摘要：通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵。分析了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中通信網(wǎng)的特點(diǎn)與要求，給出了LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線和嵌入式以太網(wǎng)兩種通信方案，并對(duì)這兩種方案作了分析比較。

關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化；現(xiàn)場(chǎng)總線；嵌入式技術(shù)；以太網(wǎng)

1　引言

變電站自動(dòng)化技術(shù)在我國發(fā)展很快，目前新建的變電站絕大多數(shù)都采用了綜合自動(dòng)化技術(shù)，很多老變電站也在進(jìn)行改造。這種自動(dòng)化系統(tǒng)與常規(guī)變電站系統(tǒng)相比，最大的特點(diǎn)就是站內(nèi)通信能力強(qiáng)。從90年代初變電站內(nèi)開始搞綜合自動(dòng)化，先后出現(xiàn)過幾類通信方案。最初用RS485總線將保護(hù)設(shè)備聯(lián)在一起，用主從方式通信，這種方式較簡(jiǎn)單，實(shí)際上是串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，技術(shù)上缺陷很多。后來各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)被引入國內(nèi)，由于其具有簡(jiǎn)單易用、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，很快被電力自動(dòng)化設(shè)備業(yè)界采用，以構(gòu)成變電站內(nèi)的通信網(wǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線種類較多，用得較多的是LonWorks和CAN。用現(xiàn)場(chǎng)總線來做通信網(wǎng)，從工程實(shí)踐來看是較成功的。但隨著變電站自動(dòng)化從以前的35kV、110kV等中、低壓變電站向220kV、330kV甚至500kV高壓、超高壓大型變電站發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線的一些局限性逐漸暴露出來，不能滿足高壓、超高壓大型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的要求。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了嵌入式技術(shù)。這使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)時(shí)有了新的選擇，利用嵌入式技術(shù)的軟、硬件，設(shè)計(jì)者可以在單片機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)。目前國外一些著名大公司已利用嵌入式技術(shù)將以太網(wǎng)接口做在保護(hù)裝置中，這樣各保護(hù)裝置就可以用以太網(wǎng)連成一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)了。以太網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)速度快，帶寬較寬，與后臺(tái)監(jiān)控PC機(jī)、工作站等接口方便的特點(diǎn)，能夠滿足大型高壓變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)的要求。這在國外已有工程實(shí)例。本文將介紹兩種站內(nèi)通信網(wǎng)方案，一是LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，二是嵌入式以太網(wǎng)。這兩種網(wǎng)的技術(shù)原理很多資料已有介紹，本文不再重復(fù)，而是直接說明如何應(yīng)用。

2　LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)方案

如圖1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78kB／s，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，于是保護(hù)裝置和PC機(jī)就可以聯(lián)到LonWorks網(wǎng)上。圖1所示的方案簡(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，78kB／s網(wǎng)絡(luò)帶寬就顯得不夠了，特別是當(dāng)多個(gè)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，網(wǎng)上沖突加劇，重發(fā)次數(shù)增多，通信效率降低。因此，這種方案不適合于大型高壓變電站。
 

3　嵌入式以太網(wǎng)方案

3．1　系統(tǒng)配置

如圖2所示，站內(nèi)有3個(gè)相互獨(dú)立的光纖以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)1、2為監(jiān)控網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)3為錄波網(wǎng)。考慮到大型高壓變電站都是以間隔為單元組屏和設(shè)備的向下兼容性及有關(guān)國際發(fā)展趨勢(shì)，因此沒有用嵌入式以太網(wǎng)完全替代LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，而是將站內(nèi)通信網(wǎng)設(shè)計(jì)為兩層，間隔以上用10MB／s嵌入式以太網(wǎng)構(gòu)成站內(nèi)通信的主干網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)后臺(tái)機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)等PC機(jī)和各間隔進(jìn)行通信。在間隔內(nèi)部則用Lon－Works現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)把各保護(hù)裝置聯(lián)在一起。Lon－Works網(wǎng)上的信息通過間隔層的測(cè)控單元上傳到主干網(wǎng)上。最低層的各種保護(hù)設(shè)備可不作任何改動(dòng)，保持了向下兼容性。這種方案實(shí)際上將嵌入式以太網(wǎng)與LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)。圖2　以太網(wǎng)、LonWorks網(wǎng)相結(jié)合方案系統(tǒng)配置圖

3．2　測(cè)控單元

由上可見，測(cè)控單元是整個(gè)方案的核心與關(guān)鍵。圖3給出了測(cè)控單元的簡(jiǎn)圖。其中Neuron芯片作為CPU的通信處理器完成LonWorks網(wǎng)絡(luò)的通信任務(wù)，利用它可與保護(hù)裝置通信。CPU選用了32b單片機(jī)，CPU部分采用了嵌入式軟件設(shè)計(jì)，利用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)及TCP／IP模塊，完成以太網(wǎng)的通信與測(cè)控任務(wù)，CPU與Neuron芯片之間以SlaveB并口方式交換信息。測(cè)控單元以LonWorks網(wǎng)與四方公司制造的保護(hù)裝置相聯(lián)，用RS485、RS232與其他廠家制造的保護(hù)裝置相聯(lián)。
　圖3　測(cè)控單元示意圖

