【文章內(nèi)容簡介】 用“一對一：實現(xiàn)時，一套裝置負責一條線路或一臺變壓器的測量，保護和控制。使用“一對N”方式實現(xiàn)時，一套裝置負責多條線路或變壓器的測量，保護和控制。它具有分布式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點而且又便于設計安裝及運行維護。為中低壓變電站廣為采用。 小節(jié) 本節(jié)介紹了變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并介紹了各種結(jié)構(gòu)形式的特點；變電站綜合自動化系統(tǒng)主要包括監(jiān)測，監(jiān)控，遠傳和保護四部分，介紹了各部分的主要功能。介紹了綜合自動化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及主要的配置，為下一章的通信協(xié)議做好了鋪墊。第3章 變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡 通信網(wǎng)絡的發(fā)展：目前，國內(nèi)變電站綜合自動化系統(tǒng)用的通信網(wǎng)絡主要是總線式網(wǎng)絡。該系統(tǒng)最初使用RS232總線，后來用到RS485總線。近年來隨著新型現(xiàn)場總線CANBUS和LONWORKS的推出，變電站綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信得到了新的發(fā)展，新型現(xiàn)場總線CANBUS是變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡性價比最好的一種。 RS232，RS422 和RS485總線：RS232串口通信標準是美國電子工業(yè)協(xié)會于1969年公布的，該標準定義了數(shù)據(jù)終端設備和數(shù)據(jù)通信設備之間按位串行傳輸?shù)慕涌谕ㄐ?。通常用于近距離傳輸，此時可將兩臺具有RS232接口的通信設備直接相連，如果要進行遠距離傳輸，可以再加調(diào)制器即可。 RS422為全雙工，可以同時接收和發(fā)送。采用RS422標準，可以削弱干擾的影響，獲得更長的傳輸距離和允許更大的信號衰減。采用RS422標準通信時位率可達到10Mbit/s。RS485為半雙工通信方式，在某一時刻，一個發(fā)送一個接受，當用于多站互連時，可節(jié)省信號線，便于高速遠距離的傳送。 LONWORKS總線LONWORKS是美國Echeton公司推出的一種新型現(xiàn)場總線。它的基本思想是將控制系統(tǒng)按局域網(wǎng)絡的方式構(gòu)造，用網(wǎng)絡節(jié)點代替局域網(wǎng)中的工作站，網(wǎng)絡節(jié)點安裝在監(jiān)控現(xiàn)場，直接于各種傳感器和控制器相連。LONWORKS總線的技術(shù)特性有以下9點：(1): 開放性。網(wǎng)絡協(xié)議開放，對任何用戶平等。(2)：通信介質(zhì)開放?？梢栽谌魏瓮ㄐ沤橘|(zhì)條件下通信，包括雙絞線，電力線，光纖，同軸電纜，射線電纜，紅外線等，并且多種介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡中混合使用。(3)：互操作性。Lonworks通信協(xié)議符合OSI模型，任何制造商的產(chǎn)品都可以實現(xiàn)互操作。(4)：Lonworks通信采用了“網(wǎng)絡變量”，使網(wǎng)絡通信的設計簡化成為參數(shù)設置增加了通信技術(shù)的可靠性。(5)：它的通信每楨有效字節(jié)可以達到0到228個字節(jié)。(6)：，此時的有效距離為130m(7)：Lonworks技術(shù)的一個測控網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)可達32000個。(8)：Lonworks直接通信距離長達2700m(9)：Lonworks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片。該芯片內(nèi)部裝有3個微處理器；MAC處理器完成介質(zhì)訪問控制。網(wǎng)絡處理器完成OSI的36層網(wǎng)絡協(xié)議。應用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應用。它們之間通過公共存儲器傳遞數(shù)據(jù)。 CANBUS現(xiàn)場總線 CANBUS德國BOSCH公司設計的，它是一種基于優(yōu)先級的高速。抗干擾能力強并具有檢錯功能的現(xiàn)場總線，可采用多種媒體通信，比如光纜和雙絞線。CANBUS通信設備本身又具有較低的造價，從而它的應用范圍很廣，特別是在電氣自動化領(lǐng)域。