劉曉峰 懷化電業局調度所 418000
[摘 要]介紹了幾種常用的變電站自動化系統站內通信模式，著重論述了各自的通信結構和特點，并通過對各種的通信模式在我局實際應用中的效果進行比較，在此基礎上提出比較合理的通訊系統實現模式，并對變電站綜合自動化系統廠家提出一些建設性的意見。
[關鍵詞] 變電站自動化系統(SAS) 站內通信 通信規約智能電子設備(IDEs)
1 引言
隨著電力工業的迅速發展，電力系統的規模不斷擴大，系統的運行方式越來越復雜，對自動化水平的要求越來越高，從而促進了變電站自動化技術的不斷發展。為避免重復投資，提高信息資源共享的水平，須對變電站自動化系統的信息采集、處理、傳輸加以規范，對站內通信配置予以綜合考慮。在可靠性的基礎上盡可能做到了軟硬資源的共享，提高了變電站的運行及管理水平，達到變電站減人增效，提高安全運行水平的目的。
站內通信系統在變電站自動化系統中占有非常重要的地位。變電站自動化系統的功能在邏輯上可分配在三個層次：變電站層(station level)，間隔層或單元層(bay level)，過程層(process level)。第一層為變電站層，它由間隔層得到實時數據，承擔著站內本站操作員與遠方監視和維護工程師站的人機接口、監視、管理、控制等變電站主控室功能，并負責與遠方調度中心通信。第二層為間隔層或單元層，負責對下層就地裝置和智能電子設備(IDEs)進行通信管理、控制等任務，同時也承擔著通信規約解釋、轉換工作。第三層是就地的模擬量、開關量和脈沖量數據采集、保護和控制操作出口，是數字量和模擬量I/O功能。三層之間靠站內通信系統聯系。
站內通信系統主要是指第一層與第二層之間，第二層與第三層之間進行數據交換的系統，它可通過傳統的RS-422/485總線(雖然RS-485總線通信速度不高，但有些110 kV及以下電壓等級和非樞紐變仍采用這一傳統的方式)、局站中速網絡(Lonworks及CAN技術)或高速標準以太技術通信在各層之間進行數據交換。站內通信系統的組成方案有很多種，它的主流結構是分層分布式。結合當前國內變電站的實際情況，著重從通信的角度進行論述。
2 我局應用中的幾種站內通信系統結構
2.1 高速以太網
這種結構有兩種不同的實現方式：
一、第一種結構為變電站層與間隔層共享以太網，取消了傳統的通信單元。主干網絡結構采用光纖自愈環型以太網，間隔層與過程層設備直接采用雙絞線以星型方式接入主干網，用TCP/IP網絡協議通訊。對于其他智能電子設備(IDEs)，具有以太網接口可直接接入主干網，否則通過網關實現規約轉換后接入系統。
光纖雙環自愈的原理就是將所有的設備分布在信號流向相反的兩個環上，平時只有主環在工作，次環處于備份狀態; 當環上某處光纖斷裂或某節點發生故障時，其相鄰節點的主環、備環自動環回，這時，環網仍然是一個閉環，通信鏈路保持暢通。故障點鏈路恢復后，備環回到備份狀態。這種自愈型環網極大地提高了光纖通信的可靠性。
二、第二種結構為變電站層與間隔層之間采用的是以太網結構，以TCP/IP網絡協議通訊，間隔層與過程層設備采用的是485總線結構，以POLLING方式的廠家的內部規約進行數據交換。
第一種結構一般用于220KV及以上樞紐變電站，光纖自愈環網在網絡中任一點故障時，可快速切換通道，保證網絡上設備的正常通信，其可靠性高于雙總線網絡，所有的環網接入設備可實時監視與之相連的網絡通信狀態以及直流電源供電情況，出現問題可通過輸出觸點及時反應，并能反應故障位置，極大地簡化網絡的維護。并具有良好的靈活性和擴展性。間隔層與過程層設備直接采用以太網以TCP/IP網絡協議通訊，實現數據的高速無瓶頸平衡式傳輸。
第二種結構用于110KV變電站，它的特點是根據各層之間需傳輸的數據量和開放性要求而采用不同的網絡結構和傳輸協議，變電站層與間隔層之間需要傳輸整個變電站間隔層設備及智能電子設備采集的數據，因此采用了傳輸速率較高的以太網結構。而在間隔層與過程層之間由于采用多個通信管理單元，傳輸的數據量不大，通訊速率要求不高，因而采用傳輸速率較低的485總線結構。
2.2 CAN總線
這種結構結構為變電站層與間隔層之間采用的是CAN總線結構，以CAN國際標準ISO11898網絡協議進行數據交換，間隔層與過程層之間采用的是485總線結構，以POLLING方式的廠家的內部規約進行數據交換。
CAN(Controller Area Network)--控制器局部網，屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡。CAN總線采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中合作。CAN具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機局部網絡。CAN總線結構通訊速率比以太網慢，最高只能達到1MB/s，但基本能滿足站內數據交換的要求。這種結構用于110KV變電站，它的其它特點與以太網第二種結構相同。
2.3 LonWorks網絡
這種結構也有兩種不同的實現方式：
第一種結構為間隔層與過程層之間采用LonWork網絡技術，以LonTalk協議進行數據交換，與站內智能電子設備(IDEs)的通訊經過規約轉換直接掛在LonWork網上實現數據共享，而變電站層與間隔層之間采用直接串口通訊。
