許繼昌南通信設(shè)備有限公司　翟文博華北電力大學(xué)　許 楠許繼昌南通信設(shè)備有限公司　馬躍軍許繼電氣股份有限公司　馮帥軍　王首萌

?

短距離工業(yè)無線在變電站中的部署與應(yīng)用模式研究

許繼昌南通信設(shè)備有限公司翟文博
華北電力大學(xué)許 楠
許繼昌南通信設(shè)備有限公司馬躍軍
許繼電氣股份有限公司馮帥軍王首萌

針對變電站環(huán)境中現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等通信手段尚不完善，而短距離工業(yè)無線技術(shù)可實現(xiàn)靈活接入這一現(xiàn)狀，研究提出了短距離工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在變電站監(jiān)測類應(yīng)用、分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)、移動巡檢與定位三種場景下的部署與應(yīng)用模式，為短距離工業(yè)無線技術(shù)在變電站環(huán)境中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

短距離工業(yè)無線；變電站；部署；應(yīng)用模式

1.引言

近年來，隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，面向變電站環(huán)境的短距離工業(yè)無線技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，已成為電力通信領(lǐng)域研究的熱點之一。短距離工業(yè)無線在變電站中的典型應(yīng)用場景包括變電站環(huán)境監(jiān)測、變電站一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障監(jiān)測和預(yù)警、智能巡檢、無人值守變電站安全監(jiān)測、靜態(tài)圖片數(shù)據(jù)傳輸、視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。作為智能電網(wǎng)泛在互聯(lián)的通信手段之一，短距離工業(yè)無線技術(shù)可以實現(xiàn)電網(wǎng)末梢“最后幾百米”的接入，在變電站環(huán)境下具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。

2.短距離工業(yè)無線的國內(nèi)外現(xiàn)狀

一般來說，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場無線信道環(huán)境復(fù)雜，存在金屬屏蔽、多徑干擾、電磁干擾等問題，且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性、低功耗等具有更高要求，短距離無線通信技術(shù)需要具備強電磁耐受、抗高壓場強、低時延、魯棒自愈、冗余備份等工業(yè)級設(shè)計，才能夠進一步滿足應(yīng)用需求?，F(xiàn)階段短距離工業(yè)無線技術(shù)尚未在工業(yè)現(xiàn)場得到大規(guī)模應(yīng)用，但國內(nèi)外均已投入并開展了相關(guān)的研發(fā)工作。

2.1國外現(xiàn)狀

2004年，由美國能源部發(fā)起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司參與成立了無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（WINA），該聯(lián)盟專門討論無線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)難題。同年，美國工業(yè)技術(shù)計劃在“傳感器和自動化”方向上設(shè)立了4個重點項目，歐盟也集中25個組織啟動了RUNES計劃，制定了未來10年內(nèi)無線技術(shù)在工業(yè)控制和自動化方面發(fā)展應(yīng)用的開發(fā)路線圖。

針對工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)的廣闊應(yīng)用前景，國際儀器儀表協(xié)會（ISA）成立了專門的工作組著手制定高速、高實時工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）成立了無線工廠工作組（WIFA）開展相關(guān)的研究工作。歐盟也成立了flexWARE項目旨在建立無線實時通信平臺，實現(xiàn)實時環(huán)境下的無線自動化。同時很多廠商也加大了這方面的投入，如西門子提出了基于SCALANCE W的工業(yè)無線解決方案，ABB公司推出了面向工廠自動化的WISA系統(tǒng)并初步應(yīng)用于車間級工廠自動化中。

2004年，HART通信基金會宣布開始制定無線HART協(xié)議［1］，作為HART現(xiàn)場通信協(xié)議第七版HART7.0的核心部分，已于2007年6月正式通過。2004年12月，美國儀表系統(tǒng)和自動化學(xué)會成立了工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)SP100委員會。2006年7月，現(xiàn)場總線基金會也宣布成立無線工作組，著手制定基于無線通信的基金會現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。

2.2國內(nèi)現(xiàn)狀

2007年，由中科院沈陽自動化研究所牽頭，聯(lián)合機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所、浙江大學(xué)、北京科技大學(xué)、重慶郵電大學(xué)等十余家單位成立了中國無線工業(yè)聯(lián)盟，著手制定WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)［2］。WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE 802.15.4，已于2008年10月31日經(jīng)過國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會（IEC）全體成員國的投票通過，作為公共可用規(guī)范IEC/PAS 62601標(biāo)準(zhǔn)化文件正式發(fā)布。目前，WIA-PA已成為國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 26790.1-2011工業(yè)無線WIA規(guī)范”。

