變電站綜合自動化分析論文

導語：變電站綜合自動化分析論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文在介紹WorldFIP現場總線的基礎上，介紹了WorldFIP現場總線在RCS-9700變電站綜合自動化系統中典型應用，并對一些技術細節進行了探討。關鍵詞變電站綜合自動化現場總線WorldFIP

關鍵詞：變電站綜合自動化現場總線WorldFIP

0引言

隨著計算機技術和通信技術的發展，變電站綜合自動化水平不斷提高。大量智能設備的應用，在實現變電站無人值守或少人值守的同時，也對變電站的通信系統提出了更高的要求，尋求一種高速、實時、可靠的通信方式，已成為變電站綜合自動化系統發展的核心問題之一。

現場總線是指在生產現場的測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信、完成測量控制任務的系統[1]，這種系統具有良好的開放性和設備間的互操作性，在變電站綜合自動化系統中具有廣泛的應用前景。目前IEC國際標準現場總線共有八種，本文介紹其中的WorldFIP現場總線技術及其在變電站綜合自動化系統中的應用。

1WorldFIP現場總線技術

1.1背景

WorldFIP現場總線是一種源于法國標準的現場總線，其本身是歐洲現場總線標準EN50178的組成部分之一，同時也是IEC標準現場總線之一（IEC61158），在能源、交通、運輸、自動化等工業領域中得到了廣泛的應用，我國的廣東嶺澳核電站、上海地鐵、軍糧城電廠等大型引進項目中使用了這種現場總線，歐洲核子研究中心耗資數十億美元的世界上能量最高的大型強子對撞機也選定WorldFIP作為工程標準總線之一。

1.2WorldFIP現場總線的特點

1.2.1通信速率高，通信距離長

WorldFIP現場總線采用曼徹斯特編碼方式,以工業屏蔽雙絞線或光纖作為傳輸介質，由于其中雙絞線方式具有31.25kbps、1Mbps及2.5Mbps三種標準速率，在三種標準速率下的最大通信距離分別為5km、1km和500m,通過網絡中繼器,總線可分別擴展到20km、5km和2km。

1.2.2通信效率高

現場總線的傳輸效率與傳輸報文的長度有很大關系，一般來說單幀報文長度越長，現場總線的傳輸效率越高。WorldFIP現場總線最長支持128字節變量報文或256字節消息報文，根據計算，其最大通信效率能達到88.99%,相比某些短報文的現場總線如CAN,其最大通信效率最多只能達到57.658%[2]。

1.2.3通信實時性強

WorldFIP現場總線對傳輸介質的調度使用方式類似于令牌網，各通信站的數據可以在預先確定的時間內在網絡上傳輸。由于這種方式不存在介質使用碰撞問題,因而非常適合于對于傳輸時間具有嚴格要求的場合，如各種分散式控制系統、分散式數據采集系統等。

1.2.4誤碼率低

WorldFIP現場總線報文自帶CRC校驗功能，數據校驗功能由通信控制器完成，報文不可檢錯概率小，據統計采用1Mbps速率，其誤碼在20年中不會超過一幀。

1.2.5介質冗余

介質冗余功能是WorldFIP現場總線的特色之一。通信控制器連接兩路獨立的傳輸介質，在雙介質運行時，兩路介質相互熱備用。當某一介質發生斷線、短路等故障而造成通信中斷時，通信控制器會自動將通信數據無縫切換到另一條無故障介質上，并能保證數據的完整性及正確性，不需要應用程序的干預，極大地增強了通信可靠性。

1.2.6抗電磁干擾性強

WorldFIP現場總線采用曼徹斯特編碼方式并利用磁性變壓器隔離，具有良好的抗電磁干擾能力,根據測試,在EMCIII級干擾條件下，能保證正常通信。

1.3WorldFIP現場總線的傳輸機制

WorldFIP現場總線定義了物理層、數據鏈路層和應用層三層通信協議，結構相對簡單。在數據鏈路層WorldFIP協議提供了變量及消息兩種傳輸機制。

變量是指周期性地在網絡上傳輸的數據包，每一個變量有一個唯一的16位數據標識，這種周期性報文根據預先設定的時間周期性地在網絡上傳輸。在實際應用中通常被用于傳輸實時狀態及控制信息，如控制現場I/O實時狀態、各種現場遙測值等。

消息主要用于傳輸一些諸如配置信息、診斷信息及事件信息等非周期性數據，消息只有在應用程序提出傳輸申請后一次性地在網絡上傳輸。

WorldFIP的傳輸模式稱為“生產者-消費者”（PRODUCER-CONSUMER）模式，簡單地說生產者指的是變量或消息報文的發送者，消費者指的是報文的接收者。一個變量或消息只能有一個生產者，但可以有一個或多個消費者。

在WorldFIP現場總線中，對傳輸介質的訪問控制類似于“令牌”網，“令牌”是對介質的訪問權，“令牌”按照預先確定的時間在多個通信子站之間傳遞。“令牌”的傳遞過程由通信控制器自動完成，不需要應用程序的干預。變量的生產者可以按照固定的時間間隔將變量在網絡上廣播，變量的消費者則同時接收變量內容。在變量中有一個字節的控制信息，其中一位為消息發送請求，當該通信站有消息需要發送時，則該置控制位有效，向總線申請消息發送。在固定的時間窗內當所有通信子站生產的變量數據被發送后，“令牌”被傳遞給提出發送消息請求的通信子站，此時得到“令牌”的通信子站將消息在網絡上廣播。這種介質訪問控制方式使得變量與消息的傳輸相對獨立，非周期消息的傳輸不影響周期變量的傳輸，因此WorldFIP非常適合于對于傳輸時間具有嚴格要求的場合，同時也使得某些突發數據能夠盡快在網絡上傳輸。