第二種結構為變電站層與間隔層之間采用直接串口與調度主站通訊、采用MOXA卡或直接串口經過規約轉換與站內智能電子設備(IDEs)通訊，而間隔層與過程層之間采用LonWork網絡技術，以LonTalk協議進行數據交換。
LonWorks(Local Operating Networks)--局部操作網絡是美國Echelon公司于1991年提出的。LonWorks有完整的7層協議,具備了局域網的基本功能，它采用雙絞線通信速率為1.25Mbps/130m/每段64個節點。LonWorks的通訊介質訪問控制方式采用了帶預測的P-堅持CSMA（Predicive P-Persistent CSMA）[CSMA (Carrier Sense Multiple Access)]載波監聽多路訪問，這樣就避免了碰撞，減少了網絡碰撞率，提高了重載時的效率。并采用了緊急優先機制，以提高它的實時性與可靠性。 LonWorks是一種完整的、全開放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制網絡技術。
這兩種結構的特點是將間隔層與過程層之間的數據通訊視為重點，采用的是較成熟的LonWorks網絡技術，因此在實際應用中較為穩定。但這兩種結構簡化了變電站層與間隔層之間的通訊設備和網絡結構，不利于系統規模擴大和功能擴展。這兩種結構一般用于110KV變電站。
2.4 RS-422/485總線
這種結構的間隔層功能實際上是由一臺工控機完成的，工控機接收智能通訊卡的外設接口RS-422/485和串口RS-232智能電子設備(IDEs)采集的各種數據，進行處理后直接顯示為后臺監控，并通過串口上發調度主站。
RS-485是一種低成本、易操作的半雙工結構總線，通常應用于一對多點的主從應答式通信系統中，但RS-485總線在抗干擾、自適應、通信效率等方面仍存在缺陷，數據通信方式為命令響應式，數據傳輸效率降低，尤其是錯誤處理能力不強，同時當下端出現異常時，數據不能立即上傳，靈活性極差，不適于實時性要求較高的場合。
這種結構的特點是進一步的簡化了通訊系統，使得整個系統的數據交換功能都集中在做為數據處理和后臺監控的工控機及其智能通訊卡上，一旦工控機故障或死機就會造成系統癱瘓，這樣就對系統硬件的穩定性及軟件系統的可靠性要求很高。但這種通信結構成本低廉，所以這種結構一般用于數據處理量不大的35KV變電站。
3 各種站內通信系統結構比較
通過對上述幾種站內通信系統的結構分析，我們不難看出，幾種站內通信系統由于應用環境不同，設計思想的側重點也有所不同，在實際運行中各自的性能也各有千秋，具體列表如下：
| 性 能 |
高速以太網 |
以太網 |
LonWorks |
CAN |
RS-485/422 |
| 傳輸速率 |
很高 |
高 |
一般 |
一般 |
低 |
| 傳輸規約 |
TCP/IP |
TCP/IP |
LonTalk |
ISO11898 |
廠家自編 |
| 應用環境 |
220KV及以上變電站 |
110KV變電站 |
110KV 變電站 |
110KV 變電站
|
35KV變電站及110KV變電站低壓側 |
| 正常時數據傳輸 |
快> |
快 |
快 |
一般 |
一般 |
| 事故時數據傳輸
|
一般 |
一般 |
快 |
一般 |
一般 |
| 防干擾、防雷 |
好 |
好 |
好 |
一般 |
差 |
| 可靠性 |
好 |
好 |
好 |
一般 |
差 |
| 穩定性 |
好 |
好 |
好 |
一般 |
一般 |
| 開放性 |
好 |
好 |
一般 |
差 |
一般 |
| 獨立性 |
好 |
好 |
一般 |
一般 |
一般 |
| 擴展性 |
好 |
好 |
差 |
差 |
一般 |
表一、各種站內通信系統結構功能比較
隨著電網改造的深入進行，大量的變電站投入運行，近期的110KV及以上變電站站內通信系統間隔層與過程層之間都是采用LonWorks或CAN網絡結構，有的還直接采用LAN以太網絡，而RS-422/485總線已經不再使用；變電站層與間隔層之間都是采用以太網結構，以TCP/IP網絡協議通訊。采用LonWorks、 CAN或LAN以太網絡的站內通信系統完全能滿足變電站自動化系統的通信要求，從這里我們也可以看到站內通信系統的趨勢所在，這也正是筆者所樂見的。不論從硬件和軟件（通信規約）的兼容性還是從通用性和易用性的角度來看，筆者認為變電站自動化系統的站內通信全部采用以太網和高速以太網是其最佳模式。
另外，站在安裝調試和運行維護的角度來看，現在站內通信系統的主要瓶頸在于變電站層與各種智能電子設備(IDEs)如直流充電系統、小電流接地系統等系統之間的通信。現在這些IDEs一般都要通過RS-232/485口用規約轉換裝置與變電站層進行通信。雖然這類裝置臺 對通信的要求并不高，現有的通信模式也能滿足要求，但在現場安裝調試和運行維護的過程中往往要花費大量的人力物力對其提供的通信規約進行調試。如果各種智能電子設備(IDEs)都能采用以太網絡結構，以TCP/IP網絡協議與變電站層通訊，那么其通用性和易用性都能得到很大的提高。
4 結束語
本文從電力系統用戶的角度對目前應用在我局的變電站自動化系統的站內通信模式進行了大量的分析比較，提出了站內通信模式的最佳模式，并根據安裝調試和運行維護的要求，對接入變電站自動化系統的智能電子設備(IDEs)提出了一些改進設想，希望能拋磚引玉，得到各位專家和同仁的指正。
參考文獻
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