变电站自动化系统通信技术方案比较与研究.docx

变电站自动化系统通信技术方案比较与研 究 (乌海电业局，内蒙古 乌海 016000) 摘 要：文章根据国、内外变电站自动化系统通信技术 发展及应用现状，阐述了变电站自动化通信技术的各种常 用方案和特点，探讨了嵌入式以太网的应用模式和未来的 主要技术问题，同时对变电站自动化系统改造提出了一些 思路。 关键词：变电站自动化；通信方案；嵌入式以太网 中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1007 6921(XX)06026002 变电站是输配电系统的重要环节。变电站自动化系统 实现对全变电站主要设备和输、配电线路的自动监视、测 量、自动控制、微机保护以及调度通信等功能，其中通信 技术是分散式变电站自动化系统的关键技术之一，它直接 影响着整个系统的性能。 从 90 年代初开始，变电站自动化通信系统先后采用了 多种通信方案，经历了点对点通信、RS485 总线和现场总线 技术的变革，而伴随着变电站自动化系统的发展，其标准 化通信协议体系正在经受着 IEC60870-5 系列标准向 IEC61850 系列标准的变迁。目前，在变电站自动化领域， 正刮起一阵研究应用嵌入式以太网技术和 IEC61850 系列标 准的浪潮。 1 变电站自动化系统通信系统的技术方案 星型通信系统是分散式变电站自动化系统早期常使用 的一种点对点的通信系统，它以安装于控制室的计算机为 中心点，通过通信介质与分散在每一个开关柜上的监控 I/0 设备和保护设备连接，形成一对多的连接形式。星形网络 为不平等的网络，它极易形成瓶颈，并且通信速率和灵活 性都很低。 总线型通信系统克服星型连接的不足，它在变电站自 动化系统中有多种应用形式，常见的有 MODBUS 或者 RS485 总线以及现场总线技术。基于 MODBUS 或者 RS485 总线技术 的通信系统在国内早期的变电站自动化系统中使用较多， 它采用一个主站对多个从站的通信方式。应用中，它存着 实时性差、各个从站之间无法直接通信和抗干扰纠错能力 较差等缺点。 现场总线技术具有组网方便和抗干扰能力强等特点， 变电站自动化领域使用较多的是 LonWorks 网络和 CAN 总线。 LonWorks 现场总线技术是一种基于嵌入式神经元的总线技 术，可以很容易地组成对等/主从式、决策设备/传感器总 线等现场总线通信系统，它的通信速率最高可达 2.5Mbps。 考虑到变电站内部二次设备分散安装距离远的特点，一般 选用 78kbps 的通信速率，此时的通信距离可达 2 700m，基 本上可以满足目前中、低压变电站自动化系统在通信速率 和通信距离的要求。 采用 CAN 总线技术实现的变电站自动化系统有易于实 现双网备用、信息优先级丰富、抗干扰能力强和成本低等 特点。CAN 总线的通信效率最高可达 1Mbps,但是考虑到保 护装置分散安装对网络通信距离的要求，网络的实际通信 速率一般只有 100kbps 左右。CAN 总线的传输帧很短，有效 数据最多只有 8 个字节，因此在变电站自动化系统中，必 须使用多帧传输，效率较低，它一般用于网络节点数目不 多的中、低压变电站自动化系统。 用现场总线来做通信网，从工程实践来看是较成功的， 但是变电站自动化技术向超高压大型变电站发展，现场总 线的一些局限性逐渐暴露出来，难以满足高压、超高压大 型变电站自动化系统的要求。随着变电站自动化技术从中、 低压变电站系统向高压、超高压变电站系统发展，变电站 自动化系统要监视和控制的对象数目剧增。例如在 110kV 的中压变电站自动化系统中，遥信对象一般不超过 600 个， 遥控对象一般不超过 300 个，而在 220kV 的高压变电站自 动化系统中，遥信对象一般会超过 2 000 个，遥控对象会 超过 1 000 个。另一方面，高压、超高压变电站自动化系 统会使用比中、低压系统更多的数字式继电保护等智能化 电子设备(IED),这些设备需要通过内部通信网络传输大量 的遥测、故障录波等信息，特别是在发生故障时需要传输 的信息量会更大，这一切都决定了高压、超高压变电站自 动化系统内部通信量要比中、低压变电站自动化系统的通 信量大的多。因此高压、超高压变电站自动化系统对变电 站自动化通信系统提出了更高的技术要求，同时促使了中、 低压变电站自动化通信系统向以太网技术的变迁。 