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的通信網絡有不同的要求，文章對變電站自動化系統工程實施過程中的數據通信網絡及傳輸規約的選擇進行了分析，并對變電站自動化系統的發展方向進行了初步探討。
關鍵詞：變電站自動化；通信網絡；傳輸規約
1 引言
變電站自動化系統實質上是由多臺微機組成的分層分布式控制系統，包括微機監控、微機保護、電能質量自動控制等多個子系統。在各個子系統中，往往又由多個智能模塊組成。例如：在微機保護子系統中，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內部，必須通過內部數據通信，實現各子系統內部和各子系統之間的信息交換和信息共享，以減少變電站二次設備的重復配置并簡化各子系統的互連，既減少了重復投資，又提高了系統整體的安全性和可靠性。
2 變電站通信網絡的要求
由于數據通信在變電站自動化系統內的重要性，經濟、可靠的數據通信成為系統的技術核心，而由于變電站的特殊環境和自動化系統的要求，變電站自動化系統內的數據網絡應滿足下列要求： ① 快速的實時響應能力； ② 很高的可靠性； ③ 優良的電磁兼容性能； ④ 分層式結構[1]。
1997年8月國際大電網會議上，WG34.03工作組提出了變電站內通信網絡傳輸時間要求：設備層和間隔層之間、間隔內各設備之間、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，變電站層各設備之間、變電站和控制中心之間為1000ms。各層之間的數據流峰值為：設備層和間隔層之間數據流大概250kb/s，取決于模擬量的采樣速度，間隔層各單元之間數據流大概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據流大概在100kb/s及以下。
3 內部數據通信網的選擇
數據通信網是構成變電站自動化系統的關鍵環節，內部通信網絡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“接口網絡”上很難達成一致。
網絡特性主要由拓撲結構、傳輸媒體、媒體存取方式來決定。網絡的選擇應符合國際國內的有關標準；應選擇當前的主流產品，應得到實力雄厚的軟硬件商的支持；產品應滿足變電站運行要求；具有較高的性能價格比[2]。
（1）35kV變電站通信網絡
在小規模的35kV變電站和110kV終端變電站，可考慮使用RS422和RS485組成的網絡；當變電站規模較大時應考慮選擇現場總線網絡。RS422和RS485串口傳輸速率指標是不錯的，在1000m內傳輸速率可達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，屬總線結構。這兩個網絡的不足在于接點數目比較少，無法實現多主冗余，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個節點，RS485串口構成一主多從，只能接32個節點，此外有信號反射、中間節點問題。LonWorks網上的所有節點是平等的，CAN網可以方便的構成多主結構，不存在瓶頸問題，兩個網絡的節點數比RS485擴大多倍，CAN網絡的節點數理論上不受限制，一般可連接110個節點。
（2）110kV變電站通信網絡
中型樞紐110kV變電站節點數一般為40個左右，多主冗余要求和節點數量增加使RS422和RS485難以勝任。現場總線卻能得心應手，總線網將網上所有節點連接在一起，可以方便的增減節點；具有點對點、一點對多點和全網廣播傳送數據的功能；常用的有LonWorks網、CAN網。兩個網絡均為中速網絡，500m時LonWorks網傳輸速率可達1Mb/s，CAN網在小于40m時達1Mb/s，CAN網在節點出錯時可自動切除與總線的聯系，LonWorks網在監測網絡節點異常時可使該節點自動脫網，媒介訪問方式CAN網為問答式，LonWorks網為載波監聽多路訪問/沖撞檢測（CSMA/CD）方式，內部通信遵循Lon Talk協議。
CAN網開銷小，一幀8位字節的傳輸格式使其服務受到一些限制，LonWorks網為無源網絡，脈沖變壓器隔離，具有強抗電磁干擾能力，重要信息有優先級。據近年國內數百個站的經驗，LonWorks網可作為目前一般中型110kV樞紐變電站自動化通信網絡。
CAN總線是一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、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協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余校驗、優先級判別等項工作。CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，數據段長度最多為8個字節，可滿足工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。8字節不會占用總線時間過長，從而保證了數據通信的實時性。
（3）220kV及以上變電站通信網絡
220~500kV變電站節點數目多，站內分布成百上千個CPU，數據信息流大，對速率指標要求高（要求速率130kb/s），LonWorks網絡的實時性、寬帶和時間同步指標會力不從心。應考慮Ethernet網或Profibus網。Ethernet網為總線式拓撲結構，采用CSMA/CD介質訪問方式，傳輸速率高達10Mb/s，可容納1024個節點，距離可達2.5km。物理層和鏈路層遵循IEEE802.3協議，應用層采用TCP/IP協議。
4 變電站自動化系統傳輸規約的現狀
