趙淑芳

（中國(guó)石化股份有限公司天津分公司，天津 300271）

一、概述

變電站自動(dòng)化是將變電站的二次設(shè)備(包括測(cè)量?jī)x表、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等)經(jīng)過(guò)功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通信和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全變電站的主要設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)，以及與調(diào)度中心進(jìn)行通信。

變電站自動(dòng)化包括以下內(nèi)容。

（1）電氣量的采集，電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)。

（2）變電站運(yùn)行的監(jiān)視和操作。

（3）事故的瞬態(tài)電氣量的采集、監(jiān)視和控制，并迅速切除故障，及恢復(fù)操作。

（4）將變電站所采集的信息傳送給調(diào)度中心及檢修中心。

變電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)越性：提高供電質(zhì)量和電壓合格率；提高變電站的安全性和可靠運(yùn)行水平；提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行、管理水平；縮小變電站占地面積，降低投資；減少維護(hù)工作量。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程與集成電路技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)密切相關(guān)。從國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由早期的集中式微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展為分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每一層由不同的子系統(tǒng)組成。整個(gè)變電站的一、二次設(shè)備可分為3層，即變電站層((2層)、單元層(1層)和設(shè)備層((0層)，如圖1所示。

設(shè)備層主要指變壓器和斷路器、隔離開(kāi)關(guān)及其輔助觸點(diǎn)，電流、電壓互感器等一次設(shè)備。

單元層一般按斷路器間隔劃分，具有測(cè)量、控制部件或繼電保護(hù)部件。

變電站層包括全站性的監(jiān)控主機(jī)和負(fù)責(zé)全站信息匯總的通信控制機(jī)及全站范圍的微機(jī)化自動(dòng)控制裝置等。它們之間通常采用現(xiàn)場(chǎng)總線或其他局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。

二、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信分為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)間的通信和自動(dòng)化系統(tǒng)與上級(jí)調(diào)度的通信兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信主要解決自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)與上位機(jī)(監(jiān)控主機(jī))和各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和信息交換問(wèn)題，它們的通信范圍是變電站內(nèi)部。系統(tǒng)與上級(jí)調(diào)度通信是指必須兼有遠(yuǎn)方終端接口(RTU)的全部功能，應(yīng)該能夠?qū)⑺杉哪M和開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，以及事件順序記錄等遠(yuǎn)傳至調(diào)度端；同時(shí)應(yīng)該能接收調(diào)度端下達(dá)的各種操作、控制、修改定值等命令。即完成新型RTU等全部四遙功能。

由于數(shù)據(jù)通信的重要性，經(jīng)濟(jì)可靠的數(shù)據(jù)通信成為系統(tǒng)的技術(shù)核心，而由于變電站的特殊環(huán)境和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，使變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)和要求。

（1）快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)要及時(shí)地傳輸現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行信息和操控信息，在電力工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。

（2）高抗干擾性及可靠性。變電站內(nèi)通信環(huán)境惡劣，干擾嚴(yán)重，而電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的故障和非正常工作會(huì)影響整個(gè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行，因此通信子系統(tǒng)必須保證很高的可靠性。

（3）分層式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的各層都各具特殊的應(yīng)用條件和性能要求，因此每一層都要有合適的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的通信方式如下。

（1）星型通信系統(tǒng)方案：

星型通信系統(tǒng)以安裝于控制室的站級(jí)計(jì)算機(jī)為中心點(diǎn)，通過(guò)通信介質(zhì)與分散在每一開(kāi)關(guān)柜上的監(jiān)控I/O設(shè)備和保護(hù)設(shè)備連接，形成1:N的連接形式。星型通信系統(tǒng)方案有以下特點(diǎn)。

①通常使用光纖作為通信介質(zhì)，因此具有高抗干擾性、高安全性的特點(diǎn)，適合變電站惡劣的電磁環(huán)境;

②各I/O單元及保護(hù)單元都與站級(jí)計(jì)算機(jī)獨(dú)立通信，可靠性高，維護(hù)性好;

③采用串行通信實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，比較簡(jiǎn)單;

④星型連接連線較多，施工復(fù)雜;