2 嵌入式以太网的应用和在自动化系统改造中的三种 模式 随着计算机软、硬件技术的发展，工业控制领域出现 了嵌入式技术，这使设计者在设计变电站自动化通信系统 时，可以在单片机系统上实现嵌入式以太网通信。以太网 具有网络速度快，带较宽，与后台监控 PC 机、工作站等接 口方便的特点，能够较好地满足大型高压变电站自动化系 统对通信网的要求。目前，嵌入式以太网技术是变电站自 动化通信系统的热点和方向。 利用嵌入式设计技术在微控制器/微处理器和以太网控 制器上实现的以太网就是嵌入式以太网。嵌入式以太网与 传统以太网一样，在物理上遵循 IEEE802.3 标准，逻辑上 大都选用广泛使用的 TCP/IP 协议族。嵌入式以太网与传统 以太网的最大区别在于:传统以太网技术是基于 PC 机、工 作站的软件和硬件环境，与 PC 机、工作站的硬件直接配合， 其使用的网络协议如 TCP/IP 等内嵌在 Windows NT, UNIX 等操作系统中，传统的以太网技术总脱离不了 PC 机、工作 站的软、硬件环境，这限制了传统以太网在工业控制领域 的应用。而嵌入式以太网是基于微控制器/微处理器的软、 硬件环境的，使用的网络协议如 TCP/IP 协议族内嵌在嵌入 式操作系统，甚至不使用操作系统，从而为嵌入式以太网 技术应用于变电站自动化领域打开了方便之门，且它能与 传统以太网在物理上和通信协议上相互兼容，因此它们之 间能够相互通信。 目前，国内外各厂商推出的直接利用双以太网通信的 变电站自动化产品不是很多，并且一般采用几个智能电子 设备(IED)通过 RS485, MODBUS 或者现场总线等方式连在一 起，然后用嵌入式以太网接口作为一个以太网节点连在以 太网上，这种方式提高了变电站内的通信速率，但是目前 每个智能电子装置(IED)配置嵌入式以太网接口已经成为一 种趋势，变电站自动化系统利用嵌入式以太网进行通信时， 系统的实时性和可靠性主要由采用协议的性能、对报文进 行协议编码/解码的速度和以太网的冲突情况等因素决定。 但是目前在变电站自动化系统中，尤其是在无操作系统环 境下，对以太网常使用的 TCP/IP 协议栈的实现差异很大， 没有如 TCP/IP 协议栈通用实现的那样有统一的标准，导致 性能差异较大。 嵌入式以太网应用于变电站自动化系统内部的通信网 络一般有三种典型应用模式： 模式 1:每个间隔层设备都配置一个嵌入式以太网接口 (如 CS8900A),将设备作为一个以太网节点直接连接到以太 网上。 模式 2:几个不具备以太网接口的智能电子设备(IED)通 过 RS-422/485 或者现场总线等方式连接在一起，然后通过 一个具有嵌入式以太网接口的通信管理单元连接到以太网 上。 模式 3:模式 1 和模式 2 的混合。 对比这三种应用模式，从技术实现而言，三者都必须 设计嵌入式以太网硬件接口，实现 TCP/IP 协议栈传输数据。 通信管理单元硬件配置平台较高，一般采用 X86 或者高性 能的 ARM 芯片为主处理器，软件上引入性能好的商业 RTOS(实时操作系统)如 QNX 或者 VxWorks 操作系统及其 TCP/IP 协议栈，而间隔层设备的硬件配置平台较低，一般 使用无操作系统环境下的以太网通信模块进行通信。 就具体应用而言，尤其在现阶段变电站的综合自动化 系统改造中，由于变电站中的 IED(如智能电能表)可能由不 同的厂家提供，这些 IED 的对外通信接口可能只有 RS-485 或者现场总线接口，没有嵌入式以太网接口。因此，现阶 段的变电站自动化系统，尤其是对中低压变电站自动化系 统改造一般采用模式 2 或者应用模式 3，但是应用模式 1 是 变电站自动化系统发展的趋势。 3 结语 随着变电站自动化通信系统的不断发展，引发了很多 新的技术问题，其中最主要的有两个方面:研究开发基于 嵌入式以太网技术的通信网络，满足不断增长的技术要求； 制定合适的基于以太网技术的变电站自动化系统通信协 议标准或者电力系统用户制定区域标准，以实现不同厂家 产品互联。 变电站自动化技术向超高压、特高压变电站系统发展， 变电站自动化系统得到迅速发展，“分布化、智能化、集 成化、可视化和协调化”是其发展方向。通过对通信系统 其发展模式的分析比较，提出了在新站建设和老站综合自 动化系统改造中嵌入式以太网技术的不同应用。 参考文献