CN103278739A - 一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，包括：S1、提取Profibus现场总线传输的信号；S2、基于S1中所提取到的信号，对高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障进行诊断。所述S1中所提取的信号包括Profibus现场总线传输的报文信号和电气信号。所述S1中提取信号的方法为：选取提取报文信号和电气信号的辅助工具；将所选取的辅助工具连接至Profibus现场总线接口和计算机；在计算机内打开所述辅助工具所对应的应用程序，完成所述报文信号和电气信号的提取。使直流输电技术人员能够及时掌握总线网络运行状态并排除设备故障，保障直流输电系统可靠运行。

Description

一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，具体涉及一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法。

背景技术

高压直流输电是目前应用广泛且发展迅猛的电力工业领域，在国家跨区域远距离送电、区域电网互联中承担重要角色。Profibus现场总线是高压直流输电行业广泛应用的一种传输技术，主要用于换流站点间隔层分布式控制器与核心控制器的数据交换，承担换流站点设备状态、控制命令、测量信号传输的任务，是直流输电工程的重要神经系统，其运行情况直接关系着直流输电系统的运行稳定性。

基于现场总线在直流输电工程中的重要作用，及时发现、准确诊断和排除总线设备故障就成为直流输电工程运行维护的重要课题。然而传统上，对于现场总线故障的检查与诊断手段十分有限，主要依靠总线部分元件自带信号灯的状态来提示异常和故障信息。例如，某一个总线元件的绿色指示灯熄灭，黄色告警灯闪亮，那么表示总线系统出现故障，需要进行检修处理。

上述采用元件信号状态判断总线故障的方法不仅采集到的信息数量有限，难以反映出总线上各种类型的故障，而且由于总线故障的复杂性和特殊性，信号状态常常构成假象，使维护人员难以定位真正的故障点。例如针对上述的例子，检修人员通常会认为是报异常信号的总线元件故障，并对该元件进行更换，但事实上这种做法经常无法解决问题。总线的网络特性决定了其无论在电气上、信息上都是相互关联的，异常信号点与真正的故障点可能并不在一起。

由于检查和诊断方法的局限，实际工程中的总线故障仍存在众多疑难问题，其诊断作业通常是基于某种“经验性”的判断，既无法从原理和解析上说明原因，又难以对症下葯，真正的消除故障，导致故障处理了又出现，只能采用盲目更换设备元件的笨方法，对直流输电系统的安全运行构成隐患。

综上所述，现有技术还存在一定的缺陷。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，使直流输电技术人员能够及时掌握总线网络运行状态并排除设备故障，保障直流输电系统可靠运行。

为此本发明提供如下技术方案：

一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，包括：

S1、提取Profibus现场总线传输的信号；

S2、基于S1中所提取到的信号，对高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障进行诊断。

进一步的，所述S1中所提取的信号包括Profibus现场总线传输的报文信号和电气信号。

进一步的，所述S1中提取信号的方法为：

选取提取报文信号和电气信号的辅助工具；

将所选取的辅助工具连接至Profibus现场总线接口和计算机；

在计算机内打开所述辅助工具所对应的应用程序，完成所述报文信号和电气信号的提取。

进一步的，所述S2中：

当所述辅助工具无法监测出Profibus现场总线网络的波特率时，手动设置波特率进去，网络中不存在任何报文信号时，则说明Profibus现场总线故障为主站点控制器丢失故障。

进一步的，所述S2中：

当Profibus现场总线网路中的主站点和从站点无报文信号交换，且主站点会向该从站点发送Sync数据帧时，则说明Profibus现场总线故障为从站点丢失故障。

进一步的，所述S2中：

当报文信号显示通过中继器连接主站点的所有从站点全部发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为中继器故障。

进一步的，所述S2中：

当报文信号显示通过OLM连接到网段的所有从站点全部发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为OLM故障。

进一步的，所述S2中：

当Profibus现场总线某个从站点以后的从站点发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为终端电阻设置故障。

