劉曉峰 懷化電業(yè)局調(diào)度所 418000
[摘 要]介紹了幾種常用的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)站內(nèi)通信模式，著重論述了各自的通信結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)各種的通信模式在我局實(shí)際應(yīng)用中的效果進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上提出比較合理的通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模式，并對(duì)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)廠家提出一些建設(shè)性的意見。
[關(guān)鍵詞] 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS) 站內(nèi)通信 通信規(guī)約智能電子設(shè)備(IDEs)
1 引言
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)的運(yùn)行方式越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)化水平的要求越來(lái)越高，從而促進(jìn)了變電站自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展。為避免重復(fù)投資，提高信息資源共享的水平，須對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的信息采集、處理、傳輸加以規(guī)范，對(duì)站內(nèi)通信配置予以綜合考慮。在可靠性的基礎(chǔ)上盡可能做到了軟硬資源的共享，提高了變電站的運(yùn)行及管理水平，達(dá)到變電站減人增效，提高安全運(yùn)行水平的目的。
站內(nèi)通信系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中占有非常重要的地位。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能在邏輯上可分配在三個(gè)層次：變電站層(station level)，間隔層或單元層(bay level)，過(guò)程層(process level)。第一層為變電站層，它由間隔層得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，承擔(dān)著站內(nèi)本站操作員與遠(yuǎn)方監(jiān)視和維護(hù)工程師站的人機(jī)接口、監(jiān)視、管理、控制等變電站主控室功能，并負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信。第二層為間隔層或單元層，負(fù)責(zé)對(duì)下層就地裝置和智能電子設(shè)備(IDEs)進(jìn)行通信管理、控制等任務(wù)，同時(shí)也承擔(dān)著通信規(guī)約解釋、轉(zhuǎn)換工作。第三層是就地的模擬量、開關(guān)量和脈沖量數(shù)據(jù)采集、保護(hù)和控制操作出口，是數(shù)字量和模擬量I/O功能。三層之間靠站內(nèi)通信系統(tǒng)聯(lián)系。
站內(nèi)通信系統(tǒng)主要是指第一層與第二層之間，第二層與第三層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)，它可通過(guò)傳統(tǒng)的RS-422/485總線(雖然RS-485總線通信速度不高，但有些110 kV及以下電壓等級(jí)和非樞紐變?nèi)圆捎眠@一傳統(tǒng)的方式)、局站中速網(wǎng)絡(luò)(Lonworks及CAN技術(shù))或高速標(biāo)準(zhǔn)以太技術(shù)通信在各層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。站內(nèi)通信系統(tǒng)的組成方案有很多種，它的主流結(jié)構(gòu)是分層分布式。結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)變電站的實(shí)際情況，著重從通信的角度進(jìn)行論述。
2 我局應(yīng)用中的幾種站內(nèi)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 高速以太網(wǎng)
這種結(jié)構(gòu)有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式：
一、第一種結(jié)構(gòu)為變電站層與間隔層共享以太網(wǎng)，取消了傳統(tǒng)的通信單元。主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用光纖自愈環(huán)型以太網(wǎng)，間隔層與過(guò)程層設(shè)備直接采用雙絞線以星型方式接入主干網(wǎng)，用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通訊。對(duì)于其他智能電子設(shè)備(IDEs)，具有以太網(wǎng)接口可直接接入主干網(wǎng)，否則通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入系統(tǒng)。
光纖雙環(huán)自愈的原理就是將所有的設(shè)備分布在信號(hào)流向相反的兩個(gè)環(huán)上，平時(shí)只有主環(huán)在工作，次環(huán)處于備份狀態(tài); 當(dāng)環(huán)上某處光纖斷裂或某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，其相鄰節(jié)點(diǎn)的主環(huán)、備環(huán)自動(dòng)環(huán)回，這時(shí)，環(huán)網(wǎng)仍然是一個(gè)閉環(huán)，通信鏈路保持暢通。故障點(diǎn)鏈路恢復(fù)后，備環(huán)回到備份狀態(tài)。這種自愈型環(huán)網(wǎng)極大地提高了光纖通信的可靠性。
二、第二種結(jié)構(gòu)為變電站層與間隔層之間采用的是以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通訊，間隔層與過(guò)程層設(shè)備采用的是485總線結(jié)構(gòu)，以POLLING方式的廠家的內(nèi)部規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