⑤各I/O單元及保護(hù)設(shè)備之間的橫向通信必須通過(guò)站級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行，復(fù)雜且效率不高。

（2）總線型通信系統(tǒng)方案：

這種方式以一條總線連接各分散的保護(hù)、監(jiān)控設(shè)備及站級(jí)計(jì)算機(jī)?？紤]到系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)等因素，在變電站內(nèi)部可以采用兩條或多條總線連接各個(gè)單元?？偩€型通信系統(tǒng)因總線類型的不同有多種應(yīng)用形式，常見(jiàn)的有RS485方式、LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線方式以及CAN總線方式。

①基于RS-485總線技術(shù)的方案：

國(guó)內(nèi)基于RS485的通信方案在早期使用較多，它們使用一個(gè)主站對(duì)多個(gè)從站，在應(yīng)用中存在以下缺陷。

a.無(wú)法實(shí)現(xiàn)多主站信息互為備份的冗余設(shè)計(jì)；

b.從站無(wú)法主動(dòng)上送重要信息，實(shí)時(shí)性較差；

c.各從站之間無(wú)法直接通信，只能通過(guò)主站中繼才能相互通信；

d.對(duì)較小規(guī)模的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性可以得到保證，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能將會(huì)急劇降低；

e.抗干擾及糾錯(cuò)能力較差，一般只適合在控制室內(nèi)部使用，不能適用于分散安裝的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。

②基于CAN總線技術(shù)的方案：

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，是德國(guó)Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，已被列入ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線在變電站自動(dòng)化中應(yīng)用較多，與其他同類技術(shù)相比，在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

a.CAN網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)信而不分主從,這樣可構(gòu)成真正的多主系統(tǒng)；

b.參考模型只包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能,如數(shù)據(jù)打包、拆包、發(fā)送、接收、校驗(yàn)、編碼、解碼等,應(yīng)用層和用戶層相應(yīng)的軟件需用戶開(kāi)發(fā)；

c.CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同級(jí)別的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可在134μs內(nèi)得到傳輸；

d.采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)上發(fā)信時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的信文主動(dòng)停止發(fā)送，而不影響優(yōu)先級(jí)高的信文的發(fā)送，這樣網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很大時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓；

e.CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。其直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率在5kbps以下）；通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)40m）；

f.采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)；

g.CRC校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施，大大改善了網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)能力。

圖2中使用CAN總線技術(shù)將一系列智能保護(hù)單元和主控I/O單元連成現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)硬件包括智能保護(hù)單元模件和主控I/O單元及CAN總線通信接口卡的CAN網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。該總線通信接口卡完成ISO/OSI參考模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層兩層功能，如數(shù)據(jù)打包、拆包、發(fā)送、接收、校驗(yàn)、編碼、解碼等，用戶只需開(kāi)發(fā)應(yīng)用層和用戶層相應(yīng)的軟件即可。此方案簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)，被電力自動(dòng)化設(shè)備業(yè)界大量采用。

但由于其每一報(bào)文要有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，所以網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不可能太大，通常一個(gè)網(wǎng)絡(luò)能容納110個(gè)接點(diǎn)，可滿足35kV、110kV變電站級(jí)變電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的需求。

③基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方案：

LonWorks總線是一個(gè)開(kāi)放的控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)，其提供一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，給各種控制網(wǎng)絡(luò)提供端到端解決方案，主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

a.開(kāi)放性、互操作性好。其通信協(xié)議LonTalk符合ISO定義的OSI模型，對(duì)用戶平等；

b.具有強(qiáng)大的通信控制接點(diǎn)。其提供的神經(jīng)元芯片幾乎包含了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)終端的大部分功能，七層規(guī)約中六層固化。減少了二次開(kāi)發(fā)的工作量；

c.通信可靠性高。其協(xié)議規(guī)定部分優(yōu)先級(jí)，使緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，保證了實(shí)時(shí)性；

d.容量大。其定義了子區(qū)、子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址的分層邏輯尋址方式，一個(gè)測(cè)控網(wǎng)上的接點(diǎn)數(shù)可達(dá)32 000個(gè)，通信速率0.003～1.25Mbps，直接通信距離可達(dá)2 700m；