进一步的，所述S2中：

当通过所述辅助工具观察到网段电压波形波动变大，则说明Profibus现场总线故障为无终端电阻故障。

进一步的，所述S2中：

当报文信号中含有一个从站点的无效应答报文以及另一个从站点发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为站点地址冲突故障。

进一步的，所述S2中：

当报文信号显示一个从站点发生了丢失故障，且主站点与该从站点没有任何数据交换，则说明Profibus现场总线故障为站点地址不存在故障。

进一步的，所述S2中：

当报文信号显示一个Profibus现场总线的故障误发为另一个Profibus现场总线的故障，则说明Profibus现场总线故障为冗余系统总线反插故障。

进一步的，所述S2中：

当有外界电磁设备进行干扰时，通过所述辅助工具发现网段电压波形由正常变为出现波动，则说明Profibus现场总线故障为电磁干扰故障。

进一步的，所述S2中：

当Profibus现场总线的电气信号出现畸变时，结合终端电阻电压测量，确认终端电阻失电，则说明Profibus现场总线故障为终端电阻失电故障。

进一步的，所述S2中：

当Profibus现场总线的信号出现畸变时，且单线信号电压保持零电压，则说明Profibus现场总线故障为总线单线对屏蔽层短路故障。

进一步的，所述S2中：

当总线线间的信号波形无法保持方波形态，呈现为瞬态冲击信号，则说明Profibus现场总线故障为总线线间短路故障。

本发明为高压直流输电技术人员全面了解、认识高压直流输电控制系统现场总线及其设备的故障形式提供了可能，是高压直流输电控制设备检测与检修的突破。本发明针对高压直流输电换流站点控制系统Profibus现场总线每一种故障的识别特征与诊断方法进行了研究，首次针对换流站点现场总线系统各种故障形式提出了故障特征和基于故障特征的诊断方法，能够从原理上和解析上对故障原因进行说明，使技术人员能够快速检测现场总线系统及其设备故障并排除故障，保障直流输电系统可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法所提供的实施例的流程图。

图2为无电磁干扰与有电磁干扰的总线线间信号波形对比图。

图3为终端电阻失电后总线线间特征波形图。

图4为总线单线对屏蔽层短路单线特征波形图。

图5为总线线间短路后的线间信号特征波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例

如图1所示，本实施例提供的一种基于Profibus-DP总线的高压直流输电控制数据监测方法，包括：

S1、提取Profibus现场总线传输的信号。

作为优选，所述信号包括Profibus现场总线传输的报文信号和电气信号。

作为优选，所述S1中提取信号的方法为：选取提取报文信号和电气信号的辅助工具；将所选取的辅助工具连接至Profibus现场总线接口和计算机；在计算机内打开所述辅助工具所对应的应用程序，完成所述报文信号和电气信号的提取。在本实施例当中，所述辅助根据优选Proficore辅助工具进行信号提取。

S2、基于S1中所提取到的信号，对高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障进行诊断。

需要说明的是，S2中基于S1中所提取到的信号对Profibus现场总线故障进行诊断，因为所述信号是通过辅助工具所提取的，且所述辅助工具连接有计算机，在计算机内有该辅助工具对应的应用程序，该应用程序可以采用多种表现形式来反馈辅助工具所提取到的信号，包括但不限于以下形式：以数据表的形式、以波形图的形式。

基于高压直流换流站点控制系统总线网络结构与总线设备特点，结合高压直流换流站点多年运行出现的总线系统故障，不难得出总线故障的主要类别与形式，下面针对所述辅助根据提取出的信号，分别讲述针对不同的信号表现，如何做出正确的故障诊断。

作为优选，所述S2中：

当所述辅助工具无法监测出Profibus现场总线网络的波特率时，手动设置波特率进去，网络中不存在任何报文信号时，则说明Profibus现场总线故障为主站点控制器丢失故障。