2014，由中科院沈陽自動化研究所牽頭研究制定的工廠自動化工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范（WIA-FA）［3］，經(jīng)IEC/TC65全票通過，作為IEC可公開提供的技術(shù)規(guī)范發(fā)布，成為國際上第一個面向工廠高速自動控制應(yīng)用的無線技術(shù)規(guī)范。

3.變電站自動化系統(tǒng)功能邏輯

變電站通信網(wǎng)絡(luò)是支撐變電站自動化系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，對于實現(xiàn)變電站設(shè)備及饋線的監(jiān)視、控制和保護具有重要的作用。此外，變電站通信網(wǎng)絡(luò)還需要實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)的維護功能，如系統(tǒng)配置、通信管理或軟件管理等。根據(jù)文獻(xiàn)［4］，傳統(tǒng)的變電站自動化系統(tǒng)的功能邏輯可分為三個不同的層，包括站控層、間隔層、過程層。這些功能層和邏輯接口1-10的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1　變電站自動化系統(tǒng)功能層和邏輯接口示意圖

站控層功能分為過程有關(guān)站層功能和接口有關(guān)站層功能。過程有關(guān)站層功能是使用一個以上間隔層數(shù)據(jù)或者整個變電站的數(shù)據(jù)，控制一個以上間隔層的一次設(shè)備或整個變電站，例如站級連鎖、自動順序控制、母線保護。接口有關(guān)站層功能表示變電站自動化系統(tǒng)與就地變電站運行人員人機接口、與遠(yuǎn)方控制中心接口（遠(yuǎn)動接口）或與遠(yuǎn)方監(jiān)視和維護工程師辦公接口（遠(yuǎn)方監(jiān)視接口）等功能。

間隔層使用間隔層數(shù)據(jù)，作用于間隔層內(nèi)的一次設(shè)備。間隔層功能的定義考慮了變電站一次結(jié)構(gòu)中的某些廣義的子結(jié)構(gòu)和有關(guān)這種子結(jié)構(gòu)的二次系統(tǒng)（變電站自動化）某些就地功能，即自治功能。一些功能如線路保護、間隔控制，在間隔層內(nèi)經(jīng)邏輯接口3通信，經(jīng)邏輯接口4和5與過程層，即與遠(yuǎn)方I/O、智能傳感器和控制器通信。

過程層功能指與過程接口的全部功能，基本狀態(tài)量和模擬量輸入輸出功能，如數(shù)據(jù)采集（包括采樣）、發(fā)出控制命令等。

4.短距離工業(yè)無線在變電站中的部署與應(yīng)用

從第3節(jié)的分析中可知，變電站自動化系統(tǒng)為典型的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。三層即為站控層、間隔層、過程層；兩網(wǎng)分別是：過程層與間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)、間隔層與站控層之間的網(wǎng)絡(luò)。變電站短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用包括設(shè)備狀態(tài)和運行環(huán)境監(jiān)測、接地網(wǎng)在線監(jiān)測、GIS局放監(jiān)測等監(jiān)測類應(yīng)用，分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)，移動巡檢與定位等三類。本節(jié)基于我國自主的WIA-PA和WIA-FA標(biāo)準(zhǔn)，分別針對上述三類應(yīng)用，探討短距離工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在變電站中的典型部署與應(yīng)用模式。

4.1監(jiān)測類應(yīng)用

過程層與間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)主要面向監(jiān)測類應(yīng)用，主要具有以下特征：

（1）報文以上行報文（從過程層至間隔層的報文）為主，主要包括低速報文、原始數(shù)據(jù)報文、文件報文以及時間同步報文等4種報文類型，對實時性要求均較低，對速率要求約幾十kbps；

（2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向為自下往上，上級節(jié)點匯聚來自多個節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，需具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；

（3）網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點通常為傳感節(jié)點。在變電站環(huán)境中取電困難且大部分傳感節(jié)點未采用自取電技術(shù)，能耗是影響節(jié)點壽命的關(guān)鍵因素之一，因此，短距離工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)需采用節(jié)能機制；