第一種結(jié)構(gòu)一般用于220KV及以上樞紐變電站，光纖自愈環(huán)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)中任一點(diǎn)故障時(shí)，可快速切換通道，保證網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的正常通信，其可靠性高于雙總線網(wǎng)絡(luò)，所有的環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)視與之相連的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)以及直流電源供電情況，出現(xiàn)問(wèn)題可通過(guò)輸出觸點(diǎn)及時(shí)反應(yīng)，并能反應(yīng)故障位置，極大地簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。并具有良好的靈活性和擴(kuò)展性。間隔層與過(guò)程層設(shè)備直接采用以太網(wǎng)以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速無(wú)瓶頸平衡式傳輸。
第二種結(jié)構(gòu)用于110KV變電站，它的特點(diǎn)是根據(jù)各層之間需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和開放性要求而采用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳輸協(xié)議，變電站層與間隔層之間需要傳輸整個(gè)變電站間隔層設(shè)備及智能電子設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，因此采用了傳輸速率較高的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。而在間隔層與過(guò)程層之間由于采用多個(gè)通信管理單元，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，通訊速率要求不高，因而采用傳輸速率較低的485總線結(jié)構(gòu)。
2.2 CAN總線
這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)為變電站層與間隔層之間采用的是CAN總線結(jié)構(gòu)，以CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，間隔層與過(guò)程層之間采用的是485總線結(jié)構(gòu)，以POLLING方式的廠家的內(nèi)部規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
CAN(Controller Area Network)--控制器局部網(wǎng)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中合作。CAN具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)。CAN總線結(jié)構(gòu)通訊速率比以太網(wǎng)慢，最高只能達(dá)到1MB/s，但基本能滿足站內(nèi)數(shù)據(jù)交換的要求。這種結(jié)構(gòu)用于110KV變電站，它的其它特點(diǎn)與以太網(wǎng)第二種結(jié)構(gòu)相同。
2.3 LonWorks網(wǎng)絡(luò)
這種結(jié)構(gòu)也有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式：
第一種結(jié)構(gòu)為間隔層與過(guò)程層之間采用LonWork網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以LonTalk協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，與站內(nèi)智能電子設(shè)備(IDEs)的通訊經(jīng)過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換直接掛在LonWork網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而變電站層與間隔層之間采用直接串口通訊。
第二種結(jié)構(gòu)為變電站層與間隔層之間采用直接串口與調(diào)度主站通訊、采用MOXA卡或直接串口經(jīng)過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換與站內(nèi)智能電子設(shè)備(IDEs)通訊，而間隔層與過(guò)程層之間采用LonWork網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以LonTalk協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
LonWorks(Local Operating Networks)--局部操作網(wǎng)絡(luò)是美國(guó)Echelon公司于1991年提出的。LonWorks有完整的7層協(xié)議,具備了局域網(wǎng)的基本功能，它采用雙絞線通信速率為1.25Mbps/130m/每段64個(gè)節(jié)點(diǎn)。LonWorks的通訊介質(zhì)訪問(wèn)控制方式采用了帶預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA（Predicive P-Persistent CSMA）[CSMA (Carrier Sense Multiple Access)]載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)，這樣就避免了碰撞，減少了網(wǎng)絡(luò)碰撞率，提高了重載時(shí)的效率。并采用了緊急優(yōu)先機(jī)制，以提高它的實(shí)時(shí)性與可靠性。 LonWorks是一種完整的、全開放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
這兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將間隔層與過(guò)程層之間的數(shù)據(jù)通訊視為重點(diǎn)，采用的是較成熟的LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中較為穩(wěn)定。但這兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了變電站層與間隔層之間的通訊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不利于系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和功能擴(kuò)展。這兩種結(jié)構(gòu)一般用于110KV變電站。
2.4 RS-422/485總線
這種結(jié)構(gòu)的間隔層功能實(shí)際上是由一臺(tái)工控機(jī)完成的，工控機(jī)接收智能通訊卡的外設(shè)接口RS-422/485和串口RS-232智能電子設(shè)備(IDEs)采集的各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后直接顯示為后臺(tái)監(jiān)控，并通過(guò)串口上發(fā)調(diào)度主站。