Profibus现场总线网络是主从结构的网络，主站点向从站点发送请求帧，从站点在收到主站点请求帧以后，发送响应帧到主站点。现有的直流输电Profibus现场总线网络都是单主站点网络，即一个网络中只有一个主站点。由于从站点只会被动的相应主站点请求帧，不会主动的发生数据，因此，当主站点发生丢失故障时，网络中将不会有任何的数据交换。反之，即可诊断Profibus现场总线是否发生主站点控制器丢失故障

作为优选，所述S2中：

当Profibus现场总线网路中的主站点和从站点无报文信号交换，且主站点会向该从站点发送Sync数据帧时，则说明Profibus现场总线故障为从站点丢失故障。

在Profibus现场总线网络中，当从站点存在异常时，主站点发送请求帧后，如果主站点在设定的时间内没有收到该从站点的响应帧，就是进行重试，重新发送请求帧。如果在重试次数内，从站点能够正常相应，则主站点认为该从站点工作正常。如果主站点进行重试次数超过预先设定的重试次数，则主站点会认为该从站点丢失，继续访问下一个从站点。判断到该从站点丢失后，主站点在接下到每一个循环周期中不会在给该从站点发送数据请求帧，而是改为发送SYNC诊断帧，用于判断该从站点是否恢复正常。因此在Profibus现场总线网络中，如果发生了从站点丢失故障，可以通过监听网络数据交换中该从站点的SYNC诊断帧判断。

作为优选，所述S2中：

当报文信号显示通过中继器连接主站点的所有从站点全部发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为中继器故障。

在基于RS-485的Profibus网络中，按照Profibus的规范，当网络中的硬件设备超过32个，或者波特率对应的网络通信距离已经超过规定范围时，就应该使用RS-485中继器来扩展网络连接。RS-485中继器上下分为两个网段,其中A1/B1和A1’/B1‘是网段一的一个ProfiBus接口,A2/B2和A2’/B2‘是网段二的一个ProfiBus接口,PG/OP接口属于网段一;信号再生是在网段一和网段二之间实现的,同一网段内信号不能再生;两个网段之间是物理隔离的,因而RS-485中继器除了扩展网段外,还有一个作用就是可以进行网络隔离。因此，当RS-485中继器发生故障时，通过该中继器连接到主站点所有从站点均会发生丢失故障。

作为优选，所述S2中：

当报文信号显示通过OLM(OLM是一种应用较多的Profibus总线传输元件，全称及中文名为：Optical Link Module,光连接模块)连接到网段的所有从站点全部发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为OLM故障。

Profibus-OLM是相互转换Profibus电信号与Profibus光信号的网络组件。在高压直流输电中，OLM用于连接主控室与继保室之间的现场网络。OLM连接成冗余的光纤环网，大大提高了网络的可靠性。由于OLM与RS-485中继器类似，也是用来连接不同网段中的站点，而且采用了光纤环网通信（单个OLM故障不会影响网络中其他OLM的正常工作）。因此，当OLM发生故障时，故障现象与RS-485中继器类似，也是导致通过该OLM连接到主站点的所有从站点发生丢失故障。

需要说明的是，在通信过程中，有两种原因因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通信电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射。

在高压直流输电工程中，Profibus现场总线一般有以下三种形式：

一种是在现场总线插头中集成的终端电阻。在网络末端设备的插头，应将插头上的终端电阻开关拨到ON位置；而在网络中其他设备的插头，应将插头上的终端电阻开关拨到OFF位置。另外，当插头上的终端电阻拨到ON位置时，插头的出线会自动与总线断开，防止一个网络中接入多个终端电阻；第二种为独立的终端电阻，由单独电源供电，只在网络的末端配有；第三种为RS-485中继器或OLM内集成的终端电阻。此类终端电阻与总线插头上的终端电阻类似，电阻的接入和断开均由小开关控制。

作为优选，所述S2中：

当Profibus现场总线某个从站点以后的从站点发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为终端电阻设置故障。

