田國政 （中國電力科學研究院，北京 100085）
摘 要：不同類型的變電站對自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，文章對變電站自動化系統(tǒng)工程實施過程中的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)及傳輸規(guī)約的選擇進行了分析，并對變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向進行了初步探討。
關(guān)鍵詞：變電站自動化；通信網(wǎng)絡(luò)；傳輸規(guī)約
1 引言
變電站自動化系統(tǒng)實質(zhì)上是由多臺微機組成的分層分布式控制系統(tǒng)，包括微機監(jiān)控、微機保護、電能質(zhì)量自動控制等多個子系統(tǒng)。在各個子系統(tǒng)中，往往又由多個智能模塊組成。例如：在微機保護子系統(tǒng)中，有變壓器保護、電容器保護、各種線路保護等。因此在變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部，必須通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部和各子系統(tǒng)之間的信息交換和信息共享，以減少變電站二次設(shè)備的重復(fù)配置并簡化各子系統(tǒng)的互連，既減少了重復(fù)投資，又提高了系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。
2 變電站通信網(wǎng)絡(luò)的要求
由于數(shù)據(jù)通信在變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)的重要性，經(jīng)濟、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)境和自動化系統(tǒng)的要求，變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足下列要求： ① 快速的實時響應(yīng)能力； ② 很高的可靠性； ③ 優(yōu)良的電磁兼容性能； ④ 分層式結(jié)構(gòu)[1]。
1997年8月國際大電網(wǎng)會議上，WG34.03工作組提出了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸時間要求：設(shè)備層和間隔層之間、間隔內(nèi)各設(shè)備之間、間隔層各間隔單元之間為1~100ms，間隔層和變電站層之間為10~1000ms，變電站層各設(shè)備之間、變電站和控制中心之間為1000ms。各層之間的數(shù)據(jù)流峰值為：設(shè)備層和間隔層之間數(shù)據(jù)流大概250kb/s，取決于模擬量的采樣速度，間隔層各單元之間數(shù)據(jù)流大概60kb/s或130kb/s，取決于是否采用分布母線保護；間隔層和變電站層之間及其他鏈路之間數(shù)據(jù)流大概在100kb/s及以下。
3 內(nèi)部數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的選擇
數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是構(gòu)成變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的標準化是使變電站自動化邁向標準化的難點之一，受性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，目前在選擇什么“接口網(wǎng)絡(luò)”上很難達成一致。
網(wǎng)絡(luò)特性主要由拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸媒體、媒體存取方式來決定。網(wǎng)絡(luò)的選擇應(yīng)符合國際國內(nèi)的有關(guān)標準；應(yīng)選擇當前的主流產(chǎn)品，應(yīng)得到實力雄厚的軟硬件商的支持；產(chǎn)品應(yīng)滿足變電站運行要求；具有較高的性能價格比[2]。
（1）35kV變電站通信網(wǎng)絡(luò)
在小規(guī)模的35kV變電站和110kV終端變電站，可考慮使用RS422和RS485組成的網(wǎng)絡(luò)；當變電站規(guī)模較大時應(yīng)考慮選擇現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。RS422和RS485串口傳輸速率指標是不錯的，在1000m內(nèi)傳輸速率可達100kb/s，短距離速率可達10Mb/s，RS422串口為全雙工，RS485串口為半雙工，媒介訪問方式為主從問答式，屬總線結(jié)構(gòu)。這兩個網(wǎng)絡(luò)的不足在于接點數(shù)目比較少，無法實現(xiàn)多主冗余，有瓶頸問題，RS422的工作方式為點對點，上位機一個通信口最多只能接10個節(jié)點，RS485串口構(gòu)成一主多從，只能接32個節(jié)點，此外有信號反射、中間節(jié)點問題。LonWorks網(wǎng)上的所有節(jié)點是平等的，CAN網(wǎng)可以方便的構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)，不存在瓶頸問題，兩個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)比RS485擴大多倍，CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)理論上不受限制，一般可連接110個節(jié)點。
