摘要：基于以太網(wǎng)為代表的局域網(wǎng)技術和以TI／IP協(xié)議為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術是當今世界的兩大主流網(wǎng)絡技術，也必將成為變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡通信的必然發(fā)展趨勢。本文探討工業(yè)以太網(wǎng)在變電站綜合自動化系統(tǒng)的應用。
關鍵詞：變電站；現(xiàn)場總線；工業(yè)以太網(wǎng)；自動化系統(tǒng)引言變電站是輸配電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，是電網(wǎng)的主要監(jiān)控點。近年來，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展電壓等級和電網(wǎng)復雜程度大大的提高。為了提高供電質量，保證電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟運行變電站綜合自動化系統(tǒng)在全國雨后春筍般發(fā)展起來。
1 引言
　　變電站自動化系統(tǒng)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備的重復配置并簡化各子系統(tǒng)的互連，這樣既減少了重復投資，又提高了系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。
2 變電站綜合自動化系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡的要求
      經(jīng)濟、可靠的數(shù)據(jù)通信是變電站綜合自動化系統(tǒng)的技術核心，變電站的特殊環(huán)境使得變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡應滿足以下要求：
　?。?）快速的實時響應能力；（2）高可靠性；優(yōu)良的抗干擾能力；（4）分層式結構。
　　在電力工業(yè)標準中對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸都有嚴格的實時性指標，網(wǎng)絡必須保證數(shù)據(jù)通信的實時性。1997年8月國際大電網(wǎng)會議上，WG34.03工作組提出了對變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡傳輸時間的要求：
　　設備層和間隔層之間、間隔層內(nèi)各設備之間、間隔層各間隔單元之間為1～lOOms，間隔層和變電站層之間為10～1O00ms，變電站層各設備之間、變電站和控制中心之間為1O00ms。
　　變電站是一個具有強電磁干擾的環(huán)境，存在雷電、電源、跳閘等強電磁干擾和地電位差干擾，通信環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡必須采取相應的措施消除這些干擾的影響，提高通信的可靠性。
3 變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的選擇
      變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信功能，由系統(tǒng)與調度中心的通信及系統(tǒng)內(nèi)部設備間的通信兩部分組成。變電站綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡通信過程原理見圖1。