（4）網(wǎng)絡(luò)通常需要包含中繼節(jié)點。因傳感節(jié)點通常位于待監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部或者附近，某些情況下與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點間的距離較遠(yuǎn)，單跳可能無法滿足通信質(zhì)量；

（5）變電站環(huán)境需要監(jiān)測的狀態(tài)量較多，每種狀態(tài)量的數(shù)據(jù)量及監(jiān)測頻率不同，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需能夠滿足上述差異化的需求。

綜上所述，過程層與間隔層間的網(wǎng)絡(luò)特性與無線傳感網(wǎng)絡(luò)類似，是典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)，需要考慮多跳、節(jié)能及自組網(wǎng)等問題。本小節(jié)提出設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測類應(yīng)用系統(tǒng)主要由監(jiān)測設(shè)備和通信網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，在某些特殊的情況下，通信網(wǎng)關(guān)可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳至基站，進而傳至服務(wù)器；或者服務(wù)器、基站通過通信網(wǎng)關(guān)向監(jiān)測設(shè)備發(fā)送信息。過程層中各種無線監(jiān)測終端安裝在設(shè)備運行現(xiàn)場，主要對各種設(shè)備的狀態(tài)和運行環(huán)境進行監(jiān)測，具體監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過WIA-PA網(wǎng)絡(luò)傳送給間隔層的無線通信網(wǎng)關(guān)，無線通信網(wǎng)關(guān)與站控層的通信基站主要通過WIA-FA網(wǎng)絡(luò)的方式進行通信。通信基站可內(nèi)嵌IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，支持以IEC61850協(xié)議規(guī)范與站內(nèi)監(jiān)測主機通信。

表1　變電站設(shè)備狀態(tài)與運行環(huán)境監(jiān)測主要內(nèi)容

變電站現(xiàn)場根據(jù)實際應(yīng)用的要求，需布置多個無線通信網(wǎng)關(guān)，每個無線通信網(wǎng)關(guān)都集成WIA-PA和WIA-FA兩種通信模塊，下行與各種無線監(jiān)測終端通信，組成多個獨立的WIA-PA無線通信網(wǎng)絡(luò)，上行與通信基站實現(xiàn)WIA-FA無線通信。

4.2分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)

間隔層網(wǎng)絡(luò)主要面向分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用，如繼電保護裝置、測控裝置、故障錄波等。變電站的分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)用于保證變電站的穩(wěn)定運行，故障發(fā)生時及時進行保護與控制，最大程度縮小變電站內(nèi)的故障區(qū)域，控制故障影響在單間隔內(nèi)，減少裝置受損程度，保證變電站運行不受較大影響。

目前，智能變電站內(nèi)的分布式控制與監(jiān)測的通信網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)、光纖等構(gòu)建的有線環(huán)形網(wǎng)絡(luò)為主，而且大部分采用一主一備兩個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的冗余結(jié)構(gòu)。采用有線的通信方式構(gòu)建變電站內(nèi)的分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)施工量大、成本高，而且在變電站故障維護與設(shè)備更新上工作量與工作難度都較大。根據(jù)DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)的要求，變電站內(nèi)分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸時間要求根據(jù)性能類分級而有所不同，其保護與控制中的中速報文的傳輸時間要求為≥100ms，一些保護與控制的報文通信時間要求達(dá)到500ms甚至1000ms。短距離工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能變電站的分布式控制與監(jiān)測系統(tǒng)的方式為：無線通信節(jié)點與監(jiān)測控制端智能電子設(shè)備（IED）實現(xiàn)集成，構(gòu)成基于無線的智能電子設(shè)備，即無線式IED。前端監(jiān)測控制端IED與前端電流互感器（CT）等監(jiān)測裝置連接，接收CT等監(jiān)測裝置上傳的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)前端IED接收到前端CT監(jiān)測到的過電流等故障信息后通過短距離無線方式與間隔內(nèi)的通信網(wǎng)關(guān)或無線接入點（AP）通信，通信網(wǎng)關(guān)或無線AP向該間隔后端監(jiān)測控制端IED發(fā)送保護信息，后端IED接到信息后及時執(zhí)行相應(yīng)控制保護操作，斷開后端線路斷路器，保護后端線路及變壓器等一次設(shè)備不受故障沖擊。同時，通信網(wǎng)關(guān)、無線AP可將間隔內(nèi)故障信息上傳至控制室內(nèi)的監(jiān)測服務(wù)器進行分析處理。

