（电力系统及其自动化专业论文）分布式母线保护通讯系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文分布式母线保护通讯系统的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：整数 日期：q 丝! ! 丛 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 r 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：益i 筮 导师签名 日期 坦 d y 。j - 诸 日期：! 生：! 兰：塑 一 兰! ! 里塑查堂堡堂堡笙塞 第一章绪论 母线是发电厂和变电所的重要组成部分，在母线上连接着发电厂和变电所 的发电机、变压器、输电线路、配电线路和调相设备等，母线工作的可靠性将 直接影响发电厂和变电所工作的可靠性。此外，变电所的高压母线也是电力系 统的中枢部分，如果母线的短路故障不能迅速地切除，将会引起事故扩大，破 坏电力系统的稳定运行，造成电力系统的瓦解事故i t 。随着电力网向超高压、跨 区域、大容量方向的迅速发展，对于母线保护的要求也是越来越高，大量的数 据需要实时的传输，这就需要高速的传输媒介来实现。本文所作的主要工作币 是这方面的深入讨论与研究。m 1 1课题背景及其意义 1 1 1 母线保护发展的概况 微机保护在90 年代蓬勃发展，各种原理和模式的微机母线保护相继推 ： j ， 其中具有代表性的是集中式微机母线保护及分布式微机母线保护。 集中式微机母线保护将各个连接元件的交流、直流回路均引至主控制室的 母线保护屏上，微机型母线保护对电流、电压以及丌关量等输入信息，根据一 定的算法进行计算、判断及处理。当母线上连接元件较多时，集中式微机保护 资源有限，不能满足大规模变电站母线保护的要求。它的二次回路十分复杂， 给现场运行、维护带来很多困难。ta 二次电缆很长，加上保护装置本身的阻 抗，ta 二次负载较大，保护抗ta 饱和的能力较弱。另外，电压水平越高的 厂站，占地面积越大，消耗电缆也越多，继电保护下放的经济效益越明显。t 2 1 1 3 1 近年来，随着无人值班的变电站的出现和变电站自动化技术的发展，对保 护下放的要求越来越强烈，分布式微机母线保护正是为了适应这种要求而产g 二 的。分柿式保护能够满足大规模变电站保护的要求。ta 二次电缆很短，加上 保护装置本身的阻抗极低，ta 二次负载很小，这有助于提高保护的抗饱和能 力。对于有中央单元的分布式微机母线保护，各个测量点通过光纤与中央单元 连接，然后经过通信网络进行信息交换。因此必须采用实时性好的通信方式构 成通信网，来适应母线保护对实时性的要求。保护的计算、判断、处理都是通 过e e 央单元完成，对中央单元要求很高。一旦中央单元出现故障，整套保护系 华北电力大学硕十学位论文 统将瘫痪。 j 到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应 保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响 范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的 概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元 件和限制事故影响范围( 这是首要任务) ，还要保证全系统的安全稳定运行。这 就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元 与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定 运行。 11 ，2 母线保护的基本要求 1 ) 母线保护的可靠性 母线保护的动作范围包括了连接在母线上的所有元件，因此母线保护的可 靠性将直接影响电力系统的安全运行。母线保护的可靠性包括两个方面，一个是 母线故障时保证母线保护的可靠动作，防止拒动的发生，这个特性称为可信性。 另一个是在f 常运行或发生区外短路时，保证母线保护不发生误动作，这个特 性称为安全性。 2 ) 母线保护的选择性 母线保护应具有很好的区分内部和外部短路的选择性，以及在各种运行方 式下区分出故障母线组的选择性，即：根据运行方式的要求，有时各连接元件 需要在各组母线之间进行切换，此时母线保护仍应保持选择故障母线的能力。 3 ) 母线保护的速动性 如果切除母线短路故障的时i 、白j 延长，有可能造成电力系统失步甚至瓦解事 故。因此，母线保护快速切除母线短路故障，是保证电力系统安全运行的重婴 手段之一。 此外，在发生母线的外部短路故障时，流过故障元件的电流值很大t 使咳元件 的电流互感器铁芯迅速饱和。尤其是当一次短路电流中包含幅值较大衰减较慢 的直流分量时，电流互感器二次电流的数值和波形会发生严重的畸变。二次乜 流的畸变可能导致母线保护误动作。如果母线保护动作十分迅速，母线保护的 工作特性可较少的受电流互感器铁芯饱和的影响，并在发生外部短路时可很快 的将母线保护加以闭锁。 2 华北电力火学硕十学位论文 1 2 论文的意义和主要工作 1 2 1 论文的意义 分布式母线保护分为完全分布式和不完全分布式l 。完全分却式是指装置 完全就地化，各个单元平等，无主从关系，这种分布方式只能分布放置。不完全 分布式是指绝大多数单元就地化，而有少数单元需要集中放置。