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我国几种常用的变电站自动化系统站内通信模式研究

发布于：2015-08-24 13:31:24 来自：电气工程/输变电工程 [复制转发]

　　[摘要]：介绍了几种常用的变电站自动化系统站内通信模式，着重论述了各自的通信结构和特点，并通过对各种的通信模式在我局实际应用中的效果进行比较，在此基础上提出比较合理的通讯系统实现模式，并对变电站综合自动化系统厂家提出一些建设性的意见。

　　1引言

　　随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模不断扩大，系统的运行方式越来越复杂，对自动化水平的要求越来越高，从而促进了变电站自动化技术的不断发展。为避免重复投资，提高信息资源共享的水平，须对变电站自动化系统的信息采集、处理、传输加以规范，对站内通信配置予以综合考虑。在可靠性的基础上尽可能做到了软硬资源的共享，提高了变电站的运行及管理水平，达到变电站减人增效，提高安全运行水平的目的。

　　站内通信系统在变电站自动化系统中占有非常重要的地位。变电站自动化系统的功能在逻辑上可分配在三个层次：变电站层(stationlevel)，间隔层或单元层(baylevel)，过程层(processlevel)。第一层为变电站层，它由间隔层得到实时数据，承担着站内本站操作员与远方监视和维护工程师站的人机接口、监视、管理、控制等变电站主控室功能，并负责与远方调度中心通信。第二层为间隔层或单元层，负责对下层就地装置和智能电子设备(IDEs)进行通信管理、控制等任务，同时也承担着通信规约解释、转换工作。第三层是就地的模拟量、开关量和脉冲量数据采集、保护和控制操作出口，是数字量和模拟量I/O功能。三层之间靠站内通信系统联系。

　　站内通信系统主要是指第一层与第二层之间，第二层与第三层之间进行数据交换的系统，它可通过传统的RS-422/485总线(虽然RS-485总线通信速度不高，但有些110kV及以下电压等级和非枢纽变仍采用这一传统的方式)、局站中速网络(Lonworks及CAN技术)或高速标准以太技术通信在各层之间进行数据交换。站内通信系统的组成方案有很多种，它的主流结构是分层分布式。结合当前国内变电站的实际情况，着重从通信的角度进行论述。

　　2我局应用中的几种站内通信系统结构

　　2.1高速以太网

　　这种结构有两种不同的实现方式：

　　一、第一种结构为变电站层与间隔层共享以太网，取消了传统的通信单元。主干网络结构采用光纤自愈环型以太网，间隔层与过程层设备直接采用双绞线以星型方式接入主干网，用TCP/IP网络协议通讯。对于其他智能电子设备(IDEs)，具有以太网接口可直接接入主干网，否则通过网关实现规约转换后接入系统。

　　光纤双环自愈的原理就是将所有的设备分布在信号流向相反的两个环上，平时只有主环在工作，次环处于备份状态;当环上某处光纤断裂或某节点发生故障时，其相邻节点的主环、备环自动环回，这时，环网仍然是一个闭环，通信链路保持畅通。故障点链路恢复后，备环回到备份状态。这种自愈型环网极大地提高了光纤通信的可靠性。

　　二、第二种结构为变电站层与间隔层之间采用的是以太网结构，以TCP/IP网络协议通讯，间隔层与过程层设备采用的是485总线结构，以POLLING方式的厂家的内部规约进行数据交换。

第一种结构一般用于220KV及以上枢纽变电站，光纤自愈环网在网络中任一点故障时，可快速切换通道，保证网络上设备的正常通信，其可靠性高于双总线网络，所有的环网接入设备可实时监视与之相连的网络通信状态以及直流电源供电情况，出现问题可通过输出触点及时反应，并能反应故障位置，极大地简化网络的维护。并具有良好的灵活性和扩展性。间隔层与过程层设备直接采用以太网以TCP/IP网络协议通讯，实现数据的高速无瓶颈平衡式传输。

　　第二种结构用于110KV变电站，它的特点是根据各层之间需传输的数据量和开放性要求而采用不同的网络结构和传输协议，变电站层与间隔层之间需要传输整个变电站间隔层设备及智能电子设备采集的数据，因此采用了传输速率较高的以太网结构。而在间隔层与过程层之间由于采用多个通信管理单元，传输的数据量不大，通讯速率要求不高，因而采用传输速率较低的485总线结构。

　　2.2CAN总线

　　这种结构结构为变电站层与间隔层之间采用的是CAN总线结构，以CAN国际标准ISO11898网络协议进行数据交换，间隔层与过程层之间采用的是485总线结构，以POLLING方式的厂家的内部规约进行数据交换。

　　CAN(ControllerAreaNetwork)--控制器局部网，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN总线采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中合作。CAN具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络。CAN总线结构通讯速率比以太网慢，最高只能达到1MB/s，但基本能满足站内数据交换的要求。这种结构用于110KV变电站，它的其它特点与以太网第二种结构相同。