由于高压直流输电中Profibus现场总线网络均为单主站点网络，因此当非末端的站点终端电阻被错误设置为ON时，由于插头会自动将后续网络线路断开，因此在发生错误设置的站点以后的所有站点均会发生丢失故障，而其他站点则能保持正常工作。

作为优选，所述S2中：

当通过所述辅助工具观察到网段电压波形波动变大，则说明Profibus现场总线故障为无终端电阻故障。

终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射，高压直流输电中ProfiBus现场总线网络一般都在网络终端设置独立电源供电的终端电阻，如该终端电阻失电，则该终端电阻会失去作用，等同于网络一头没有终端电阻运行。因此网络中的通信会受到反射波的干扰。由于中继器、OLM的隔离作用，干扰只会影响到故障网段的设备。如果用Proficore观察到特定网段电压波形有很大的波动，则可以判断该网段末端终端电阻未设置为ON或者是无终端电阻。

作为优选，所述S2中：

当报文信号中含有一个从站点的无效应答报文以及另一个从站点发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为站点地址冲突故障。

Profibus网络中必须确保每个站点的地址唯一，如果两个站点地址一样，就会发生冲突故障。例如将试验网络的#11从站点的地址改为#10，可以在网络报文中发现有#10的无效应答的报文以及#11从站点丢失的报文（如图5所示）。基于该特征可以快速判断存在站点地址误设，进而导致站点地址冲突。

作为优选，所述S2中：

当报文信号显示一个从站点发生了丢失故障，且主站点与该从站点没有任何数据交换，则说明Profibus现场总线故障为站点地址不存在故障。

当从站点被错误地设置为一个不存在的地址时，该从站点会发生丢失错误，例如对于试验网络，将#11号从站点的站点地址改为#50时（#50没有在网络中被其他站点使用），从网络的报文可以看出，#11从站点发生了丢失故障。而主站点与站点地址为#50的从站点不会有任何数据交换。

作为优选，所述S2中：

当报文信号显示一个Profibus现场总线的故障误发为另一个Profibus现场总线的故障，则说明Profibus现场总线故障为冗余系统总线反插故障。

高压压直流输电Profibus网络均采用冗余配置，即每一套Profibus网络均配置两套一样的系统，两套系统的功能完全一致，因此当系统正常工作时，即使两套总线的插头插反，也不会存在任何的异常，无法用Proficore检测出本类型故障。但是当一套系统发生故障时，错误的插头会产生错误的SER（SER是高压直流输电系统控制监测术语，其全称和中文名是：Sequence of Events Recording，事件顺序记录，含义是在运行监控电脑显示的按发生时间排序的事件信号，作用是让运行人员了解发生的事件以及根据事件顺序进行分析等）信号，如总线一故障误发为总线二故障，通过该特征可以判断总线反插。

作为优选，所述S2中：

当有外界电磁设备进行干扰时，通过所述辅助工具发现网段电压波形由正常变为出现波动，则说明Profibus现场总线故障为电磁干扰故障。

基于RS485的Profibus网络采用两芯的屏蔽双绞线电缆进行通讯，在屏蔽层良好的接地和安装正确时，能避免一定的电磁干扰；但是当屏蔽没有接好或者是干扰很大时，就会对通讯产生干扰，如下图2所示，图中为用对讲机干扰时，两根通讯电缆的电压差波形，正常时（图2中左边波形），纹波较小，当用对讲机对总线进行干扰时，可以看出，电压波形出现明显的波动（图2中右边波形）。

作为优选，所述S2中：

当Profibus现场总线的电气信号出现畸变时，结合终端电阻电压测量，确认终端电阻失电，则说明Profibus现场总线故障为终端电阻失电故障。

终端电阻失电后，故障网段电压受到反射波的干扰，总线信号波形会出现一定的畸变，其特征波形如图3所示。在出现该特征波形后再结合终端电阻电压测量确认是否为终端电阻失电。