分布式母线保护 与传统的集中式母线保护相比，具有如下优点： i ) 分确i 式母线保护是在间隔单元处进行就地采样等功能，其中，完全分布式 采用就地判别；不完全分布式采用把采集的各单元数据送至中央单元进行判别。 因此减少了二次电缆的铺设，既降低了工程造价，又缩短了c t 二二次电缆的长度， 从而减小了c t 的二次阻抗，有利于防止c t 饱和。 2 ) 分柿式母线保护利用光纤作为通信链路的介质，可较好的防御变电站的电 磁干扰。 3 ) 分布式母线保护可与相应的线路保护或变压器互为备用，从而实现了保护 的双重化。 4 ) 分布式数据通信是各单元采集的电流( 电压) 数据，通过分布式的通道， 高速、实时的进行传输。为保护的快速判别创造了条件，并可方便的实现变电站 的数据和信息资源共享。 5 ) 分柑式母线保护可和变电站的分布式结构相适应。 6 ) 可使得由于人员误操作、误碰原因造成母线上所有断路器跳闸等恶性事 故的机会大大减小。 1 2 2 论文的工作 论文首先研究了几种适合于分布式母线保护的保护原理。分析几种现在电 力系统常用的现场总线，然后以以太网为基础，研究适合于分和式母线保护通 讯的御线结构：共享带宽式网络结构，交换式网络结构，子网式网络结构。共 享带宽式网络结构把所有的采集点通过一条总线连接起来，这种方法组网简单， 便于扩展，但是对于网络速度要求较高。交换式网络结构是把所有的采集点通 过交换机连接起来，这种方法组网相对复杂，不便于扩展，但是对网络的速度 要求较低。子网模式结合了共享带宽模式与交换模式的特点，在采集点少与3 2 个的时候，可以达到与交换式网络相同的传输速率。 应用p c 机做上位机辅助调试。选用摩托罗拉公司的m pc555 作为处理 3 华北电力大学硕士学位论文 器，c i r r u sl o g i c 公司生产的cs 8 9 0 0 芯片作为以太网控制器，设计电路。并且 结合电路调试程序。 4 华北电力人学颂士学佛论文 第二章分布式母线保护原理的研究 21 瞬时值电流差动母线保护原理的研究阳 基于基尔霍夫电流定律的电流差动原理由于其概念清晰、判掘简单可靠、 能有效地区分区内外故障而在继电保护中得到了广泛的应用。把整条母线看作 是一个节点，在f 常运行与外部故障时流入母线的电流和为零，流入保护的电 流只是各电流互感器特性不同而引起的不平衡电流：在母线发生内部故障叫， 流入母线的电流和为故障电流，流入保护的电流将远远大于不平衡电流。因此， 保护动作条件可写成以下形式： 副 k ( 2 1 ) 其中t 。儿按躲，t 最大运行方式的不平衡电流整定。此式被称为完全电流差 动判掘。 但是( 2 1 ) 式中的整定值是固定的，在外部故障时，随着故障电流的增大， c t 的传变误差也在增大，这样，二次回路的差电流有可能会大于整定值，为了 避免保护误动，必须增大整定值，但这又降低了内部故障时保护的灵敏度，” 重时会导致保护拒动。 2 2方向式母线保护原理的研究 方向式的分散布置的微机母线保护，这种保护原理与传统的电流差动原理 不同，它是利用各线路保护中对线路全线有灵敏度的二段保护瞬动接点作为启 动元件，用以反应母线的区外故障。在线路保护中增设与二段保护原理相同的 反方向元件，用以反应母线区内故障，这个元件在保证母线故障有灵敏度的情 况下，与各出线保护的二段保护范围相配合。这种保护原理的动作逻辑是：反 方向元件动作接点并联后与各线路保护二段的瞬动常闭接点相串联。这种保护 的优点是：利用已成熟的线路保护使母线保护本身的结构简单，它没有利用电 流原理受c t 饱和的影响小。但是它是以微机线路保护为基础的，其中的距离保 护将受到电网振荡的影响，对于接线方式，它不能与线路保护相配合t 而需在 母线侧断路器装设方向元件，整定也困难，也不经济。对于母线故障有电流向 华北电力人学硕十学位论文 外流出的情况，它的整定较困难 8 1 。 2 3 电流故障分量相位法的研究 在线性电路的假设前提下，可以把在网络内发生的故障视为非故障状态与 故障附加状态的叠加。如下图所示，其中故障点所加的电压u 。是假设故障点处 无短路时的电压。由图2 一l 可知，故障附加状态下所出现的故障分量中包含的 只是故障信息。故障后网络内的电压、电流，可表示为1 ： k3 l 帆+ 1 w 其中： 、0 为发生短路后m 点的实测电压、电流 “峨、i 峨为非故障状态下m 点的电压、电流 “科k 为故障附加状态下m 点的f 邑t i i 、电流。 图2 - 1电流故障分量法 ( 2 - 3 ) + 在线路上发生故障时，至少有一条线路即故障线路上的故障电流的f 序分量 方向是从母线流出的( 这里所说的方向都是相对于电压相位而言的，下同) r 其 他线路上的故障电流的正序分量方向都是流入母线的；在母线上发生故障酬， 所有的线路上的故障电流的正序分量方向都是流入母线的。因此浚原理只需比 - 6 华北电力大学硕十学位论文 较故障电流的f 序分量方向，而无需电压量，比阻抗原理简单，动作快，易实 现，但是也具备了阻抗原理的很多优点。 另外，阻抗原理不能解决母线上发生故障有电流流出的情况，所有的电流相 位原理的母线保护也都不能克服这种情况。本原理为了弥补这一缺陷特找出了 一种能解决这个问题的方法，为了说明这个方法，先介绍出现母线故障有电流 外出的可能原因。一种是母线接线方式引起，如图2 2 所示；一种是由负载电 流引起的，如图2 3 所示。 ( 口)( 6 ) 图2 - 2 接线方式引起的母线故障 abc if 。 i ? i厂 i 1d 4 ，j ，d + 一 。