊紅培2，金 翼1，魏 勇3，張喬賓3

（1.國網河南省電力公司濟源供電公司 河南 濟源 454650；2.許昌電氣職業學院 河南 許昌 461000；3.許繼電氣技術中心 河南 許昌 461000）

本文針對變電站綜自系統高壓繼電保護裝置隨控制屏配置的就地打印機存在頻發性故障，降低了運維效率問題，提出一種繼電保護裝置的集中式打印技術方案，通過將若干繼電保護裝置串口通信線近距離匯聚接入打印數據集中器，再以虛擬串口方式接入打印服務器，通過解析采用標準打印控制協議的繼電保護信息，實現繼電保護裝置打印信息的集中可視化展示和打印輸出，本技術方案具有投入少、接入方便、不影響現有設備運行的優點，非常適合變電站綜自系統的技術升級改造。

變電站綜自系統；繼電保護裝置；集中式打??；虛擬串口；打印控制語言；觸控式界面設計

微機繼電保護保護裝置信息打印作為變電站綜自系統的一項基本功能，應用于保護裝置的多個場合。目前常規變電站綜自系統的微機繼電保護裝置信息打印方式一般采用分布式配置，一個間隔或一個重要的繼電保護裝置配置一臺打印機，后臺主站又配置單獨的打印機。這種分布式的打印方式不利于打印設備的共享，占用了屏位，在一定程度上浪費了資源，增加了變電站間隔層的組網復雜性。又由于打印機一般采用交流電源，這就要求系統具備較大的逆變電源容量（具體取決于站內配置了多少臺上屏打印機）；而且為了實現裝置的打印服務，裝置的通訊接口部分一般都要設計獨立的打印服務模塊，這增加了裝置的復雜性，同時降低了裝置的運行效率。

變電站打印機在使用過程當中，系統一旦出現擾動就會啟動并發出告警信息。由于繼電保護裝置一般采用嵌入式軟硬件開發，存儲資源容量有限，普遍采用了環形隊列存儲區的數據緩存方式，當擾動信息頻繁產生時，重要繼電保護信息就有可能被湮沒覆蓋，表現為部分重要繼電保護信息的丟失，為繼電保護事故分析造成了不便。為了能夠永久保存告警信息，打印機在裝置啟動后就直接打印輸出。在擾動比較頻繁的環境下，保護裝置頻繁啟動，打印機連續輸出，或者來不及輸出。由于目前變電站配備的均是針式打印機，經常性的連續動作使打印設備壽命嚴重縮短，色帶消耗嚴重，很多打印機的色帶由于來不及更換，被打印頭撕破撕裂，打印機行進機構損壞，打印機已成為變電站綜自系統的主要易損設備之一，此外打印紙也浪費驚人。

在變電站的運行維護中，繼電保護裝置打印的試驗結果、裝置參數、錄波波形、定值單等紙質文件只能就地閱讀，不能被充分利用，也不便于備份及歸檔保存，更無法接入到電力的信息共享的平臺中以實現信息的共享和整合。

本文針對常規變電站綜自系統微機繼電保護裝置信息打印方面存在的不足進行專題研究，提出一種適用于常規綜自變電站的微機繼電保護裝置集中式網絡打印技術方案，該方案直接將全站繼電保護裝置打印串口連接到集中打印系統，實現繼電保護裝置信息的集中式圖形化展示、打印輸出、電子化存儲錄波等功能。

1 繼電保護裝置打印技術分析

早期微機保護裝置都沒有實現功能完善的通信系統，在無通信的或通信比較薄弱的保護裝置中，打印輸出就成為數據輸出保存唯一可以依賴的重要手段，打印口輸出的繼電保護信息也是繼電保護裝置信息輸出最全面、細節的。隨著繼電保護裝置通信功能隨著技術發展逐步增強，從早期的串口、現場總線等發展到今天普遍采用的工業以太網技術，盡管通信的傳輸速率、傳輸帶寬得到了很大的提升，并能將這些信息送入繼電保護管理系統，但限于通信規約所能傳輸數據類型的制約，仍有一些繼電保護信息，尤其是部分私有、個性化、中間過程狀態信息無法通過通信口進行傳輸，這導致繼電保護運行管理人員在進行事故處理分析時，還需要到變電站現場繼電保護裝置打印機前查閱細節的動作信息。但基于本文引言中所述問題，很多時候繼電保護運行管理人員卻無法得到這些打印輸出信息，為繼電保護事故的分析造成了一定的困難，部分繼電保護動作事故甚至成了“懸案”。