作为优选，所述S2中：

当Profibus现场总线的信号出现畸变时，且单线信号电压保持零电压，则说明Profibus现场总线故障为总线单线对屏蔽层短路故障。

对屏蔽层短路后，总线信号将发生严重畸变，无法进行信号传输。此时的故障特征波形如图4所示。在对屏蔽层短路后，故障线无法建立单线信号电压，基本保持零电压，是判断线对屏蔽层短路的重要特征。

作为优选，所述S2中：

当总线线间的信号波形无法保持方波形态，呈现为瞬态冲击信号，则说明Profibus现场总线故障为总线线间短路故障。

在发生线间短路后，总线不可能在传输信号，线间信号发生严重畸变，其特征波形如图5所示。线间短路时，线间信号波形无法保持基本的方波形态，呈现为瞬态冲击信号，此时总线无法传输任何信息。

本发明为高压直流输电技术人员全面了解、认识高压直流输电控制系统现场总线及其设备的故障形式提供了可能，是高压直流输电控制设备检测与检修的突破。本发明针对高压直流输电换流站点控制系统Profibus现场总线每一种故障的识别特征与诊断方法进行了研究，首次针对换流站点现场总线系统各种故障形式提出了故障特征和基于故障特征的诊断方法，能够从原理上和解析上对故障原因进行说明，使技术人员能够快速检测现场总线系统及其设备故障并排除故障，保障直流输电系统可靠运行。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，包括：

S1、提取Profibus现场总线传输的信号；

S2、基于S1中所提取到的信号，对高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障进行诊断。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S1中所提取的信号包括Profibus现场总线传输的报文信号和电气信号。

3.根据权利要求2所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S1中提取信号的方法为：

选取提取报文信号和电气信号的辅助工具；

将所选取的辅助工具连接至Profibus现场总线接口和计算机；

在计算机内打开所述辅助工具所对应的应用程序，完成所述报文信号和电气信号的提取。

4.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当所述辅助工具无法监测出Profibus现场总线网络的波特率时，手动设置波特率进去，网络中不存在任何报文信号时，则说明Profibus现场总线故障为主站点控制器丢失故障。

5.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当Profibus现场总线网路中的主站点和从站点无报文信号交换，且主站点会向该从站点发送Sync数据帧时，则说明Profibus现场总线故障为从站点丢失故障。

6.根据权利要求5所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当报文信号显示通过中继器连接主站点的所有从站点全部发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为中继器故障。

7.根据权利要求5所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当报文信号显示通过OLM连接到网段的所有从站点全部发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为OLM故障。

8.根据权利要求5所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当Profibus现场总线某个从站点以后的从站点发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为终端电阻设置故障。

9.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当通过所述辅助工具观察到网段电压波形波动变大，则说明Profibus现场总线故障为无终端电阻故障。

10.根据权利要求5所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当报文信号中含有一个从站点的无效应答报文以及另一个从站点发生丢失故障时，则说明Profibus现场总线故障为站点地址冲突故障。

11.根据权利要求5所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当报文信号显示一个从站点发生了丢失故障，且主站点与该从站点没有任何数据交换，则说明Profibus现场总线故障为站点地址不存在故障。

12.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当报文信号显示一个Profibus现场总线的故障误发为另一个Profibus现场总线的故障，则说明Profibus现场总线故障为冗余系统总线反插故障。

13.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当有外界电磁设备进行干扰时，通过所述辅助工具发现网段电压波形由正常变为出现波动，则说明Profibus现场总线故障为电磁干扰故障。

14.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当Profibus现场总线的电气信号出现畸变时，结合终端电阻电压测量，确认终端电阻失电，则说明Profibus现场总线故障为终端电阻失电故障。

15.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当Profibus现场总线的信号出现畸变时，且单线信号电压保持零电压，则说明Profibus现场总线故障为总线单线对屏蔽层短路故障。

16.根据权利要求3所述的高压直流输电控制系统Profibus现场总线故障诊断方法，其特征在于，所述S2中：

当总线线间的信号波形无法保持方波形态，呈现为瞬态冲击信号，则说明Profibus现场总线故障为总线线间短路故障。

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