人i 1 l | l 22 图2 - 3负载电流引起的母线故障 图2 - 2 ( a ) 示出在双母线方式中，如两组母线上各接有一回并联运行的短线 路时，则在i 组母线发生短路，可通过母联断路器和两条短线路向故障母线输 送短路电流。图2 - 2 ( b ) 和( c ) 相应示出在l j 断路器母线和双分段双母线方式q ， 在母线发生短路时由于迂回电流而产生电流流出的情况。图2 3 则示出母线发 生b 、c 两相短路时。由于a 相负载电流7 的回流。而使b 相和c 相电流流出母 - 7 华北电力大学硕士学位论文 线的情况。 因为本原理利用的电流故障分量，它将有不受负载电流的影响的优点。 二 述情况之二由负载电流引起的将不会影响本原理。对于在情况之一时，从图2 2 可以看到他们有一个共同点：母线上有一个外流的电流则必有一个与之数值 相等，方向相反的流入母线电流。因此可在以上母线故障的判掘中加上通过比 较从母线上流出电流的瞬时值是否有一个瞬时值处处相等的流入母线的电流来 判断，如果有则去掉这组值对应的线路后再判断余下的线路的电流故障分量方 向是否一致，若一致则为母线故障，否则为母线外部故障。 8 - 华北电力入学硕十学位论文 3 1综述 第三章现场总线的简介 3 1 1 现场总线的发展状况 从二十世纪六、七十年代至今，控制系统的发展经历了模拟仪表控制系统、 集中式数字控制系统、集散控制系统，以及当今自动化领域技术发展的热点之 一，被誉为跨世纪自控新技术的现场总线控制系统。现场总线( f i e l d b u s ) 是山 国际电子技术委员会( i e c ) 提出的一种利用串行数字通信用于互连工, j k 低层设 备的工业低层总线局域网络，是一种现场仪表用双向数字通信协议，它是新 代智能仪表的通信标准。国际电工委员会( i e c ) 和现场总线基金会( f t ) 将其定义 为：“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分 支结构的通信网络。”3 现场总线的概念是在2 0 世纪7 0 年代末，由欧洲的一些国家提出来的。其 原因是由于微处理器与计算机功能的不断增强和器件价格的急剧降低，计算机 与计算机网络系统得到迅速发展，用户需要在系统与系统之间、企业与企业之 间进行信息的交换，资源的共享以及远程管理与控制，而原先处于生产过程底 层的测控自动化系统，因采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量 控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之i b j 的 信息交换，要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一 种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层 网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之阳j 以及 生产现场与外界的信息交换。从8 0 年代初开始，美国的霍尼威尔公司、福可斯 波罗公司、f i 本的横河公司、欧洲的西门子公司、飞利浦公司等都相继推出了 可用于现场总线的系列智能化产品，促进了现场总线的应用，推动了现场总线 技术的发展，从而促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能 更加强大，使系统成为具有测量、控制、执行和过程渗断等综合能力的开放性 控制网络。 3 1 2 现场总线的分类 目前的现场总线主要有三种方式：专用丌放标准” ( 1 )专用的、封闭的现场总线 9 华北电力人掌硕十学位论文 所谓的专用的现场总线是由各家控制系统公司、计算机公司、科研院 所、大专院校自行研制的现场总线控制系统。往往是针对某一具体项目的 定向设计，适应面比较窄，在它们自己的范围内都可以做得很好，很理想， 效率也是最高的，但是在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维 护都e e 较难以协调 ( 2 )丌放的现场总线 一些是无条件开放，如m o d b u s ，相对比较简单，无条件使用。另一些 ( 大部分) 是有条件丌放，仅对成员开放，这类现场总线主要有f f 、 p r o f i b u s 、l o nw o r k s 、w o r l df i p 、d e v i c en e t 、l o n g w o r k 、m o d b u s 、c c l i n k 、a s i 、i n t e r b u s 等等。生产商必须成为该现场总线组织的成员， 产品需经该组织的测试，认证方可以在该现场总线系统中应用。 ( 3 ) 标准的现场总线 符合国际标准i e c 6 1 1 5 8 或i e c 6 2 0 2 6 、i s 0 1 1 8 9 8 和i s o l l 5 1 9 或欧洲 标准e n 5 0 1 7 0 ( 由p n e t 、p r o f i b u s 、w o r l df i p 各自独立的三部分组成) 的现场总线。模型和类型( 1 ) i o s i 参考模型现场总线控制系统是由多个 互连的节点的计算机通讯网络组成节点之间要不断地交换数据和控制信 息。每个节点都必须遵守些事先约定的规则。这些规则明确地规定了 所交换数据的格式和时序。