為充分利用繼電保護裝置打印口的全方位輸出信息，國內眾多研究機構和學者開展了相關研究。華電能源富拉爾基發電總廠的高頌等在《淺談繼電保護裝置打印的集中管理》[1]一文中針對早期的通信功能較弱的微機保護裝置的打印輸出功能在某些工況下動作頻繁，有些輸出信息是不必要的，造成人力物力的浪費的現狀，提出一種使用集中管理系統對其打印輸出進行集中管理，實現了簡化維護及方便管理。常德電業局邱仕義與長沙英科電力技術股份有限公司聯合開展了《經濟實用的微機保護裝置動作信息遠傳系統》[2]項目的研究，研制了YK-100微機保護裝置動作信息遠傳系統。利用微機保護裝置的打印接口采集其保護動作信息，通過RS-485總線將變電站所有微機保護裝置所采集的信息送到保護裝置動作通信處理器，然后經調制解調器接入專用通道，將信息遠傳到監控中心。上面兩篇文獻的研究重點均在信息的遠傳上。清華大學的薛志芳博士研究了一種基于Lonworks現場總線技術的集中式打印服務器用工業現場多個智能裝置的共享打印服務，節約了成本[3]；也有學者對醫學成像領域集中打印技術進行了研究[4-5]。本文作者曾發表《智能變電站集中式網絡打印的研究與應用》[6]一文，研究了一種適用于智能變電站的集中式打印方案，該方案以打印服務器為中心，采用IEC61850通信規約，通過可擴展樣式表語言轉換技術實現打印格式的靈活控制。這種方案是通過繼電保護裝置的以太網通信口來實現打印信息組網的，且要求裝置支持IEC61850通信規約，不適用于本文所述的常規變電站綜自系統，而常規變電站綜自系統占現階段變電站自動化系統的80%以上，研究適用于變電站綜自系統繼電保護裝置的集中式打印方案非常有實用價值。

2 關鍵技術

本文技術方案的思路是通過將變電站綜自系統內若干需要進行集中打印的繼電保護裝置的串口（RS-232）以通信線短距離直連的方式直接接入到打印數據通道集中器，該集中器以數據透傳的方式，通過虛擬串口技術映射到打印服務器，打印服務器對接收到的打印口輸出繼電保護信息報文進行解碼，該信息采用針式打印機普遍支持的“ESC P/K”標準指令集命令格式，解析出“控制數據”，如回車、換行、間距、字體控制等信息，以及“元數據”，如繼電保護動作信息等。打印服務器再進行格式化輸出和分頁控制，并提供直觀的可視化輸出和打印功能，打印服務器對收到的全部數據進行錄波存儲。該方案關鍵支撐技術主要包括：ESC P/K打印控制技術，虛擬串口技術，打印通道數據集中采集技術等。

2.1 ESC P/K打印控制技術

打印機各種部件的運行和動作，各種打印動作的實現、在各種介質上打印出圖形和字符，是由一套能為打印機所識別的語言（命令）來進行控制。通常將能完成上述功能的命令的集合稱為打印機控制命令（Print Control Command）[7]。目前主流的打印機控制命令主要有以下3種：EPSON公司的ESC PK命令集；HP公司的PCL命令集；Adobe公司的PostScript（簡稱PS）命令集。ESC P/K命令集是針式打印機（尤其是滾筒方式打?。╊I域事實上的工業標準；PCL命令集是中、低檔激光打印機、噴墨機印機領域的工業標準；PS命令集則是高檔排版、出版領域的應用標準。

變電站綜自系統繼電保護裝置打印所采用的打印機要求為針式打印機，基本都采用ESC P/K打印控制指令集，本文所研究的集中式打印技術方案，打印服務器實際上過個繼電保護裝置共享的虛擬打印機，因此需要研究ESC P/K打印指令集，并開發軟件解析出打印控制數據和元數據，最終實現虛擬打印機的可視化展示及打印輸出。

2.2 打印通道數據采集技術

本文技術方案中，若干臺繼電保護裝置的RS-232串口以物理通信線纜的方式接入打印通道集中器，該集中器的功能是實現多路串口的接入，對外提供一路USB接口輸出，進一步接入打印服務器?？紤]到變電站較嚴酷的電磁兼容及雷電擾動，在打印通道數據采集器的每一路前端均加入了光電隔離，提高數據傳輸可靠性。

2.3 虛擬串口技術

虛擬串口是用操作系統的虛擬驅動技術產生的串口（COM口），相對于計算機本身的硬件串口（COM1等）來說虛擬串口并不對應一個物理上的串口，但是計算機應用軟件可以像硬件串口一樣地使用虛擬串口，對于串口軟件開發者來說虛擬串口和硬件串口并沒有區別。通過虛擬串口技術，通過打印通道集中器連入打印服務器的每臺繼電保護裝置打印串口就如同物理直接連接到本機的串口設備，軟件開發比較方便。