2WorldFIP現場總線技術在變電站綜合自動化系統中的應用

2.1RCS-9700變電站綜合自動化系統簡介

目前變電站綜合自動化系統已經由集中組屏式向分散式轉變[3]，大量變電站均采用無人值守方式，各種智能設備通過通信網絡相互連接，網絡通信量隨著智能設備數量的增加而不斷增大，同時還要求綜自系統對各種事件的響應時間盡可能短，這就對綜自系統通信網絡的通信速率提出了更高的要求。另外目前大部分保護測控單元等智能設備在開關柜就地安裝，因此要求設備具有較強的抗電磁干擾能力。

WorldFIP現場總線具有通信速度快、通信距離遠、介質冗余以及良好的抗電磁干擾能力，成為變電站綜合自動化系統中一種十分理想的通信方式。在RCS-9700系統中，我們選用了WorldFIP現場總線并采用2.5Mbps速率，單段最大通信距離為500m。系統的結構如圖1所示。

該系統從整體結構上分為三層：變電站層、通信層、間隔層。間隔層主要由保護單元、測控單元等組成，通信方式采用WorldFIP現場總線；通信層包括WorldFIP網關，保護管理機，規約轉換器等組成；變電站層包括本地后臺服務器，保護工程師站，五防系統等構成，通信采用100M工業以太網。

2.2WorldFIP現場總線在RCS-9700系統中的實現

2.2.1WorldFIP總線系統的構成

在整個系統中，使用WorldFIP現場總線的主要有各電壓等級的測控裝置以及網關設備等。測控裝置將實時采集的各種測量數據發送到網關設備，并由網關設備向變電站層轉發，同時接受來自變電站層的各種操作數據。為保證系統的可靠性，整個間隔層采用了介質冗余結構，采用兩路獨立的驅動器和通信電纜，以熱備用方式運行。按照間隔分別配置獨立的網關設備，如圖1所示分為220kV、110kV、10kV三個間隔，這樣做可以減少間隔之間的相互影響，同時可以提高整個網絡的通信速率。為可靠起見，對于每個間隔的網關設備，也采用了冗余雙網關結構，兩個網關采取熱備用方式運行，這種方式保證當主網關單元發生故障時，間隔層與變電站層通信能夠保持正常。

2.2.2通信實現

在通信實現上，考慮到大型變電站綜合自動化系統的需求，為保證網絡數據的實時性，采用了變量機制和消息機制相結合的傳輸方式。對于系統的四遙數據（遙測，遙信，遙控，遙調）、SOE、聯鎖數據等對時性要求高的數據類型采用變量機制傳送，此類數據按照一定周期向網關設備發送，并由網關設備轉換成快速以太網向變電站層發送；對于某些突發性報文，例如網絡診斷信息,配置信息等報文則采用了消息機制，這樣既能保證現場遙測值及遙信值等周期性數據能夠實時上送，也使得事件信息、診斷信息等能夠及時上送。

2.2.3數據尋址

WorldFIP現場總線的變量和消息可以配置成點對點、多播和廣播等多種數據尋址方式，靈活使用幾種模式將有利于提高總線利用率，降低通信站的CPU開銷。在RCS-9700系統中，各種測量（遙信遙測等）、SOE等信息，采用多播方式。多播對象是兩個網關設備，由于測控裝置沒有劃分在多播對象組內，此類被測控裝置接受到的多播信息在WorldFIP協議的數據鏈路層被過濾掉，不需要應用程序的干預，減少了測控裝置的軟件開銷；而對于間隔層聯鎖信息，則采用全網廣播方式。聯鎖信息包括各個開關狀態，電流電壓測量值等信息，測控裝置將聯鎖信息在網絡上廣播，間隔內所有測控裝置同時接收到，并根據接收到的數據作出邏輯判斷，確定閉鎖某些遙控操作。采用廣播方式既減少了網絡的通信量，又可以保證聯鎖信息的實時性和一致性，同時這種間隔層聯鎖功能的實現不需要網關或變電站層的參與，因而可以大大提高變電站的安全運行水平。而諸如遙控操作、遠方修改定值等遠方操作信息，則采用點對點的通信方式。

3結論

在變電站綜合自動化系統間隔層采用WorldFIP現場總線具有以下優點：

（1）數據可以在惡劣的工業現場高速長距離傳輸（2.5Mbps,500m）,實際應用中當間隔層中有64個測控裝置時，所有裝置發送一次數據的總時間小于30ms；

（2）通過介質冗余和網關雙機熱備用等多種方式,保證了系統的可靠性；

（3）所有測控裝置都可以實現數據主動上送功能；

（4）高速總線使得間隔層聯鎖得以實現,聯鎖數據在間隔層內完成，不需要網關等設備的干預，因而聯鎖功能實時可靠；

（5）良好的抗電磁干擾性能，適合變電站等電磁干擾強的工業環境。

目前RCS-9700變電站綜合自動化系統已在數十個220kV及以上變電站中投入使用，實踐證明，采用WorldFIP現場總線與以往采用異步串行模式相比，整個系統的性能得到了極大的提高。

參考文獻

1、陽憲惠.現場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社,1998

2、孫雅明，毛鵬，王兆峰，苗友忠，楊慶早，李旺，王憲勤.基于現場總線強實時性控制信息傳遞的研究和仿真.電力系統自動化

3、鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計.北京：北京航空航天大學出版社，1996

4、沈杰，李乃湖基于現場總線技術的變電站自動化系統.電力系統自動化，2000，24（17）

5、趙天洪.現場總線與控制系統.電力系統自動化，2000，24（13）

6、郝淑芬.現場總線標準化技術的發展.CIMS標準化研究動態，2000，2

7、南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-9700系統技術說明書.