e.LonTalk協(xié)議支持分散的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。節(jié)點(diǎn)可以組成總線型、環(huán)型、樹(shù)型等多種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外還可以組成自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它是各種常規(guī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合；

f.LonTalk協(xié)議支持多種傳輸介質(zhì)。如雙絞線，電力線，超聲波、光纖、無(wú)線射頻、紅外線和信源線等。每一種介質(zhì)稱為一種信道，每一種信道都有專用的收發(fā)器作為智能節(jié)點(diǎn)和通信介質(zhì)之間的接口器件；

g.系統(tǒng)分散性好。Neuron芯片采用超大規(guī)模、低功耗集成電路、密封式結(jié)構(gòu)，防塵、防潮、防電磁干擾性能好，適用于變電站現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。

如圖3所示，變電站內(nèi)部有兩個(gè)LonWorks網(wǎng)絡(luò)，分別為監(jiān)控網(wǎng)和錄波網(wǎng)。監(jiān)控網(wǎng)用來(lái)傳送各種控制和狀態(tài)信息,錄波網(wǎng)則傳送電力系統(tǒng)故障錄波信息。網(wǎng)絡(luò)的通信速率為78kbps,最大通信距離為2km，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖。每個(gè)保護(hù)裝置都帶有LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口,后臺(tái)機(jī)、工程師站、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)等PC機(jī)上均插有PCLTA卡，保護(hù)裝置和PC機(jī)可以聯(lián)到LonWorks網(wǎng)上。此方案簡(jiǎn)單、方便可靠,適合于中、低壓變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。它已成功地用于很多35kV、110kV變電站。但當(dāng)用于220kV及以上的大型高壓變電站時(shí),由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)增多,網(wǎng)絡(luò)流量增大,78kbps網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠因此,這種方案不適合于大型高壓變電站。

三、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的通信發(fā)展的趨勢(shì)及存在問(wèn)題

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，以太網(wǎng)技術(shù)正被引入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)過(guò)程層的采集、測(cè)量單元和間隔層保護(hù)、控制單元中，構(gòu)成基于網(wǎng)絡(luò)控制的分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。與其他通信控制網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）可靠性高。它使用的是一種很簡(jiǎn)單又很可靠的傳輸機(jī)制，這種機(jī)制每天在世界范圍的各個(gè)站點(diǎn)之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

（2）通信速度快。從最初的l0M己經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的10G。

（3）以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使其可作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用它可以滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，使企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)得以統(tǒng)一。

（4）技術(shù)成熟。受支持度最好，可直接利用大量現(xiàn)有產(chǎn)品組網(wǎng)。由于以太網(wǎng)應(yīng)用最廣，受多種編程語(yǔ)言支持（如Java Visual、C++Visual、Basic等），也受到硬件開(kāi)發(fā)商的高度重視，使以太網(wǎng)系統(tǒng)的價(jià)格相對(duì)低廉。

（5）互聯(lián)性、開(kāi)放性好。直接與PC等設(shè)備相連，節(jié)點(diǎn)數(shù)量基本上無(wú)限制。

（6）設(shè)備成本低。

（7）可支持的傳輸介質(zhì)多。有光纖、雙絞線、同軸電纜等。

（8）擴(kuò)展性好、發(fā)展?jié)摿Υ?。以太網(wǎng)的傳輸速度有l(wèi)0Mbps系統(tǒng)、100Mbps系統(tǒng)和1Gbps系統(tǒng)，甚至I0Gbps系統(tǒng)方便系統(tǒng)速度升級(jí)及擴(kuò)展。

（9）國(guó)際上已將以太網(wǎng)確立為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)(UCA、MMS、61850-104協(xié)議等)。

目前國(guó)內(nèi)的變電站自動(dòng)化廠家大多選用TCP/IP作為通信網(wǎng)的高層協(xié)議，采用TCP/IP協(xié)議的系統(tǒng)可以具有良好的可擴(kuò)展性，TCP/IP模型的傳輸層定義了兩個(gè)不同的協(xié)議:傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP（User Datagram Protocol）。在大多數(shù)廠家的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，UDP得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐表明UDP在快速傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)方而是比較便捷的。

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