这些为进行网络数据交换而建立的规则、约定 或标准被称为网络协议( p r o t o c 0 1 ) 。计算机网络协议采用层次结构模型 可以提高效率，减少故障。国际标准化组织i s o 和国际电工委员会i e c 于1 9 8 3 年制定公布了i $ 0 i e c 7 4 9 8 国际标准“丌放系统互连参考模型” 0 s ir m ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) ，简称0 s i 参 考模型。 31 3 现场总线的技术特点 ( i ) 系统的开放性 丌放是指对相关标准的致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。所 以，一个丌放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备 或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可以实现信息交换。 用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系 统。 ( 2 ) 具有互操作性和互用性 互可操作性是指实现互连设备闯、系统问的信息传递与沟通。而互用9 1 _ 1 0 华北电力大学硕士学位论文 一 意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 ( 3 ) 系统结构的高度分散化 现场总线已构成一种新的全分散化控制系统的体系结构，从根本上改变 了现有的集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了 可靠性。 ( 4 ) 对现场环境的适应性 作为i t - 网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞 线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力， 能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 ( j ) 现场设备的智能化与功能自治性 将传感器测量、补偿计算、工作量处理与控制等功能分散到现场设备中 完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备f t l 运_ 行状态。 ( 6 ) 系统成本降低、性能提高 采用现场总线技术后，由于现场底层设备的智能化以及改变了过去点对 点的连接方式，一方面系统的软硬件成本大幅度降低。另一方面，通信电器 与现场总线连接器能显示故障信号，便于故障排除，确保系统正常运行：系 统传输信息量增加，提高了系统自动化程度：信号传输精度高、及时，提高 了系统运行的可靠性。从而使自动化系统的性能价格比大幅度提高。 3 1 4 局域网的运用及网络协议 电力自动化系统中大量采用计算机网络技术，因此，计算机网络的安全可 靠运行是厂站自动化系统安全运行的基本保证。 互连和通信是局域网( l a n ) 的核心，网络的拓扑结构和传输介质，传输控制 和通信方式构成l a n 基本要素。近2 0 年发展起来的现场总线技术是基于微机化的 智能现场仪表与控制系统和控制室问的全分散，全数字化，智能，双向多变量， 多点，多站的通信网络。它是依据i s o 的0 s i 七层切、议制定的丌放式互联系统。 现场总线除具有l a n 的优点外，还具有满足工业过程控制所要求的现场设备 通信的要求，且提供了互连操作，使不同厂家的设备可互连也可互换，统一组 态，使系统适应性更广泛。现场总线的开放性，使用户可方便实现数据共享。 现场总线控制系统是由多个互连的节点组成，节点问必须遵守规定的所交换 数据的格式和时序。这些规则、约定或标准就被称为网络协议( p r o t o c 0 1 ) 。计 华j 匕电力大学硕十学懂论文 算机网络协议采用层次结构模型可以提高效率，减少故障。1 9 8 3 年制定公布了 i s 0 i e c 7 4 9 8 国际标准町f 放系统互连参考模型”0 s i b m 。该结构模型共分为7 个层 次( 如图3 - 1 ) ：运用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物 理层。i s 0 i e c 7 4 9 8 标准成为绝大多数计算机通过网络协议的引用标准。一般 的现场总线网络只采用3 层：物理层、数据链路层、网络层，最简单的只有前2 层，复杂一点的在7 层模型之外和加1 个应用层( 也称行规) ，个别的具有完整的7 层结构。 h 芝h b 应用屡 应用屡 表示屡 通信子同 表示层 套话屡 一一。一_-。 套话屡 待籍屡 c c p 垒堡垦 待输屡 罔摹屡一络屡 同络屡 用络屡 敦据链_ 略屡 敦据筐路屡敷括簋蓐屡 敦括簋喀屡 物理屡 物理屡耪理屡 轴理屡 图3 i层次结构模型圈 目前分层分布面向对象的思想已为人们所接受，变电站自动化系统的结构为 2 层，即通过通信网络连接的间隔层和变电站层，变电站到调度端通信逐步淘汰 m o d e m 方式，采用t c p i p 模式上网。 我国广泛用于变电站综合自动化系统的现场总线有l o n w o r k s 和c a n 。其中 l o n w o r k s 现场总线网是使用广泛的全分布式智能控制网络技术，是实现变电站 自动化系统网络层的成熟产品。