　　系統(tǒng)與調度中心的通信網(wǎng)絡無可爭議地選用以太網(wǎng)；系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡的選擇，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“接口網(wǎng)絡”上很難達成一致。但是系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡的選擇應遵循以下原則：
　　通訊網(wǎng)絡的可靠性是第一位的；通信網(wǎng)絡應滿足組網(wǎng)靈活，可擴展性好，維修調試方便的要求；應盡量采用國際標準的通信接口，并能兼容目前各種標準的通信接口，系統(tǒng)升級方便；
　　通信網(wǎng)絡應采用符合國際標準的通信協(xié)議和通信規(guī)約；應根據(jù)變電站的規(guī)模和在系統(tǒng)中所處的地位靈活選擇。
　　系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡目前通常采用現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)。
4 現(xiàn)場總線在變電站綜合自動化系統(tǒng)中的應用
      在小規(guī)模的35kV變電站和110kV終端變電站，以及老站改造中可考慮使用RS422和組成的網(wǎng)絡。RS422和RS485網(wǎng)絡的不足在于接點數(shù)目比較少，無法實現(xiàn)多主冗余，有瓶頸問題。
　　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l司越。
　　當變電站規(guī)模較大時，站內(nèi)節(jié)點數(shù)較多，一般在40個以上，多主冗余要求和節(jié)點數(shù)量增加使和RS485難以勝任，應考慮選擇現(xiàn)場總線網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線網(wǎng)將所有節(jié)點連接在一起，可以方便地增減節(jié)點，一般可連接110個節(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)和CAN網(wǎng)，兩個網(wǎng)絡均為中速網(wǎng)絡，500m時LDhw。rks網(wǎng)傳輸速率可達／s，CAN網(wǎng)在小于40m時達1Mb／s。
　　網(wǎng)是一種多主總線，采用串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。
　　網(wǎng)的媒介訪問方式為問答式，在節(jié)點出錯時可自動切除與總線的聯(lián)系。
　　網(wǎng)上的所有節(jié)點是平等的，媒介訪問方式為載波監(jiān)聽多路訪問／沖撞檢測（CSMA／方式，內(nèi)部通信遵循LDnTa1k協(xié)議，對重要信息有優(yōu)先級。LonWorks網(wǎng)在監(jiān)測網(wǎng)絡節(jié)點異常時可使該節(jié)點自動脫網(wǎng)；LDhw。rks網(wǎng)是無源網(wǎng)絡，通過脈沖變壓器隔離，具有很強抗電磁干擾能力。
　　目前，CAN網(wǎng)一般用于小規(guī)模的35kV變電站和110kV終端變電站，而LonWorks網(wǎng)可作為一般中型110kV樞紐變電站自動化通信網(wǎng)絡。
　　現(xiàn)場總線網(wǎng)絡與早期的異步串行網(wǎng)絡相比具有抗干擾性強、效率高等優(yōu)點，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的出現(xiàn)極大地推動了我國變電站自動化的發(fā)展，但也存在著自身無法克服的弊端。
　　由于帶寬有限，而且采用帶寬共享機制，有限的帶寬使大資料的數(shù)據(jù)傳輸延遲，總體性能隨節(jié)點數(shù)的增長迅速下降，不能滿足大型變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的要求；由于強調專用性而犧牲了通用性，長期缺乏統(tǒng)一的國際標準，許多網(wǎng)絡設備和軟件需專門設計，產(chǎn)品更新?lián)Q代困難，不能滿足變電站綜合自動化系統(tǒng)標準化的要求；總線型拓撲結構在網(wǎng)絡的任一點故障時均可能導致整個系統(tǒng)崩潰，且難以診斷故障點。
5 工業(yè)以太網(wǎng)在變電站綜合自動化系統(tǒng)的應用  
    工業(yè)以太網(wǎng)采用統(tǒng)一的TCP／IP協(xié)議，避免了不同協(xié)議間不能通訊的困擾，可以直接和局域網(wǎng)的計算機互連而不需額外的硬件設備，它方便數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)的共享；可以用IE瀏覽器訪問終端數(shù)據(jù)，而不要專門的軟件；可以和現(xiàn)有的基于局域網(wǎng)的ERP數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，并且特別適合遠程控制，配合電話交換網(wǎng)和GSM、無線電話網(wǎng)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集；采用統(tǒng)一的網(wǎng)線，減少了布線成本和難度，避免多種總線并存。
　　工業(yè)以太網(wǎng)采用交換式集線器和全雙工通信，可使網(wǎng)絡上的沖突域不復存在（全雙工通信），或碰撞機率大大降低（半雙工），因此通信確定性和實時性大大提高；工業(yè)以太網(wǎng)針對惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境來設計（如冗余直流電源輸入、高溫、低溫、防塵等），解決了在極端條件下網(wǎng)絡不能穩(wěn)定工作的問題，穩(wěn)定性與可靠性大大提高；工業(yè)以太網(wǎng)采用IM，CD介質訪問方式，物理層和鏈路層遵循IEEE802.3協(xié)議，應用層采用刪IP協(xié)議，傳輸速率可以達到10Mb／s，而快速以太網(wǎng)傳輸速率可以達到100Mb／s，可容納個節(jié)點，距離可達2.5km。工業(yè)以太網(wǎng)總線正因為有諸多的優(yōu)點，在國內(nèi)外逐步得到了迅速的普及。變電站自動化系統(tǒng)選用工業(yè)以太網(wǎng)代表了變電站自動化網(wǎng)絡技術發(fā)展的最新方向。
　　大型樞紐變電站，特別是220kV以上電壓等級變電站節(jié)點數(shù)目多，站內(nèi)分布成百上千個，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)絡的實時性、寬帶和時間同步指標已力不從心，而工業(yè)以太網(wǎng)卻能很好滿足上述要求。因此，工業(yè)以太網(wǎng)可以作為大型樞紐變電站內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。
　　工業(yè)以太網(wǎng)應用于變電站內(nèi)部的通信網(wǎng)絡一般有2種應用模式：
　　每個智能電子設備IEDs都配置一嵌入式以太網(wǎng)接I：1，將該設備作為一個以太網(wǎng)節(jié)點直接連到以太網(wǎng)上，如圖2所示。

　　幾個不具備以太網(wǎng)接口的IEDS通過／485或現(xiàn)場總線等方式連在一起，然后通過一具有嵌入式以太網(wǎng)接口的通信控制器，將其作為一個以太網(wǎng)節(jié)點連到以太網(wǎng)上，如圖3所示。
　　這兩種應用模式都必須設計嵌入式以太網(wǎng)接口，本質上沒有多大差別。但從變電站自動化系統(tǒng)的電壓等級、配置以及成本考慮，它們的適用范圍是有所不同的。從可靠性考慮，作為站內(nèi)數(shù)據(jù)流的樞紐，變電站內(nèi)通信系統(tǒng)最好是雙以太網(wǎng)冗余配置。這樣，即使一個網(wǎng)出現(xiàn)故障也不會影響整個變電站自動化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。然而，目前嵌入式以太網(wǎng)每個節(jié)點的成本還較高，對中低壓變電站自動化系統(tǒng)而言，若采用應用模式1，則設計成冗余的雙以太網(wǎng)結構成本過高；若采用應用模式2，可以減少網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)，降低成本。
　　目前，變電站中有很多IEDs（比如完成電度量計量和直流監(jiān)視等功能的IEDs）的對外通信接：1只有RS485或現(xiàn)場總線接口，沒有嵌入式以太網(wǎng)接口，因此就無法直接連接到以太網(wǎng)上。在這上，水利部建設與管理司印發(fā)了（2006年水利建設與管理工作要點>。在該工作要點中提到了“2006年水利建設與管理工作，要加強基礎工作和能力建設，基本完成……水利建設項目代建制、建設同體問題等基礎理論研究工作。”這表明，政府認同了以政府委托代建的模式是符合我國水利工程建設項目管理基本國情的。結合水利工程建設自身的特點及水利工程實施代建制基礎和條件的分析，盡管“代建制”尚處于初級階段，但有理由相信，隨著我國經(jīng)濟體制改革繼續(xù)深入、政治體制改革不斷取得成效，隨著工程信用體系和評價體系逐步建立和完善，工程項目管理和工程總承包將日益成為我國工程管理的主要模式。

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                                                                                           編輯：陳東