RS-485是一種低成本、易操作的半雙工結(jié)構(gòu)總線，通常應(yīng)用于一對(duì)多點(diǎn)的主從應(yīng)答式通信系統(tǒng)中，但RS-485總線在抗干擾、自適應(yīng)、通信效率等方面仍存在缺陷，數(shù)據(jù)通信方式為命令響應(yīng)式，數(shù)據(jù)傳輸效率降低，尤其是錯(cuò)誤處理能力不強(qiáng)，同時(shí)當(dāng)下端出現(xiàn)異常時(shí)，數(shù)據(jù)不能立即上傳，靈活性極差，不適于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。
這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是進(jìn)一步的簡(jiǎn)化了通訊系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換功能都集中在做為數(shù)據(jù)處理和后臺(tái)監(jiān)控的工控機(jī)及其智能通訊卡上，一旦工控機(jī)故障或死機(jī)就會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓，這樣就對(duì)系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性及軟件系統(tǒng)的可靠性要求很高。但這種通信結(jié)構(gòu)成本低廉，所以這種結(jié)構(gòu)一般用于數(shù)據(jù)處理量不大的35KV變電站。
3 各種站內(nèi)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較
通過(guò)對(duì)上述幾種站內(nèi)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，我們不難看出，幾種站內(nèi)通信系統(tǒng)由于應(yīng)用環(huán)境不同，設(shè)計(jì)思想的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，在實(shí)際運(yùn)行中各自的性能也各有千秋，具體列表如下：
| 性 能 |
高速以太網(wǎng) |
以太網(wǎng) |
LonWorks |
CAN |
RS-485/422 |
| 傳輸速率 |
很高 |
高 |
一般 |
一般 |
低 |
| 傳輸規(guī)約 |
TCP/IP |
TCP/IP |
LonTalk |
ISO11898 |
廠家自編 |
| 應(yīng)用環(huán)境 |
220KV及以上變電站 |
110KV變電站 |
110KV 變電站 |
110KV 變電站
|
35KV變電站及110KV變電站低壓側(cè) |
| 正常時(shí)數(shù)據(jù)傳輸 |
快> |
快 |
快 |
一般 |
一般 |
| 事故時(shí)數(shù)據(jù)傳輸
|
一般 |
一般 |
快 |
一般 |
一般 |
| 防干擾、防雷 |
好 |
好 |
好 |
一般 |
差 |
| 可靠性 |
好 |
好 |
好 |
一般 |
差 |
| 穩(wěn)定性 |
好 |
好 |
好 |
一般 |
一般 |
| 開放性 |
好 |
好 |
一般 |
差 |
一般 |
| 獨(dú)立性 |
好 |
好 |
一般 |
一般 |
一般 |
| 擴(kuò)展性 |
好 |
好 |
差 |
差 |
一般 |
表一、各種站內(nèi)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能比較
隨著電網(wǎng)改造的深入進(jìn)行，大量的變電站投入運(yùn)行，近期的110KV及以上變電站站內(nèi)通信系統(tǒng)間隔層與過(guò)程層之間都是采用LonWorks或CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有的還直接采用LAN以太網(wǎng)絡(luò)，而RS-422/485總線已經(jīng)不再使用；變電站層與間隔層之間都是采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通訊。采用LonWorks、 CAN或LAN以太網(wǎng)絡(luò)的站內(nèi)通信系統(tǒng)完全能滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信要求，從這里我們也可以看到站內(nèi)通信系統(tǒng)的趨勢(shì)所在，這也正是筆者所樂(lè)見的。不論從硬件和軟件（通信規(guī)約）的兼容性還是從通用性和易用性的角度來(lái)看，筆者認(rèn)為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的站內(nèi)通信全部采用以太網(wǎng)和高速以太網(wǎng)是其最佳模式。
另外，站在安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)的角度來(lái)看，現(xiàn)在站內(nèi)通信系統(tǒng)的主要瓶頸在于變電站層與各種智能電子設(shè)備(IDEs)如直流充電系統(tǒng)、小電流接地系統(tǒng)等系統(tǒng)之間的通信�，F(xiàn)在這些IDEs一般都要通過(guò)RS-232/485口用規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置與變電站層進(jìn)行通信。雖然這類裝置臺(tái) 對(duì)通信的要求并不高，現(xiàn)有的通信模式也能滿足要求，但在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)的過(guò)程中往往要花費(fèi)大量的人力物力對(duì)其提供的通信規(guī)約進(jìn)行調(diào)試。如果各種智能電子設(shè)備(IDEs)都能采用以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與變電站層通訊，那么其通用性和易用性都能得到很大的提高。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文從電力系統(tǒng)用戶的角度對(duì)目前應(yīng)用在我局的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的站內(nèi)通信模式進(jìn)行了大量的分析比較，提出了站內(nèi)通信模式的最佳模式，并根據(jù)安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)的要求，對(duì)接入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的智能電子設(shè)備(IDEs)提出了一些改進(jìn)設(shè)想，希望能拋磚引玉，得到各位專家和同仁的指正。
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