4.3移動巡檢與定位

智能移動巡檢是及時發(fā)現(xiàn)變電站電力設(shè)備隱患，高效進行檢修且避免出現(xiàn)漏檢和錯檢的有效方式。在智能移動巡檢通信網(wǎng)絡(luò)中，巡檢人員和設(shè)備的定位、巡檢數(shù)據(jù)的快速高效獲取是亟需解決的兩個重要問題。

變電站移動巡檢與定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由變電站在線監(jiān)測設(shè)備、手持移動終端（或可穿戴設(shè)備）、巡檢機器人、定位基站、站內(nèi)通信基站組成。

圖2　變電站移動巡檢與定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在巡檢定位應(yīng)用中，手持移動終端（或可穿戴設(shè)備、巡檢機器人）內(nèi)嵌定位模組作為定位標(biāo)簽，變電站現(xiàn)場部署的WIA網(wǎng)關(guān)、儀表都可以作為定位基站。一般情況下，通過獲得WIA網(wǎng)絡(luò)的信號強度使用指紋定位，即可滿足通常的定位精度要求；在高精度場合，可以實現(xiàn)1m精度的精確定位；當(dāng)巡檢設(shè)備在不同區(qū)域漫游時，通過融合定位技術(shù)可以保證定位軌跡的連續(xù)性。為了滿足覆蓋要求，可根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)增加定位基站，以提高定位精度。定位巡檢設(shè)備除了可以實現(xiàn)變電站范圍內(nèi)的精確定位之外，還可以同時記錄行進軌跡，并將定位信息通過觸摸屏實時顯示。此外，還可完成邊界預(yù)警和資產(chǎn)管理等功能。

4.4部署及應(yīng)用建議

綜上所述，從業(yè)務(wù)量角度來說，過程層主要傳輸基本狀態(tài)量、模擬量信息、控制命令信息等，總體來說數(shù)據(jù)量相對較小，對時延的要求也相對較小。此外，該網(wǎng)絡(luò)面向設(shè)備或環(huán)境監(jiān)測類應(yīng)用，有可能通過多跳和中心節(jié)點（間隔層）連接，網(wǎng)絡(luò)屬性類似于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可采用低速工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如基于WIA-PA的低速高可靠工業(yè)無線技術(shù)等。

間隔層不僅要收集過程層的數(shù)據(jù)，其自身也會產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)，總體來說數(shù)據(jù)量較大，對時延的要求也較高。不同間隔層網(wǎng)元單元之間可實現(xiàn)相互通信，間隔層和站控層之間也可以實現(xiàn)相互通信。該網(wǎng)絡(luò)屬性和無線局域網(wǎng)非常類似，故可采用高速無線局域網(wǎng)技術(shù)，如基于WIA-FA的高速高可靠工業(yè)無線技術(shù)等。

總結(jié)應(yīng)用場景、需求與技術(shù)的對應(yīng)關(guān)系，提出短距離工業(yè)無線在變電站中的部署與應(yīng)用模式如表2所示。

表2　　短距離工業(yè)無線在變電站中的部署與應(yīng)用模式

5.結(jié)束語

在大力推動智能電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的背景下，短距離工業(yè)無線技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。變電站作為電網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，存在很多適用短距離工業(yè)無線的應(yīng)用場景。本文主要對短距離工業(yè)無線在變電站中的部署與應(yīng)用模式展開研究，為短距離無線通信在變電站環(huán)境中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。短距離工業(yè)無線作為智能電網(wǎng)通信技術(shù)的一個重要方向，預(yù)期將得到進一步快速的發(fā)展。

［1］彭瑜.無線HART協(xié)議——一種真正意義上的工業(yè)無線短程網(wǎng)協(xié)議的概述和比較［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2007，31-37.

［2］IEC 62601，Industrial communication network-Fieldbus specifications WIAPA communication network and communication profile［S］.Geneva IEC，2008.

［3］張曉玲，梁煒.第四十七講:WIA-FA工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2014，17-21+33.

［4］DL/T 860.5-2006.變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng):第5部分功能的通信要求和裝置模型.

國家電網(wǎng)公司科技項目“電力復(fù)雜電磁環(huán)境下高可靠短距離無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究”資助。