3 實施方案

變電站繼電保護裝置集中打印系統是通過將全站擬進行共享集中打印的繼電保護裝置的打印串口，直接通過打印數據集中器接入打印服務器，來實現站內所有微機繼電保護裝置的共享打印服務功能，該系統由打印數據集中器、打印服務器和一臺針式打印機組成，這些設備可以在一面屏體上安裝，形成集中打印屏，為全站提供集中打印服務。

由于集中打印服務器僅是將打印命令解析成打印文件，所以在內容和格式上與針式紙質打印內容完全一致。同時系統配置的是同款針式打印機，用戶通過集中打印服務器打印文件時，打印的紙質文件與原來獨立打印完全一致。

變電站繼電保護裝置集中打印系統構成如圖1所示。

圖1 集中打印系統總體結構圖

3.1 硬件選型設計

考慮到集中打印服務器是變電站強電磁干擾環境長期不間斷運行設備，必須穩定可靠，所以應選擇在變電站自動化領域廣泛應用的、成熟可靠的的工控機型；又考慮打印服務器必須具備方便易用、易維護的特點，所以選擇觸屏工控一體機?；谏鲜隹紤]，集中打印服務器選用成熟的研華工控一體機，內置1～4塊PCI多串口卡，作為繼電保護裝置串口輸出打印報文的接收處理設備。每塊PCI多串口卡含8個RS-232串口，分別連接8個不同的微機裝置的打印口。當裝置需要打印時，它所下發的打印命令將會由相連接的RS-232串口接收，并通過PCI卡轉發到應用服務程序解析處理，解析完成后以文件形式保存到打印文件庫，并通過消息標示提示用戶有新的打印內容需要打印。當用戶通過界面瀏覽打印內容時，也可以自定義選擇要打印的內容。

打印通道擴展集中器委托德國VS-COM公司定制開發，前置采集通道加入了光電隔離部分，以提高變電站強電磁干擾和雷電沖擊環境下的工作可靠性。此設備為可選的通道擴展設備，用于站內需要接入智能設備個數大于32臺的時候進行擴展接入，每臺打印通道擴展集中器可以提供16路串口擴展，若需要擴展接入的設備個數為n，則集中打印系統配置（n/16+1）臺打印通道擴展集中器即可，打印通道擴展集中器和打印服務器硬件上采用USB的接口方式，軟件上采用虛擬串口的方式。

3.2 軟件模塊設計

集中式打印系統軟件主要部署在打印服務器，數據流關系如圖2所示。

圖2 集中打印系統數據流圖

集中式打印系統軟件從層次上分為3個主要模塊。

1）打印報文解析模塊

打印報文解析由PCI多串口卡驅動，每個RS-232串口獨立連接一臺裝置，同時由一個獨立的線程對該串口接收到的打印報文進行解析處理。當解析完裝置的打印命令后，該模塊會將打印內容以文件方式保存在待打印文件庫中。

2）打印信息存儲模塊

因為集中打印服務器連接的裝置個數較多，打印文件的保存歷史較長（n年），所以必須對打印文件按一定的格式進行命名。同時考慮到打印命令中不含裝置信息，故考慮對每個RS-232接收的打印內容以裝置命名，再加上時間標簽方式進行命名。另外，考慮到存儲的安全性，定期對打印文件進行備份，系統還設計手動導出打印數據功能。

3）打印信息展示模塊

集中打印服務器的界面設計選用當前流行的按鈕式界面，每個按鈕標示一個裝置，顯示該裝置待打印的文件數。用戶也可以通過點擊按鈕，查看該裝置的詳細打印文件信息和閱覽打印文件。也可以選擇打印文件，通過針式打印機打印輸出。

3.3 打印通道配置設計

“config.csv”文件是變電站繼電保護設備集中打印系統軟件的最核心配置文件，主要用于配置變電站需要接入的智能設備相關信息，該文件為CSV格式，為便于編輯推薦采用excel進行編輯?！癱onfig.csv”文件的樣例文件如圖3所示。

該配置文件主要包括下列配置信息：

圖3 config.csv配置文件結構

1）變電站打印名稱配置，該信息配置好后，將顯示在軟件系統主界面的最上部；同時在軟件運行主目錄下將會創建名稱為該信息的子目錄，如圖3的配置信息，則產生“濟源220 kV苗店變電站集中打印系統”子目錄。