它以每个智能化单元为网络节点，节点问以集 成在n u r o ne , y r 中的l o n t a l k 协议进行通信，完成备交互活动。c a n 协议采用 c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 1 2 ， 华北电力大学硕士学位论文 3 2 c a n 总线的特点及其应用 3 2 1c a n 总线的引入 变电站综合自动化系统，利用单台或多台微型计算机和大规模集成电路组 成的自动化系统代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系 统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不 能与外界通信的缺陷。变电站综合自动化系统按分层( 级) 分布式多c p u 的体系结 构( 如图3 2 ) ，整个变电站内部各单元之闻阻及变电站与远方调度中心之间的 通信都可以通过通信管理机来处理。 之前，在变电站综合自动化系统中，微机傈护、微机监控和其他微机型的 自控装置间的通信，大多数应用r s 一4 2 2 r s 一4 8 5 通讯接口，虽然可实现多个节 点( 设备) 间的互连，但连接的节点数一般不超过3 2 个；其次，采用r s 一4 2 2 4 8 5 通信接口，其通信方式多为循检方式，实时性不高；再者，使用r s 一4 2 2 4 8 5 通 信接口，只能使用主从通信方式，节点太多时，主节点会出现瓶颈现象，以及 另外对r s 一4 2 2 4 8 5 接口的通信规约缺乏统一标准，使不同厂家生产的设备很难 互连，给用户带来不便。如何解决以上问题，怎样实现间隔层中很多保护测控 装置与变电站层的各主机的通讯，保证数据传输的速率与质量，增强抗干扰能 力，就成为通讯模块需要集中解决的问题。现场运行表明，c a n 总线符合变电站 自动化系统的数据通讯的要求。” 监控主帆工程j 币蛄 设备层 电流1 f ：矗羞 ；募0 。 i ；黎鑫。产离开笑 酗3 - 2 变电站综合自动化系统分层结构图 机 32 2c a n 总线概述 c a n 是控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e r w o r k ) 的简称，是由德国b o s c t i 华北电力大学硕十学位论文 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已 被别国际标准组织制订为国际标准，并广泛应用于离散控制领域。它基于o s i 模 型，但进行了优化，抗干扰能力强，可靠性高，已被越来越广泛的运用于l ：业 控制体系中。 c a n 总线是一种多主总线系统，总线上最多可连1 1 0 个节点，通信速率可达 1 m b p s 。c a n 协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数掘块进行编码。 采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标 识码可由1 1 位( c a n 2 0a 协议) 或2 9 位( c a n 2 0b 协议) 二进制数组成，这种按 数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分和 式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中 控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时问 过长，从而保证了通信的实时性。c a n 总线的这些极高的可靠性和独特的设计， 特别适合工业过程监控设备的互连。 3 2 3c a n 总线的特点 ( 1 ) c a n 为多主方式工作。网络上任一节点、任意时刻主动地向网络上的其 他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活； ( 2 ) 网络节点目前可达1 1 0 个，报文标志符2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，扩展标准 ( c a n 2 o b ) 中报文标志符几乎不受限制； ( 3 ) c a n 采用短帧结构，传输时间短，抗干扰能力强，检错效果好。数据帧 中的数据最多为8 个字节，这样不仅满足了控制领域中传送控制命令、工作状态 和测量数据的一般要求，而且保证了通信的实时性。c a n 网络上的节点信息分为 不同等级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输； ( 4 )c a n 采用非破坏性总线总裁技术，网络节点可以安排优先级顺序，以 满足和协调各自不同的实时性要求。当多个节点同时发送信息时，优先绒较低 的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可不受影响地传输数据，节省总线 冲突仲裁时间； ( 5 )c a n 的直接通信距离最远可达1 0k m ( 速率5 k b s 以下) ；通信速率鼹高 可达l m b s ( 通信距离4 0m 以下) 。