（2）110kV變電站通信網(wǎng)絡(luò)
中型樞紐110kV變電站節(jié)點數(shù)一般為40個左右，多主冗余要求和節(jié)點數(shù)量增加使RS422和RS485難以勝任。現(xiàn)場總線卻能得心應(yīng)手，總線網(wǎng)將網(wǎng)上所有節(jié)點連接在一起，可以方便的增減節(jié)點；具有點對點、一點對多點和全網(wǎng)廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；常用的有LonWorks網(wǎng)、CAN網(wǎng)。兩個網(wǎng)絡(luò)均為中速網(wǎng)絡(luò)，500m時LonWorks網(wǎng)傳輸速率可達1Mb/s，CAN網(wǎng)在小于40m時達1Mb/s，CAN網(wǎng)在節(jié)點出錯時可自動切除與總線的聯(lián)系，LonWorks網(wǎng)在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點異常時可使該節(jié)點自動脫網(wǎng)，媒介訪問方式CAN網(wǎng)為問答式，LonWorks網(wǎng)為載波監(jiān)聽多路訪問/沖撞檢測（CSMA/CD）方式，內(nèi)部通信遵循Lon Talk協(xié)議。
CAN網(wǎng)開銷小，一幀8位字節(jié)的傳輸格式使其服務(wù)受到一些限制，LonWorks網(wǎng)為無源網(wǎng)絡(luò)，脈沖變壓器隔離，具有強抗電磁干擾能力，重要信息有優(yōu)先級。據(jù)近年國內(nèi)數(shù)百個站的經(jīng)驗，LonWorks網(wǎng)可作為目前一般中型110kV樞紐變電站自動化通信網(wǎng)絡(luò)。
CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達1Mb/s。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。8字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了數(shù)據(jù)通信的實時性。
（3）220kV及以上變電站通信網(wǎng)絡(luò)
220~500kV變電站節(jié)點數(shù)目多，站內(nèi)分布成百上千個CPU，數(shù)據(jù)信息流大，對速率指標要求高（要求速率130kb/s），LonWorks網(wǎng)絡(luò)的實時性、寬帶和時間同步指標會力不從心。應(yīng)考慮Ethernet網(wǎng)或Profibus網(wǎng)。Ethernet網(wǎng)為總線式拓撲結(jié)構(gòu)，采用CSMA/CD介質(zhì)訪問方式，傳輸速率高達10Mb/s，可容納1024個節(jié)點，距離可達2.5km。物理層和鏈路層遵循IEEE802.3協(xié)議，應(yīng)用層采用TCP/IP協(xié)議。
4 變電站自動化系統(tǒng)傳輸規(guī)約的現(xiàn)狀
和變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)標準化的要求相比，數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約統(tǒng)一標準化的要求更為迫切。無論是站內(nèi)不同廠家設(shè)備之間還是在和遠方調(diào)度的連接中，由規(guī)約轉(zhuǎn)換問題引起的軟件編程成為實際工程調(diào)試量最大的項目，既耗費人力物力，運行維護也不方便，是目前自動化技術(shù)發(fā)展的一大問題[2]。
（1）變電站和調(diào)度中心之間的傳輸規(guī)約
目前各個地方情況不一，現(xiàn)場大多采用各種形式的規(guī)約如CDT、SC-1801、u4F、DNP3.0等一些規(guī)約，1995年IEC為了在兼容的設(shè)備之間達到互換的目的，頒布了IEC60870-5-101傳輸規(guī)約，為了使我國盡快采用遠動傳輸?shù)膰H標準，1997年原電力部頒布了國際101規(guī)約的國內(nèi)版本DL/T634-1997，并在1998年的桂林會議上進行了宣貫。該規(guī)約為調(diào)度端和站端之間的信息傳輸制定了標準，今后變電站自動化設(shè)備的遠方調(diào)度傳輸協(xié)議上應(yīng)采用101規(guī)約。
（2）站內(nèi)局域網(wǎng)的通信規(guī)約
目前各生產(chǎn)廠家基本上各作各的密碼，造成不同廠家設(shè)備通信連接的困難和以后維護的隱患。IEC在1997年頒布了IEC60870-5-103規(guī)約，國家經(jīng)貿(mào)委在1999年頒布了103規(guī)約的國內(nèi)版本DL/T667-1999，并在2000年的南昌會議上進行了宣貫，103規(guī)約為繼電保護和間隔層（IED）設(shè)備與變電站層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信傳輸規(guī)定了標準，今后變電站自動化站內(nèi)協(xié)議要求采用103規(guī)約。
（3）電力系統(tǒng)電能計量傳輸規(guī)約
對于電能計量采集傳輸系統(tǒng)，IEC在1996年頒布的IEC60870-5-102標準，即我國電力行業(yè)標準DL/T719-2000，是我們在實施變電站電能計量系統(tǒng)時需要遵守的。