2）序號，從0開始，逐次加1；

3）串口號，和操作系統的設備管理部分的虛擬串口編號對應，這一項配置非常重要；

4）波特率，串口的通訊波特率，需要和具體接入設備匹配，一般為4800/9600/19200；

5）數據位，串口的通訊數據網定義，需要和具體接入設備匹配，一般不動，為_8；

6）停止位，串口的通訊停止位定義，需要和具體接入設備匹配，一般不動，為_1；

7）校驗，串口的通訊校驗方式定義，需要和具體接入設備匹配，一般不動，為無；

8）裝置名稱，需要接入的設備名稱，和實際設備對應起來即可，不帶廠家及間隔前綴；

9）制造商，需要接入設備的制造廠家名稱；

10）間隔，需要接入設備所處間隔信息。

3.4 軟件界面設計

變電站集中式打印系統采用類似iPad的觸摸屏操作方式，不需要鍵盤和鼠標，因此界面設計風格采用簡明的工業觸控方式。

主界面設計如圖4所示。

圖4 主界面圖

主界面分為4個區域：1）當前時間信息區域；2）系統名稱區域；3）集中打印設備列表區域；4）頁面切換區域。

系統名稱區域和集中打印設備列表區域顯示內容均為3.3部分config.csv文件的配置定義。

當智能設備集中打印收到某臺智能設備發出的串口打印報文時，在該設備的鏈接按鈕右下角會出現標識，如圖5所示。

圖5 正在接收打印信息

表示打印服務器正在進行該智能設備打印報文的接收，當報文接收完畢后，又會出現標識，如圖6所示。

圖6 已完成接收打印信息

表示打印服務器已經完成了一次完整的打印報文接收，并且該信息還未被處理。此時點擊該設備鏈接按鈕則可進行打印信息的圖形化瀏覽，如圖7所示。

圖7 打印信息瀏覽

4 工程應用

本文的技術方案已在河南電網220 kV濟源苗店變電站投入現場使用，至今已安全運行近兩年，實現了全站近40臺繼電保護裝置的集中打印，節省了大量的打印機設備和屏位面積，且大幅降低了打印機設備的故障率。繼電保護裝置打印信息查看更加方便，無需鍵盤鼠標，實現全觸摸屏方式的觸控操作，方便快捷，打印信息實現了電子化的存儲，便于數據挖掘和后續縱深利用，并作為變電站重要繼電保護信息的數據保險柜，避免動作報告及錄波等重要數據人為修改或刪除，為繼電保護事故分析保留了原始數據，為變電站的安全運行提供安全保障

5 結束語

本文技術方案和研究成果是對變電站信息傳輸網絡化這一技術特征的深入、實用化實踐，減少了變電站控制室的屏位個數及占地面積，降低了變電站日常運行的故障率（打印機卡紙、缺墨、打印頭斷針等常見故障），最終降低了變電站的全生命周期運行成本，通過電子化的打印信息交付方式進一步降低了對紙張的消耗，提高了打印信息的深層次綜合分析利用，符合國家節能降耗、信息化發展的產業發展政策。

[1]高頌，高清華.淺談繼電保護裝置打印的集中管理[J].黑龍江科技信息，2010（36）：16.

[2]邱仕義，楊其海，蘇洪波等.經濟實用的微機保護裝置動作信息遠傳系統[J].電力系統自動化，2003，27（7）：86-87.

[3]薛志芳，史琳，等.基于Lonworks技術的網絡打印服務器設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2005（6）:70-71.

[4]尹建東,郭啟勇，等.基于DICOM標準的集中打印系統的研制[J].中國醫學影像學雜志，2010(6):521-524.

[5]尹建東，郭啟勇，等.PACS中集中打印系統的研制[J].中國中西醫結合影像學雜志，2010(4):360-362.

[6]張向群,魏勇，等.智能變電站集中式網絡打印的研究與應用[J].計算機工程，2012,38(13):234-236.

[7]徐偉國,楊鎖紅，等.基于ARM7的電力保護裝置網絡打印系統的研究[J].計算機應用，2009，31(1):30-32.

Scheme design and application of centralized printing system of relay protection devices in substation

LI Shu-tian1，YANG Hong-pei2，JIN Yi1，WEI Yong3，ZHANG Qiao-bin3
（1.State Grid Jiyuan Power Company，Jiyuan 454650，China；2.Xuchang Electrical Vocational College，Xuchang 461000，China；3.XuJi Electric Corporation Technical Center，Xuchang 461000，China）

This paper focus on defection of frequent printing failure which is found in high voltage relay protection devices configured in substation automation system.And propose a protection device centralized printing technology scheme which is implemented by connect the printing serial communication port to print data sample device directly，and the send the printing data to the central printing server via virtual serial communication port technology.The printing server analyses relay information using standard print control protocol，so the relay protection printing information can be displayed and printed.This scheme has advantages such as small investment，convenient access，little infect on working devices etc.and suitable for device upgrade of substation automation system.

substation automation system；relay protection device；centralized print；virtual serial communication port；print control language；touch&control interface design

TN919

A

1674－6236（2016）15-0056-04

2015-09-10 稿件編號：201509078

李書田（1970—），男，河南濟源人，技師。研究方向：變電站繼電保護運維檢修。