4　兩種方案的比較與分析
　　

（1）方案1中只有LonWorks一層網(wǎng)絡(luò)，站內(nèi)的幾十個(gè)保護(hù)裝置均聯(lián)其上。因此網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)多、流量大，而帶寬卻只有78kB／s。在多臺(tái)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作等特殊情況下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載突然加重，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)沖突現(xiàn)象，報(bào)文的重發(fā)次數(shù)增多，網(wǎng)絡(luò)通信效率降低。方案2中有兩層網(wǎng)，主干網(wǎng)的帶寬已達(dá)10MB／s，雖然間隔內(nèi)的LonWorks網(wǎng)絡(luò)仍為78kB／s帶寬，但其上所聯(lián)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目卻大大減少，只有幾臺(tái)。于是LonWorks的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載極輕，即使在各臺(tái)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的特殊情況下，通信效率仍很高。而當(dāng)信息傳到主干網(wǎng)后，由于主干網(wǎng)帶寬很寬，站內(nèi)那些流量對(duì)其而言仍屬輕負(fù)載，以太網(wǎng)在輕負(fù)載時(shí)效率極高，因此方案2能滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，并留有余地。

（2）故障錄波數(shù)據(jù)上傳速度大大加快LonWorks網(wǎng)主要支持幀長(zhǎng)為幾十B的短幀，當(dāng)傳送錄波數(shù)據(jù)時(shí)，效率較低，耗時(shí)較多，以太網(wǎng)支持最長(zhǎng)可達(dá)1500B的長(zhǎng)幀，因此方案2中錄波數(shù)據(jù)的傳輸效率大大增強(qiáng)。

（3）與PC機(jī)接口PC機(jī)須用PCLTA卡等專用板卡與LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口，這些板卡由于是專用品所以較貴，PC機(jī)臺(tái)數(shù)增多時(shí)，PC機(jī)用廉價(jià)的以太網(wǎng)卡就可聯(lián)到以太網(wǎng)上，因此方案2中的PC接口更方便、更廉價(jià)。

（4）易于與廣域網(wǎng)相聯(lián)由于以太網(wǎng)使用開放式的TCP／IP協(xié)議，所以可以較為方便地與廣域網(wǎng)相聯(lián)。

（5）易于與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，目前IEC正在制定有關(guān)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)部通信協(xié)議體系，其目的在于使不同廠商的產(chǎn)品有互操作性，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有公布，我們從有關(guān)介紹中了解到它是一個(gè)分層的網(wǎng)絡(luò)，主干網(wǎng)就是10MB／s以太網(wǎng)。因此，當(dāng)IEC標(biāo)準(zhǔn)公布后，我們只須將系統(tǒng)內(nèi)部軟件重新處理，方案2就能較容易地與IEC國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

5　內(nèi)部通信網(wǎng)的傳輸實(shí)時(shí)性分析

網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)。方案2中有兩層網(wǎng)，即間隔內(nèi)部的LonWorks網(wǎng)絡(luò)和間隔以上的以太網(wǎng)。

首先分析間隔內(nèi)部LonWorks網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。LonWorks網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)變量來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信，不同的網(wǎng)絡(luò)變量可以設(shè)置成不同的優(yōu)先級(jí)，這樣開關(guān)變位等重要信息就可用優(yōu)先級(jí)高的網(wǎng)絡(luò)變量?jī)?yōu)先傳輸。LonWorks網(wǎng)絡(luò)以這種方式保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)在CSC2000變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)用了400多套，根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)站內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過40時(shí)，LonWorks網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是很好的；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目再多時(shí)可將一個(gè)網(wǎng)分成不同的子網(wǎng)以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。在方案2中，間隔內(nèi)部的LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不超過10，因此Lon－Works網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)荷是很低的。在這種情況下，間隔內(nèi)部LonWorks網(wǎng)絡(luò)的傳輸實(shí)時(shí)性是有絕對(duì)保證的。

以太網(wǎng)雖然沒有LonWorks網(wǎng)絡(luò)或CAN總線的優(yōu)先級(jí)設(shè)置，但其帶寬到達(dá)10MB／s，因此可承受的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷很大。研究表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不超過帶寬的37％時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上的沖突率很低，以太網(wǎng)的傳輸效率是有保證的［1］。

實(shí)際上變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部若使用合理的通信規(guī)約和合理的傳輸模式，其網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷與帶寬10MB／s的37％相比是很低的，網(wǎng)絡(luò)沖突率極低。美國電力研究院（EPRI）在制定UCA通信協(xié)議體系時(shí)，對(duì)以太網(wǎng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性作了研究分析，結(jié)果表明當(dāng)使用交換式集線器時(shí)，10MB／s以太網(wǎng)是完全可以滿足實(shí)時(shí)性要求的［2］。

國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）的第35工作組也對(duì)以太網(wǎng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)時(shí)性問題作了研究，得出了與美國電力研究院相同的結(jié)論［3～5］。因此，選擇10MB／s以太網(wǎng)作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)部通信網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性是有保證的。需要注意的是，必須使用交換式基線器。實(shí)際上國外已經(jīng)推出不少使用以太網(wǎng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，如美國GE－Harris公司的PowerComm系統(tǒng)、美國GE公司的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、日本東芝公司的高壓變電站分布式測(cè)控系統(tǒng)等。

從上述討論可以看出，方案2中提出的兩層網(wǎng)設(shè)計(jì)其網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性是有保證的。

6　結(jié)束語

本文給出了適合于不同規(guī)模和電壓等級(jí)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)方案，介紹了嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，并對(duì)兩種方案作了分析和比較，最后對(duì)所提方案的網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性作了分析。

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