（电机与电器专业论文）35kv线路保护装置通信技术的研究与实现.pdf

盟丕堂堡主兰垡笙塞 些皇篓 a b s t r a c t 。，r e s e a r c h i m p l e m e n r0 fc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u ef o r3 5 k vp o w e r l 矾ep r o t e c t i o nd e v i c e m a s t e rc a n d i d a t e ：z h a n gj i s u p e r v i s o r ：p r o f l i nh e y u n w i mt h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e me l e c t r i c p o w e rs y s t e m t o w a r d s i n f o r m a t i o n l i z a t i o na n d i n t e l l i g e n t i z a t i o n ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nt h ek e yo ft h e d e v e l o p m e n t t h ec o m m u n i c a t i o nb a s e do nb u si so n eo fa b s o l u t e l yn e c e s s a r yf u n c t i o n so f t h er i s i n gi n t e l l i g e n tp o w e rl i n ep r o t e c t i o nd e v i c e s t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n gt h er e l a t e dt h e o r i e s a n dd e v e l o p i n gc o r r e s p o n d i n gp r o d u c t sa r ev e r yn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt ot h ea c c e l e r a t i v e d e v e l o p m e n to fe l e c l r i cp o w e rs y s t e m f i r s t l yt h ec u r r e n ts t a t u sa n dg e n e r a ls i t u a t i o no fs u b s t 砒i o na u t o m a t i o ns y s t e ma n dt h e r e l e v a n tc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea r es a r i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h e nb u sm o d e so f c o m m u n i c a t i o na n dt h e i rt o p o l o g i e sa r eo u t l i n e d c y c l i cr e m o t em o t i o nc d ta n d1 0 3 p r o t o c o l sa r er e s p e c t i v e l ya d o p t e dt or e a l i z er s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o no f3 5 k vp o w e rl i n e p r o t e c t i o nd e v i c e ，i nw h i c ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da st h em a i nm i c r o - p r o c e s s o r b a s e do n t h ed e v i c e 。m ei s a 3 0 0p r o t o c o lo fs h e n z h e nn a r ic o r p o r a t i o ni ss u c c e s s i v e l ya p p l i e dt o r e a l i z ec a n - b u sc o m m u n i c a t i o n i nt l l e p r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g n a p ia n dd a t a b a s e t e c h n o l o g ya r ec o m b i n e dw i t ht h ep r o g r a m m i n ga n dt h em e t h o do fm a p p i n gt a b l ei s e m p l o y e dt oc a l c u l a t ec r cc h e c kc o d e f i n a l i y ，t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nd e b u g g i n g p r o g r a ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s a r ea l s oi n t r o d u c e dt o i m p r o v ec o m m u n i c a t i o n v e l o c i t y p r e l i m i n a r y t e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eb e h a v i o r o fe o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni si na g r e