c a n 节点在自身发生严重错误的情况下具有自 动关闭输出功能，脱离网络，从而保证网络上其他节点的操作不受影响，避免 网络瘫痪； ( 6 )可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息； ( 7 )实现了标准化、规范化( 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ) 。 华北电力人学硕士学位论文 3 2 4c a n 总线技术构成 为使设计透明和执行灵活，遵循i s o o s i 标准模型，c a n 总线结构划分为两 层：物理层和数据链路层( 包括逻辑链路控制子层l l c $ i j 媒体访问控制子层c ) 。 c a n 的分层结构和功能如图3 3 所示。其中，l l c 予层为数掘传递和远程数据请求 提供服务：m a c 子层的功能主要是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误榆 验、出错标定和故障界定。 逻辑接收滤波 链路超载通知 数 子层恢复管理 据 数据封装所：装 链 媒体 帧编码 路 访问 媒体访问管理错误 层 控制 监测 子屡 出错标定 应答 串行 出解除串行化 物 位编码，解码 理 位定时 层 同步 ( 驱动器， 妾收器特性) 图3 - 3c a n 总线的分层结构平功能 基于c a n 总线的间隔层与变电站层的数据通信系统组织原理( 如图3 - 4 ) ， 从保护调控装置到p c ( p e r s o n a l c o m p u t e r ，个人计算机) 机的数据传输由数据通 信模块实现，主要包括三部分：r s 一4 8 5 c a n 转换，c a n 总线。c a n 到p e 机的通信。 华北叱力人学硕十学能论文 圈3 - 4 数据通信系统组织原理图 3 3l o n w o r k s 总线的特点及运用 3 ，3 1l o n w o r k s 总线概述 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司推出的一种功能全面的现场测控网络，主要 用于工厂及车间的环境、安全、保卫、报警、动力分配、给水控制、库房和材 料管理等。该技术采用国际上最先进的全分布式控制模式，得到世界上最著名 的四大控制工程公司及自动化界的高度评价。 l o n 网的关键技术是以具有控制功能和通讯功能的智能节点耿代了基本调 节器。节点由神经元( n e u r o n ) 芯片、外扩存储器、收发器、i 0 、a d 、d a 、 光耦等组成。n e u r o n 芯片有m c l 4 3 1 5 0 tm c l 4 3 1 2 0 两种，内部有3 个8 位微处理 器，分别是：媒体访问控制处理器：网络处理器及应用处理器。前两个处理器 管理通信，后一个留给用户丌发应用程序。 l o n w o r k s 技术的通信的每帧有效字节数可以从0 到2 2 8 个字节，通信速度 可达1 2 5 m b p s ( 有效距离1 3 0 m ) ，直线通信距离最远可达2 7 0 0 m ( 双绞线，7 8 k b p s ) ， 在一个域网中最多可以有3 2 ，3 8 5 个节点( 2 5 5 个子网x 12 7 节点) 。l o n 网络中 各智能节点通过网络变量联系起来的网络变量，是利用程序说明的一组特殊的 静态目标，可以是输入变量，也可以是输出变量，给输出网络变量赋值，i j 。以 使这个值向所有把该网络变量说明为输入的节点传送。例如某一节点有个 1 6 华北电力人学硕十学位论文 测温设备，任何时刻该节点测得的新值都将使网络变量更新，并传送给将该变 量设定为输入变量的节点。 3 32l o n w o r k s 总线的实用特点 ( 1 ) 网络结构简单，不需要专用中央处理机或服务器： ( 2 ) 安装方便，控制节点之间不仅可用同轴电缆、光纤作为网络电缆，而 且可用射频、廉价的双绞线或现有供电电源线载波作为信息载体； ( 3 ) 采用扩频技术，抗干扰能力强： ( 4 ) 网络通信协议( l o n t a l k ) 已经固化在控制节点内部，使系统开发容易， 应用编程简单，丌发周期大大缩短。 ( 5 ) 系统扩展方便，组念灵活，增加或减少控制节点不必改变网络的物理 结构。 ( 6 ) 接口横板齐全，能直接接收和转换、传送各种传感器、变送器或其它 智能仪器、仪表的丌关量、数字量和模拟量等信息，适用于各类自动检测、管 理和控制系统组网。 ( 7 ) 软件丰富，或编程性好，配有面向用户的开发平台，能大大缩短研制 和开发周期。 ( 8 ) 系统可靠性高，某一个控制节点发生故障只影响与该节点相连的设备， 而不会造成整个系统或子系统的瘫痪。“” 3 3 3l o n w or k s 总线的技术特点 l o n w o r k s 总线具有开放性及互操作性的特点，网络协议开放，且对任何用 户平等。采用l o n t a l k 通信协议，它符合国际标准化组织( i s o ) 定义的丌放系统 互联参考模型( o s i ) ，任何制造商的产品都可以实现互操作：它可以可使用舣绞 线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波和红外等多种媒介通信，而且在同一 网络中可以有多种通信媒介；其网络结构可以是主从式、对等式或客户服务 式结构；通过多种收发器提供各种典型的拓扑结构，如星型、总线型、环形以 及自出型；网络通信采用面向对象的设计方法，l o n w o r k s 网络技术称之为“网 络变量”，它使网络通信的设计简化为参数设置，增加了通信的可靠性。 