和變電站自動化系統的網絡標準化的要求相比，數據傳輸規約統一標準化的要求更為迫切。無論是站內不同廠家設備之間還是在和遠方調度的連接中，由規約轉換問題引起的軟件編程成為實際工程調試量最大的項目，既耗費人力物力，運行維護也不方便，是目前自動化技術發展的一大問題[2]。
（1）變電站和調度中心之間的傳輸規約
目前各個地方情況不一，現場大多采用各種形式的規約如CDT、SC-1801、u4F、DNP3.0等一些規約，1995年IEC為了在兼容的設備之間達到互換的目的，頒布了IEC60870-5-101傳輸規約，為了使我國盡快采用遠動傳輸的國際標準，1997年原電力部頒布了國際101規約的國內版本DL/T634-1997，并在1998年的桂林會議上進行了宣貫。該規約為調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備的遠方調度傳輸協議上應采用101規約。
（2）站內局域網的通信規約
目前各生產廠家基本上各作各的密碼，造成不同廠家設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規約，國家經貿委在1999年頒布了103規約的國內版本DL/T667-1999，并在2000年的南昌會議上進行了宣貫，103規約為繼電保護和間隔層（IED）設備與變電站層設備間的數據通信傳輸規定了標準，今后變電站自動化站內協議要求采用103規約。
（3）電力系統電能計量傳輸規約
對于電能計量采集傳輸系統，IEC在1996年頒布的IEC60870-5-102標準，即我國電力行業標準DL/T719-2000，是我們在實施變電站電能計量系統時需要遵守的。
上述的三個標準即101、102、103協議，運用于三層參考模型（EPA）即物理層、鏈路層、應用層結構之上，是相當一段時間里指導變電站自動化技術發展的三個重要標準。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中各種網絡拓撲結構，得到了廣泛的應用。
隨著網絡技術的迅猛發展，為滿足網絡技術在電力系統中的應用，通過網絡傳輸遠動信息，IEC TC57在IEC60870-5-101基本遠動任務配套標準的基礎上制定了IEC60870-5-104傳輸規約，采用IEC60870-5-101的平衡傳輸模式，通過TCP/IP協議實現網絡傳輸遠動信息，它適用于PAD（分組裝和拆卸）的數據網絡。
目前分層分布面向對象的思想已為人們所接受，變電站自動化系統的結構為2層，即通過通信網絡連接的間隔層和變電站層，變電站到調度端通信逐步淘汰MODEM方式，采用TCP/IP模式上網。
5 變電站自動化系統體系結構的發展方向
隨著技術的發展，再過幾年，光電CT、PT逐步取代電磁CT、PT，過程層開始出現，網絡結構分成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，系統結構更趨合理。過程層完成I/O、模擬量采集和控制命令的發送等，并完成與一次設備有關的功能，間隔層是利用本間隔數據對本間隔的一次設備產生作用，越來越多的間隔層功能下放到過程層；替代模擬傳統保護原理的自適應保護將出現；變電站功能將擴展到設備在線監測、電能計費系統、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構將逐步建立。
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絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范（MMS）、傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）以太網或光纖網。在間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸以太網。IEC61850標準中沒有繼電保護管理機，變電站內的智能電子設備（IED）、測控單元和繼電保護均采用統一的協議，通過網絡進行信息交換[3]。
關于遠動信息的網絡訪問已經有比較容易實現的IEC60870-5-104，它是目前唯一可供選擇的網絡訪問協議。IEC TC57即將制定無縫遠動通信體系結構，具有應用開放和網絡開放統一的傳輸協議IEC61850。該協議將是變電站（RTU或者變電站自動化系統）到控制中心的唯一通信協議，也是變電站自動化系統甚至過程到控制中心的唯一的通信協議。
6 結論
不同類型的變電站對自動化系統的通信網絡有不同的要求，在35kV的變電站可以采用RS-485或現場總線作為站內系統網絡；在110kV變電站可以采用現場總線網絡實現間隔層設備數據通信，當站控層設備較多時，變電站層可采用以太網連接；在220~500kV的超高壓變電站，由于站內節點數目多，應考慮使用以太網或profibus網。目前變電站自動化系統中使用的傳輸規約種類較多，各個公司的產品使用的標準尚不統一，系統互聯和互操作性差，在變電站和控制中心之間應使用101規約，在變電站內部應使用103規約，電能量計量計費系統應使用102規約。新的國際標準IEC61850頒布實施之后，變電站自動化系統從過程層到控制中心將使用統一的通信協議。
參考文獻
[1] 黃益莊．變電站綜合自動化技術[M]. 北京：中國電力出版社，2000．
[2] 石樹平，馬運榮．論變電站自動化技術發展現狀及要求[J]．繼電器，2000(10)．
[3] 譚文恕（Tan Wenshu）．變電站通信網絡和系統協議IEC61850介紹（An introduction to substation communication network and system-IEC 61850）[J]．電網技術（Power System Technology），2001，25(9)：8-11．