CANBUS的主要技術(shù)特性如下：(1)：CANBUS可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個接點均可以在任何時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。(2)：CANBUS網(wǎng)絡上節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級，并可滿足不同的實時要求。(3)：CANBUS采用非破壞性總線裁決技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級別低的自動的主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的網(wǎng)絡節(jié)點不受任何影響繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，大大的節(jié)省了總線沖突裁決時間。(4)：CANBUS可以點對點，一點對多點全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。(5)：CANBUS直接通信距離最遠可達10km，CANBUS的通信速率最高可達1Mbit/s.(6)：CANBUS上的節(jié)點數(shù)實際上可達110個，理論上可達2000多個。(7)：CANBUS采用短砧結(jié)構(gòu)，每一砧的有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送時間短，尤其適合在強電磁場環(huán)境下工作。(8)： CANBUS每砧信息都有CRC校驗及其它檢驗措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。(9)：CANBUS節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它和總線的聯(lián)系，以使總線的其操作不受影響。(10): NZR編碼/解碼方式，并采用位填充技術(shù)。 各種總線技術(shù)的優(yōu)缺點RS232總線通信速度快，距離短。RS422和RS485雖然在傳輸速度和距離上有所提高，但存在以下缺點：網(wǎng)絡上只能有一個主節(jié)點，無法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性差，數(shù)據(jù)通信方式為命令響應方式，從節(jié)點只有在接到主節(jié)點命令后才能響應，重要信息得不到及時傳送，致使靈活性和實時性差，糾錯能力差。LONWORKS總線性能較強，但系統(tǒng)復雜，造價較高。因而實用性較差。CANBUS總線是基于優(yōu)先級的多主從節(jié)點結(jié)構(gòu)，具有較強的糾錯能力，克服了RS422，和RS485總線的缺點，而與LONWORKS總線相比，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，實用性強等優(yōu)點，因此CANBUS是變電站綜合自動化系統(tǒng)的一種性價比最優(yōu)的選擇。 現(xiàn)場總線在變電站綜合自動化內(nèi)部網(wǎng)的應用變電站綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)主要可以分為三種：LONWORKS現(xiàn)場總線網(wǎng)方案，嵌入式以太網(wǎng)方案，基于CANBUS總線的通信系統(tǒng)方案。 LONWORKS現(xiàn)場總線網(wǎng)方案：如圖所示，變電站內(nèi)部有兩個LONWORKS網(wǎng)絡，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。每個保護裝置都帶有LONWORKS網(wǎng)絡接口，后臺機，工程師站，遠動機等pc機上均有PCLTA卡，于是保護裝置和PC機就可以連接到LONWORKS網(wǎng)絡上。這種方案適用于中低壓變電站自動化系統(tǒng)，當用于220KV及以上的大型高壓變電站時，由于網(wǎng)絡節(jié)點增多，網(wǎng)絡流量增大，網(wǎng)絡帶寬就顯得不夠了，特別是當多個保護共同動作時，網(wǎng)上沖突加劇，重發(fā)次數(shù)增多，通信效率降低，因此這種方案只使用于中小變電站自動化系統(tǒng)。 嵌入式以太網(wǎng)方案：如圖2所示，站內(nèi)有3個相互獨立的光纖以太網(wǎng)，網(wǎng)絡1，2為監(jiān)控網(wǎng)，網(wǎng)絡3為錄波網(wǎng)。將站內(nèi)通信網(wǎng)絡分為兩層。間隔以上和間隔內(nèi)部。 間隔以上用10MB/S的嵌入式以太網(wǎng)構(gòu)成站內(nèi)通信的主干網(wǎng)絡，負責后臺機，遠動機等PC機和各間隔進行通信。在間隔內(nèi)部使用LONWORKS總線，網(wǎng)上的信息通過間隔層的測控單元上傳到主干網(wǎng)上。