e m e n tw i t ht h ed e s i g nr e q u e s t t h er e l i a b l yo fb o t h r s 4 8 5a n dc a nb u s e sv e r i f i e st h a tt h ed e s i g ns c h e m eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni sv a l i da n dc o r r e c t t os o m ee x t e n t k e yw o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t o n ，p o w e rl i n ep r o t e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ， p r o t o c o l 第1 i 页 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我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。 研究生签名：塾茎日期：迎：主：j7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名： 东南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 r1 变电站综合自动化系统综述 变电站综合自动化是将变电站中的微机保护、微机监控等装置，通过计算机网络和现代 通信技术综合集成为一体化的自动化系统。由于取消了传统的控制平台、表计等常规设备， 故节省了内部电缆，缩小了控制室面积。系统具有自诊断功能，能及时发现存在的问题，加 以排除；系统记录了所发生的时间，有助于分析事故。 由于变电站是电力系统中发电厂和电力用户之间电力传送的重要一环，传统的3 5 k v 及 以上电压等级的变电站的二次回路部分是由继电保护、当地监控、故障录波和测距、直流系 统与绝缘监视以及通信等各类装置组成的。它们各自采用单独的装置，具各自身的功能且均 自成系统。但由此不可避免产生各类装置之间功能相互覆盖，部件重复配置，大量的接线和 电缆敷设等现象。2 0 世纪8 0 年代由于微机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等 装置相继更新换代，实现了微机化。这些微机化的设备虽然功能各异，但其数据采集、输入 输出回路的硬件结构大体相似，因而提出了统一考虑变电站自动化各种功能的系统集成。但 当时的系统实际上是在r t u ( r g n l o t et e r m i n a lu n i t ) 基础上加上一台微机为中心的当地监控 系统。不但未涉及继电保护，就连原有的传统的二次回路部分都仍予保留。直至9 0 年代数 字保护技术( 即微机保护) 的广泛应用，才使变电站综合自动化进入实质性阶段。尤其是随 着电网调度自动化系统的全面发展和无人值班变电站的推广，综合微机应用技术、计算机网 络技术和现代通信技术组成的各种类型的变电站综合自动化系统才大量涌现。”1 变电站综合自动化系统的推广采用，提高了变电站自动化水平和运行可靠性，减轻了二 次回路设备的维护工作，并减少了电力系统调度人员对变电站教障处理人工干预的需求。 ( 1 ) 变电站自动化技术的概念 变电站自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置 和远动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信 技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动 控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站自动化系统，即利用多台 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、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。因此，变电站自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在 变电站领域的综合应用。变电站自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息。利用计算机 的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的起行和操作：变 电站自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。 ( 2 ) 变电站自动化技术的现状和发展吲 2 0 世纪8 0 年代末，国内有关单位开始变电站自动化技术的相关研究。9 0 年代初由于面 临不断加剧的市场竞争压力，国内的电力企业为了提高企业的运营效率，纷纷采取减员增效 措施，大力推行中低压变电站少人值守或无入值守，这对变电站的远方控制和监视提出了新 的要求，利用计算机技术和网络通信技术实现变电站自动化成为必要。技术和市场的双重需 求极大地推动了我国变电站自动化技术的发展。 &变电站自动化技术的现状 从变电站自动化系统的设计思想来看，基本上经历了从“面向功能”的集中式设计到“面 第1 页 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 向对象”的分布式设计的变化过程，对变电站进行测控的观念已经从局部转向整体。随着面 向对象技术在变电站自动化系统中的广泛应用，系统设计者不再单纯考虑某一个量的获得， 而是以间隔为单位，为一次设各配备完整的保护和监控装景，保证系统的开放性。 从变电站自动化系统的功能来看，在基本功能方面如测量、控制和保护已比较成熟，较 高层次上的应用功能，如变电站防误闭锁、电压无功控制方面，也取得不少成绩。但总的来 说，较高层次上的应用功能，包括状态估计、故障分析、决策支持、保护和控制装置的功能 完好性分析等方面还有待于进一步深入研究和发展， 从变电站自动化系统的结构来看，现有的系统均采用分层的设计思想，具有一定的分布 式特征和相应的独立性。