上述的三個標準即101、102、103協(xié)議，運用于三層參考模型（EPA）即物理層、鏈路層、應(yīng)用層結(jié)構(gòu)之上，是相當一段時間里指導(dǎo)變電站自動化技術(shù)發(fā)展的三個重要標準。這些國際標準按照非平衡式和平衡式傳輸遠動信息的需要制定，完全能滿足電力系統(tǒng)中各種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為滿足網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸遠動信息，IEC TC57在IEC60870-5-101基本遠動任務(wù)配套標準的基礎(chǔ)上制定了IEC60870-5-104傳輸規(guī)約，采用IEC60870-5-101的平衡傳輸模式，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸遠動信息，它適用于PAD（分組裝和拆卸）的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
目前分層分布面向?qū)ο蟮乃枷胍褳槿藗兯邮埽冸娬?a class="channel_keylink" href="/search.asp">自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為2層，即通過通信網(wǎng)絡(luò)連接的間隔層和變電站層，變電站到調(diào)度端通信逐步淘汰MODEM方式，采用TCP/IP模式上網(wǎng)。
5 變電站自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向
隨著技術(shù)的發(fā)展，再過幾年，光電CT、PT逐步取代電磁CT、PT，過程層開始出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分成3層，即變電站層、間隔層和過程層。變電站自動化和國際標準接軌，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨合理。過程層完成I/O、模擬量采集和控制命令的發(fā)送等，并完成與一次設(shè)備有關(guān)的功能，間隔層是利用本間隔數(shù)據(jù)對本間隔的一次設(shè)備產(chǎn)生作用，越來越多的間隔層功能下放到過程層；替代模擬傳統(tǒng)保護原理的自適應(yīng)保護將出現(xiàn)；變電站功能將擴展到設(shè)備在線監(jiān)測、電能計費系統(tǒng)、部分配電自動化、無功自動補償和遙視等，符合IEC61850標準的變電站自動化體系結(jié)構(gòu)將逐步建立。
IEC61850將變電站通信體系分為3層：變電站層（第2層）、間隔層（第1層）、過程層（第0層），如圖1所示。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)。IEC61850標準中沒有繼電保護管理機，變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備（IED）、測控單元和繼電保護均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)進行信息交換[3]。
關(guān)于遠動信息的網(wǎng)絡(luò)訪問已經(jīng)有比較容易實現(xiàn)的IEC60870-5-104，它是目前唯一可供選擇的網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議。IEC TC57即將制定無縫遠動通信體系結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)用開放和網(wǎng)絡(luò)開放統(tǒng)一的傳輸協(xié)議IEC61850。該協(xié)議將是變電站（RTU或者變電站自動化系統(tǒng)）到控制中心的唯一通信協(xié)議，也是變電站自動化系統(tǒng)甚至過程到控制中心的唯一的通信協(xié)議。
6 結(jié)論
不同類型的變電站對自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，在35kV的變電站可以采用RS-485或現(xiàn)場總線作為站內(nèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；在110kV變電站可以采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)間隔層設(shè)備數(shù)據(jù)通信，當站控層設(shè)備較多時，變電站層可采用以太網(wǎng)連接；在220~500kV的超高壓變電站，由于站內(nèi)節(jié)點數(shù)目多，應(yīng)考慮使用以太網(wǎng)或profibus網(wǎng)。目前變電站自動化系統(tǒng)中使用的傳輸規(guī)約種類較多，各個公司的產(chǎn)品使用的標準尚不統(tǒng)一，系統(tǒng)互聯(lián)和互操作性差，在變電站和控制中心之間應(yīng)使用101規(guī)約，在變電站內(nèi)部應(yīng)使用103規(guī)約，電能量計量計費系統(tǒng)應(yīng)使用102規(guī)約。新的國際標準IEC61850頒布實施之后，變電站自動化系統(tǒng)從過程層到控制中心將使用統(tǒng)一的通信協(xié)議。
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