3 3 3 1 神经元( n e ur o n ) 芯片 n e u r o n 芯片是l o n w o r k s 技术的重要组成部分之一。l o n w o r k s 拼j 有三个处理 1 7 ， 华北电力火学硕十学位论文 单元的神经元芯片( n e u r o n 芯片) 一一一个用于链路层的控制，一个用于网络层 的控制，另一个用于用户的应用程序，还包含1 1 个i 0 口，这样在一个神经元 芯片上就能完成网络控制功能。神经元芯片的内部集成了三个8 位的c p u ，分别 完成不同的功能。其中c p u i 介质访问控制处理器( m a c ) 处理7 层网络协议的第l 层 和第2 层，包括驱动通信子系统的硬件和执行冲撞避免算法；c p u 2 网络处理器执 行网络协议的第3 层到第6 层，处理网络变量、地址、认证、后台渗断、软件定 时器、网络管理和路由等进程；c p u 3 应用处理器执行用户编写的程序代码和用 户调用的操作系统服务。芯片中还具有存贮信息缓冲器，以实现各c p u 之问的信 息传递，并作为网络缓冲器和应用缓冲器。图3 5 为3 个处理器和存储器的结构 框图。通常，o s i 网络协议的第1 6 层固化在r o m 中，用户只需编写c p u 3 的应用程 序，而不需要考虑网络协议实现等内容，所以使用非常方便。 ： 网络缓冲器 应用缓冲器 ： l j 共享存储器 图3 - 5n e u r o n 芯片处理器干存储器 3 3 3 2l o n t a lk 网络协议和通讯服务 l o n t a l k 是l o n 总线的网络通信协议，该协议符合国际标准化组织( i s o ) 制 定的开放系统互联( o s i ) 基准模式，具有完整的七层协议，提供o s i 模型规定 的所有七层服务，形成了一个固化在神经元芯片的网络操作系统，这是其他测 控网络做不到的。 l o n t a lk 协议采用分级式的编址模式，共分3 级：域、子网和节点地址。域 是第一级地址，它是发布在一个或多个信道上的一系列节点的集合，一个子刚 华北电力大学硕士学位论文 最多可包括1 2 7 个节点，每个域最多可包括2 5 5 个子网。每个子网中的所有节点 必须在同一个信道上或由网桥联接的两个信道上。l o n t a l k 协议不受通信媒介、 网络结构和网络拓扑的限制，支持多种通讯媒体，多种网络拓朴结构。该协议 提供四种可选择的报文服务：端到端的确认服务；请求应答方式：非确认重点 方式及非确认方式。前两种服务需要得到应答，后两种不需要。 l o n t a l k 使用的是改进的c s m a c d ( 载波监听多重访问冲突检测) 协议 一带预测严一坚持c s m a c d 。通常，c s m a c d 协议规定，某一节点要传输数 据时，应首先查询线路是否空闲，如果空闲则传输，如果忙则等待直到检测到 空闲；发生冲突时，等待一个随机时间片再启动。当有很多节点等待网络空闲 时，一旦空闲，这些节点立即发送报文而产生冲突。它们产生冲突后推迟一段 时f s j 再发送报文，若这段时间相同，就会发生重复冲突，使网络效率大大降低。 在带预测严一坚持c s m a c d 算法中，当一个节点有信息需要发送时以嘲率 立即发送，而预测机制可根据网络负荷动态调整户值。对于访问时间的控制，所 有节点根据网络挤压参数等待随机时间片来访问介质，每一个节点发送胁随机 插入o - 矿个很小的随机时阊片，因此网络中任节点在发送报文前平均插入 2 个随机时间片。腑畏据网络积压参数的变化进行动态调整，计算公式为w - b l x l 6 ，其中彪为网络积压估计值，取值范围是l 一6 3 ，它是对当前发送周期有多 少个节点需要发送报文的估计。这种根据网络的负载动态调整等待时间的方法 在网络负载轻时能缩短访问延时，在负载重时则减小了冲突的可能性。在网络 负载很重时，不会导致网络瘫痪。 3 3 3 3 节点开发工具和网络开发工具 n o d e b u i l d e r 是一种节点级的开发工具，用于基于n e u r o n 芯片的节点的丌发 和编程。l o n b u i l d e r 为系统级的开发工具，用于多个节点的应用丌发。此外， l o n w o r k s 还拥有收发器、路由器和控制模块等一系列产品。l o n t a l k 协议支持双 续线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，提供给使用 者一个完整的开发平台。 3 3 3 4k o n w o r k s 的现场节点 一个典型的现场控制节点主要包含以下几部分功能块：应用c p u 、i o 处理 单元、通信处理器、收发器和电源。一个神经元芯片加上收发器便可构成一个 典型的以神经元为核心的现场控制节点。如图3 6 - 1 9 华北电力人学硕十学位论文 图3 - 6神经元节点的结构框幽 然而，神经元芯片毕竟是8 位总线，目前只支持最高主频是i o m h z ，因此它 所能完成的功能也十分有限。对于一些复杂的控制，显得力不从心，采用h o s t b a s e 结构( 如i n t e l 4 8 6 或以上) 构成宿主节点的控制终端，是解决这一矛盾的很 好方法，将神经元芯片作为通信协议处理器，用高级主机的资源来完成复杂的 测控功能。图3 7 为一个典型的h o s tb a s e 的结构框图。 圈3 7 h o s tb a s e 节点的结构框翻 3335 基于l o n w or k s 的牵引变电站综合自动化系统 变电站综合自动化系统的发展方向是面向电力市场基于现场总线技术。