最低層的各種設備保護可不做任何改動，保持了向下的兼容性。這種方案實際上是將嵌入式以太網(wǎng)和LONWORKS現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮了各自的優(yōu)勢。測控單元是整個方案的核心和關(guān)鍵。圖3中詳細的介紹了測控單元的工作原理。其中Neuron芯片作為CPU的通信處理器完成了LONWORKS網(wǎng)絡的通信任務，利用它可和保護裝置通信。CPU采用32b單片機，CPU部分采用了嵌入式軟件設計，利用實時多任務操作系統(tǒng)及TCP/IP模塊，完成以太網(wǎng)的通信和測控任務 LONWORKS現(xiàn)場總線網(wǎng)方案和嵌入式以太網(wǎng)方案的比較和分析：(1) ：方案1中只有LONWORKS一層網(wǎng)絡，站內(nèi)的幾十個保護裝置均連接在其上。因此網(wǎng)上節(jié)點多，流量大，而帶寬卻只有78kb/s，在多臺保護同時動作等特殊情況下，網(wǎng)絡負載突然加重，這時會出現(xiàn)較嚴重的網(wǎng)絡沖突現(xiàn)象，網(wǎng)絡通信效率下降。而方案2中有兩層網(wǎng)，主干網(wǎng)的帶寬已達10MB/s，雖然間隔內(nèi)的網(wǎng)絡仍為78kb/s帶寬，但其上所連接的節(jié)點數(shù)目卻大大的減少，只有幾臺。于是LONWORKS的網(wǎng)絡負載極低，即使在各臺保護同時動作的情況下，通信效率仍很高。而當信息傳到主干網(wǎng)時，由于主干網(wǎng)的帶寬很寬，所以站內(nèi)的流量對于其而言仍屬輕負載， 以太網(wǎng)在輕負載時效率極高，因此方案2能滿足變電站綜合自動化系統(tǒng)的要求，并且留有余地。(2)：故障錄波數(shù)據(jù)上傳輸速度大大加快。 LONWORKS網(wǎng)主要支持偵長為幾十B的短偵，當傳送錄波數(shù)據(jù)時，效率較低，耗費時間較多，以太網(wǎng)支持最長可達1500B的長偵，因此方案2的錄波數(shù)據(jù)傳輸速率大大的增強。(3)：與PC機接口。 PC機必須用PCLTA卡等專用卡與LONWORKS網(wǎng)絡接口，這些板卡由于是專用品所以價格較高，PC機臺數(shù)增多時，很不劃算。而PC機用廉價的以太網(wǎng)卡也可以聯(lián)到以太網(wǎng)上。所以方案2中更方便，更經(jīng)濟。(4)：易于廣域網(wǎng)相連。 由于以太網(wǎng)使用開放式的TCP/IP協(xié)議，所以可以較為方便的與廣域網(wǎng)相聯(lián)。 基于CANBUS總線的通信系統(tǒng)方案：圖1 所示為變電站綜合自動化基于CANBUS總線的分層結(jié)構(gòu)圖。 在整個變電站綜合自動化系統(tǒng)中，變電站內(nèi)部各單元之間以及變電站與遠方調(diào)度中心之間的通信都通過通信管理機來處理，所以通信管理機在整個變電站自動化中占有重要地位。具體的方式如下圖所示 變電站綜合自動化系統(tǒng)中通信管理機的主要任務是實現(xiàn)變電站內(nèi)部的變電站子層和單元子層之間的通信。以及本地的變電站系統(tǒng)和遠程調(diào)度中心的通信。：變電站內(nèi)部的通信基于CAN總線，包含兩層通信網(wǎng)絡：站級CAN網(wǎng)絡和現(xiàn)場級CAN網(wǎng)絡。其中站級CAN網(wǎng)絡用于實現(xiàn)上位機監(jiān)控主機和通信管理機之間的通信?，F(xiàn)場級CAN網(wǎng)絡用于實現(xiàn)通信管理機和監(jiān)控保護單元之間的信息傳送。變電站和遠程調(diào)度中心的信息傳輸基于公用電話網(wǎng)，通過終端的modem實現(xiàn)數(shù)字信號和公用電話網(wǎng)上的模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，通信管理機的外圍設備包括鍵盤輸入，液晶顯示，程序存儲器EPROM，實時時鐘RAM,以及備用的RS232串口 內(nèi)部通信網(wǎng)的傳輸實時性分析 方案一中的LONWORKS現(xiàn)場總線方式中由于帶寬有限，特別是當多個保護共同動作時，網(wǎng)上沖突加劇，重發(fā)次數(shù)增多，通信效率降低。所以這種方案的傳輸實時性不好。方案二中的嵌入式以太網(wǎng)方案要從間隔內(nèi)部的LONWORKS網(wǎng)絡和間隔外部的以太網(wǎng)兩方面來分析。首先分析間隔內(nèi)部LONWORKS網(wǎng)絡的實時性。LONWORKS網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡變量來實現(xiàn)節(jié)點之間的通信，不同的網(wǎng)絡變量可以設置成不同的優(yōu)先級，這樣開關(guān)變位等重要信息就可以用優(yōu)先級高的網(wǎng)絡優(yōu)先傳輸。LONWORKS以這樣的方式來保證網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性。