　　2.3LonWorks网络

　　这种结构也有两种不同的实现方式：

　　第一种结构为间隔层与过程层之间采用LonWork网络技术，以LonTalk协议进行数据交换，与站内智能电子设备(IDEs)的通讯经过规约转换直接挂在LonWork网上实现数据共享，而变电站层与间隔层之间采用直接串口通讯。

　　第二种结构为变电站层与间隔层之间采用直接串口与调度主站通讯、采用MOXA卡或直接串口经过规约转换与站内智能电子设备(IDEs)通讯，而间隔层与过程层之间采用LonWork网络技术，以LonTalk协议进行数据交换。

　　LonWorks(LocalOperatingNetworks)--局部操作网络是美国Echelon公司于1991年提出的。LonWorks有完整的7层协议,具备了局域网的基本功能，它采用双绞线通信速率为1.25Mbps/130m/每段64个节点。LonWorks的通讯介质访问控制方式采用了带预测的P-坚持CSMA（PrediciveP-PersistentCSMA）[CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)]载波监听多路访问，这样就避免了碰撞，减少了网络碰撞率，提高了重载时的效率。并采用了紧急优先机制，以提高它的实时性与可靠性。LonWorks是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟的和低成本的分布式控制网络技术。

　　这两种结构的特点是将间隔层与过程层之间的数据通讯视为重点，采用的是较成熟的LonWorks网络技术，因此在实际应用中较为稳定。但这两种结构简化了变电站层与间隔层之间的通讯设备和网络结构，不利于系统规模扩大和功能扩展。这两种结构一般用于110KV变电站。

　　2.4RS-422/485总线

　　这种结构的间隔层功能实际上是由一台工控机完成的，工控机接收智能通讯卡的外设接口RS-422/485和串口RS-232智能电子设备(IDEs)采集的各种数据，进行处理后直接显示为后台监控，并通过串口上发调度主站。

　　RS-485是一种低成本、易操作的半双工结构总线，通常应用于一对多点的主从应答式通信系统中，但RS-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷，数据通信方式为命令响应式，数据传输效率降低，尤其是错误处理能力不强，同时当下端出现异常时，数据不能立即上传，灵活性极差，不适于实时性要求较高的场合。

　　这种结构的特点是进一步的简化了通讯系统，使得整个系统的数据交换功能都集中在做为数据处理和后台监控的工控机及其智能通讯卡上，一旦工控机故障或死机就会造成系统瘫痪，这样就对系统硬件的稳定性及软件系统的可靠性要求很高。但这种通信结构成本低廉，所以这种结构一般用于数据处理量不大的35KV变电站。

3各种站内通信系统结构比较

　　通过对上述几种站内通信系统的结构分析，我们不难看出，几种站内通信系统由于应用环境不同，设计思想的侧重点也有所不同，在实际运行中各自的性能也各有千秋，具体列表如下：

　　表一、各种站内通信系统结构功能比较

　　随着电网改造的深入进行，大量的变电站投入运行，近期的110KV及以上变电站站内通信系统间隔层与过程层之间都是采用LonWorks或CAN网络结构，有的还直接采用LAN以太网络，而RS-422/485总线已经不再使用；变电站层与间隔层之间都是采用以太网结构，以TCP/IP网络协议通讯。采用LonWorks、CAN或LAN以太网络的站内通信系统完全能满足变电站自动化系统的通信要求，从这里我们也可以看到站内通信系统的趋势所在，这也正是笔者所乐见的。不论从硬件和软件（通信规约）的兼容性还是从通用性和易用性的角度来看，笔者认为变电站自动化系统的站内通信全部采用以太网和高速以太网是其最佳模式。

　　另外，站在安装调试和运行维护的角度来看，现在站内通信系统的主要瓶颈在于变电站层与各种智能电子设备(IDEs)如直流充电系统、小电流接地系统等系统之间的通信。现在这些IDEs一般都要通过RS-232/485口用规约转换装置与变电站层进行通信。虽然这类装置台对通信的要求并不高，现有的通信模式也能满足要求，但在现场安装调试和运行维护的过程中往往要花费大量的人力物力对其提供的通信规约进行调试。如果各种智能电子设备(IDEs)都能采用以太网络结构，以TCP/IP网络协议与变电站层通讯，那么其通用性和易用性都能得到很大的提高。

　　4结束语

　　本文从电力系统用户的角度对目前应用在我局的变电站自动化系统的站内通信模式进行了大量的分析比较，提出了站内通信模式的最佳模式，并根据安装调试和运行维护的要求，对接入变电站自动化系统的智能电子设备(IDEs)提出了一些改进设想，希望能抛砖引玉，得到各位专家和同仁的指正。

站内通信变电站