传 2 0 华北电力火学硕十学位论文 统d c s 中体现的是集中管理与分散控制的思想，现场总线的突出特点是克服了 d c s 系统中由封闭的专用网络实现通信的缺点，把基于封闭专用的解决方案变成 基于公丌标准的解决方案。 牵引变电所安全监控及综合自动化系统的结构见图3 8 ，它由馈线保护测 控、当地监控、现场总线、视频监控、通信等单元组成。 图3 - 8 牵引变电所综合白动化系统结构 l o n w o r k s 网络功能完善硬件简单可靠，在面向对象的变电站综合自动化系 统中前景广阔，面向对象的保护控制综合单元均可视为l o n w o r k s 网络上的一个 节点或子站。从结构层次上看，采用分布式系统结构，整个所内设备可分为处 理、间层、变电站3 个层次。图中的l o n w o r k s 现场总线主要实现间隔单元级通信 功能。变电站内间隔层通信信息量有限，以太网的优势在这一层次表现不充分。 按l o n w o r k s 网络的指标，采用双绞线介质或光纤介质，通信速率可达1 2 5 m b i c s 。l o n w o r k s 使用的带预测c s m a c d 算法非常适于总线型网络，网上各节点平 等，均可直接通信；节点数可任意改变，任何节点的移动、投迟，在物理上都 不会影响网上其它节点的通信。 2 1 华北电力人学硕十学缸论文 3 4 以太网( e t h e r n e t ) 的特点及运用 34 1e t h er n e t 的引入 出上文可知，c a n 以及l o n w o r k s 两种现场总线在变电站自动化通信系统中已 经得到广泛的运用。但基于组网的实用性，我们不难发现现场总线是专为小数 据量工业控制领域通信设计的廉价网络，当作为变电站自动化的主干网时，总 体性能随节点数的增长迅速下降且由于强调专用性而牺牲了通用性，长期缺乏 统一的国际标准。所以在通信节点多，通信数据量大的变电站中，现场总线存 在以下局限性：。 ( 1 ) 当变电站通信节点超过一定数量后响应速率迅速下降到不能接受的 水平，不能适应大型变电站对通信的要求： ( 2 ) 有限的带宽使录波等大量数据的传输延迟增大，不能令人满意： ( 3 ) 总线型拓扑结构在网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃。 现场总线技术的成功和不足让我们认识到，变电站自动化通信系统需要计 算机网络技术，尤其是带宽、通用性和符合国际标准的网络技术。在带宽、可 扩展性、可靠性、经济性、通用性等方面的综合评估中，计算机网络技术必将 成为变电站自动化系统中通信技术发展的趋势。例如：p s 6 0 0 0 变电站自动化系 统和r c s - - 9 0 0 0 变电站综合自动化系统就将以太网应用于变电站内组网，满足了 大数据量传输的实时性。目前，将计算机网络技术应用于变电站的产品越来越 多，技术上也逐步完善、成熟。 342e t h er n e t 运用情况概述 34 2 1e t h er n e t 的发展和运用 以太网是一种基带总线网。二十世纪九十年代以来，以太网得到高速发展； 1 9 9 0 年推出的i o b a s e - 一te t h e r n e t 是以太网成功的里程碑。它成本低廉，可靠 性提高，网络配置十分灵活，且其网络管理与故障排除都很简单。立刻得到了 市场的认可，1 9 9 5 年，全世界销售的局域网端口中i o b a s e r e t h e r n e t 占8 7 。 随着互联网技术的发展与普及，以太网、无线局域网技术己在商用通信领 埘得列了广泛廊用并币逐步渗透到控制领域，广泛廊用于工、1 k 企业的控制层、 管理层设备问的通信。当前，基于以太网的i n t e r n e t 技术应用n 答广乏，以太 网的带宽高达l o o m b p s 以上，i o o m 的以太网也已广泛使用。即使用于超大规模的 - 2 2 华北电力大学硕士学位论文 变电站也游刃有余。由于以太网的一个冲突域中可支持1 0 2 4 个节点，节点数小 于1 0 0 时，i o m 的以太网即使负载达n 5 0 ( 5 0 0k b s ) ，响应时间也小于0 o ls 。 由于用交换式集线器能把一个以太网分成多个冲突域，可以把节点数大于1 0 0 的 变电站，分成若干个节点数小于1 0 0 的子网来保证响应速率。计算机技术和通信 技术的不断结合和发展，尤其是网络技术的应用，以太网技术f 被引入变电站 自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层保护、控制单元中，构成基于网 络控制的分布式变电站自动化系统，实践证明以太网完全能满足变电站自动化 系统实时性的要求。 3 42 2e t h or n o t 较之现场总线的优越性 与现场总线相比，以太网具有以下优势： ( 1 ) 应用广泛以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广 泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持e t h e r n e t 的丌发，女 1 j a v a 、v is u a i c 、v i s u a ib a s i c 等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度 重视，具有很好的发