根據(jù)應用經(jīng)驗，當站內(nèi)節(jié)點數(shù)不超過40時，LONWORKS總線的網(wǎng)絡實時性是很好的。在方案2中，內(nèi)部間隔的LONWORKS網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)一般不超過10個，所以在這種情況下內(nèi)部間隔的網(wǎng)絡傳輸實時性是有保證的。 以太網(wǎng)雖然沒有LONWORKS或CAN網(wǎng)絡的優(yōu)先級設置，但其帶寬高達10MB/S，因此可以承受的網(wǎng)絡負荷很大。實際應用中表明，當網(wǎng)絡負荷不超過帶寬的37%時，網(wǎng)絡上的沖突率很低，以太網(wǎng)的傳輸效率是有保障的。事實上10MB/S的以太網(wǎng)完全可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性保障。方案三中的CANBUS總線網(wǎng)絡也同樣設有優(yōu)先級傳輸，而且CANBUS網(wǎng)絡中的帶寬，負荷率，通信效率等也完全可以滿足變電站綜合自動化系統(tǒng)實時性要求。 國外相關(guān)產(chǎn)品的比較國外變電站綜合自動化系統(tǒng)主要是由西門子公司生產(chǎn)的LSA678，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為完全分散和集中與分散相結(jié)合式，后者由于價格和靈活性上的優(yōu)勢而在國內(nèi)應用較多。除了西門子公司外，還有ABB公司生產(chǎn)的SCS100和SCS200。德國AEG公司的ILS系統(tǒng)，美國通用電氣，美國西屋電氣，法國的阿爾斯通和瑞士的LANDIS公司都有該類產(chǎn)品。國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要有南京自動化研究所，北京自動化研究所，以及珠海的拓普公司，煙臺的東方電子，許昌繼電器廠等公司。它們相繼開發(fā)了一系列產(chǎn)品，并在全國各個省市的變電站中得到了應用。與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)產(chǎn)品雖然在技術(shù)性能上存在一定的差距，但是也有其本身的特點。首先站控級的軟件開發(fā)具有一定的水平，尤其是在漢化方面比國外公司更具優(yōu)勢，其次價格上也有一定的優(yōu)勢。再者國內(nèi)產(chǎn)品在工程組織，現(xiàn)場調(diào)試，售后服務等方面比國外產(chǎn)品更具有優(yōu)勢。 通信協(xié)議的作用要實現(xiàn)整個變電站綜合自動化并與上一級控制中心實現(xiàn)“四遙”，必須保證工作站，主機，工程師站，現(xiàn)場各CPU單元與控制設備間的實時，準確通信。而通信協(xié)議就是整個系統(tǒng)通信部分的核心。電力系統(tǒng)中所采集的信息需要很高的實時性，可靠性，所以認識認識通信協(xié)議對整個控制系統(tǒng)的影響就比較重要。在變電站控制系統(tǒng)中，CPU采集控制單元不僅要采集各類信號（開關(guān)位置，保護信號，有功，無功，電壓，電流，功率因數(shù)，電量等），還要對各單元的開關(guān)進行控制和完成邏輯判斷等功能，這占用了很多CPU負荷以及內(nèi)存空間等資源。同時采集來的信號要往主站送，承擔和主站通信的功能。如果單純采用擴大計算機內(nèi)存的數(shù)量的方式不僅是不經(jīng)濟的，也是有限的?，F(xiàn)在工業(yè)上用的采集器為了達到實時性，一般較少采用讀寫硬盤的方式，而多采用沒有硬盤的內(nèi)存。但這在變電站中也是不可行的，所以采用一個好的通信協(xié)議就能達到事辦功倍的效果。目前用于電力系統(tǒng)的通信協(xié)議品種繁多，有國際標準，有國家標準，也有行業(yè)標準甚至是企業(yè)標準。目前我們主要使用的有以下通信協(xié)議:IEC8705101通信協(xié)議（遠動通信標準），IEC8705102 通信協(xié)議（電量采集通信標準），IE87051103通信協(xié)議（保護傳輸通信標準）。IE8705104網(wǎng)絡通信協(xié)議（遠動網(wǎng)絡通信標準），,MODBUS通信協(xié)議，CDT循環(huán)通信協(xié)議，SC1801通信協(xié)議，M4F通信協(xié)議等。 光纖通信技術(shù) 光纖通信優(yōu)點光纖通信是以光波做為信息載體，以光導纖維作為傳輸介質(zhì)的先進通信手段。與其它通信技術(shù)相比，有以下優(yōu)點：(1) ： 傳輸頻帶很寬，通信容量大。(2) ： 傳輸衰耗少，適合長距離傳輸。(3) ： 體積小，重量輕，可繞性強，利用電纜溝道和電力線桿，鋪設方便。(4) ： 輸入和輸出間電隔離，不怕電磁干擾。(5) ： 保密性好。無漏信號和串音干擾。(6) ： 抗