然而，目前用于变电站的监视、控制、保护装置，包括故障录波、 紧急控制装置，虽然已实现了微机数字化，但大都是功能单一的独立装置。各个装置缺乏整 体协调和功能的优化，且功能交叉，输入信息不能麸享，接线复杂，从整体上降低了系统本 身可靠性。同时，不能充分利用微机数据处理的强大功能和速度，经济上也是一种资源浪费。 另外，在这些系统中，微机保护、微机监控等设备之间大都通过r s 4 2 2 r s 4 8 5 通信口或现 场总线相连接，通信规约各异。由于缺乏统一标准，通信控制复杂，难以有效地实现备设备 之间信息高速、可靠、准确地交换，系统可靠性和实时性差，这不仅影响到变电站自动化系 统的优势发挥，而且不能满足电网发展对变电自动化系统所提出的要求。 b 变电站自动化技术的未来发展 随着现代微处理器技术、电力电子技术、光电技术和通信技术的发展，使控制、智能化 和通信进一步向现场深入，将二次设备技术分散应用到一次设备成为可能。在中低压变电站 自动化方面，保护和测控设备相互渗透、相互融合，保护测控一体化己成为共识。保护测控 单元不仅具有常规的测量、控制和保护功能，还集成了自动重合闸、电能质量参数的检测功 能，甚至集成了断路器的监视功能，且有进一步与断路器、开关相结合，发展成为集成型智 能开关的趋势。高压设备正向着一次和二次设备集成方向发晨，将断路器与p t 、c t 及隔离 开关组合在一起，使用数字化的p t 、c t 替代常规的p t 、c t ，数字输出替代了模拟量输出， 甚至集成了保护、测控单元。如a b b 公司的p a s s ( p l u ga n ds w i t c h e rs y s t e m ) 、a l s t o m 公司推出的高压组合电器等一次设备。 在不断完善变电站自动化基本功能的同时，应进步扩展较高层次的应用功能。在次 设备内增加智能互感器和控制器，通过数字通信与上层变电站自动化系统交互信息，既可以 提高数据共享程度，又可以利用计算机监控系统对一次设备进行连续监视和自诊断，改变目 前的定期检修为状态检修，将运行支持系统。包括维修支持系统、恢复支持系统逐步纳入变 电站自动化系统，可以进一步发挥变电站自动化对提高电网运行可靠性、降低运行和维修成 本的作用。采用离眭能的数字通信网络，把各个智能装置连接起来，实现所有一次设备和二 次设备信息在通信网络上交换，形成高度集成的变电站自动化系统。 现代i t 技术、嵌入式技术和互联网技术的迅猛发展也深刻地影响着变电站自动化技术。 国外一些电气公司推出的新一代智能电子设备( i e d ，i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ) 甚至具 备了直接和i n t e r n e t 互联的功能，可实现基于i n t e m e t 的远程维护和状态监测。采用i n t e r n e t 、 w e b 这类标准的通信技术，在保证系统性能的同时。更易于实现系统的集成，可以在更大 的范围内实现数据共享，从而进一步降低运行和维护成本。因此，i e d 设备互联和基于网络 的远程监控和维护已成为个不可避免的技术趋势。 总的看来，现代计算机技术、电力电子技术、光电子技术和网络技术的发展为改变变电 站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分隔的状态提供了优化组合和系统集成的技术基 础。日益增加的电网复杂性、不断增加的成本一效益压力和市场竞争压力、技术的不断发展、 更高的电网运行标准将促进变电站新的自动化技术的开发和应用，变电站将逐步从目前分散 型自动化向协调型自动化、集成型自动化和网络化方向发展。 第2 页 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 变电站通信的层次结构和网络通信 8 0 年代后期单片机引入我国，由于其性价比高，科技工作者有条件将微机保护单元和 数据采集单元按回路设计。结构形式大多采用了分层( 级) 分布式的多c p u 体系结构。每 一层完成不同的功能。每一层由不同的设备或不同的子系统组成。 1 2 1 变电站通信的层次结构 一般来说，整个变电站的一、二次设备可分为3 层，即变电站层、单元层( 或称间隔层) 和现场层( 设备层) 。变电站层称为2 层，单元层为1 层，设备层为0 层。如图2 - l 所示。 设备层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器 等一次设备。 单元层一般按断路器间隔划分，具有测量、控制部件或继电保护部件。测量、控制部件 负责该单元的测量、监视、断路器的操作控制和联锁及事件顺序记录等；保护部件负责该单 元线路或变压器或电容器的保护、故障记录等。因此，单元层本身是由各种不同的单元装置 组成，这些独立的单元装置直接通过局域网络或串行总线与变电站层联系；也可能设有数据 采集管理机或保护管理机，分别管理各测量、监视单元和各保护单元，然后集中由数据采集 管理机和保护管理机与变电站层通信。单元层本身实际上就是两级系统的结构。p 1 变电站层的监控杌或称上位机，通过局部网络与保护管理机和数据采集控制机通信。监 控机的作用，在无人值班的变电站，主要负责与调度中心的通信，在变电站自动化系统具有 r t u 的功能，完成四遥( 遥控、遥测、遥调、遥信) 的任务；在有人值班的变电站，除了 仍然负责与调度中心通信外，还负责人机联系，使综合自动化系统通过监控机完成当地显示、 制表打印、开关操作等功能。 蓬电 咕层 监控主机 远动主机【 2 层 、，ii iiii f 苴 测量控制 故障录波k 一保11 保i i 兀 。一一引。引 层 l 层 l r i 、仃w 设 l ，i 各 11 屡 tv 高压 tv 高压 t v 断t v 断 一、 ，t a 设 各 ta 设备t a 路t a 路 图2 - 1变电站综自系统的层次结构简图 第3 页 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 变电站的网络通信 通信方式是与系统的结构形式密切相关的。要想了解通信方式，首先要了解变电站自动 化系统的结构形式。从国内外变电站自动化系统的发展过程来看，其结构形式有集中式、分 布集中式、分散与集中相结合和全分散式等四种类型。目前使用较多的是分层分布式系统集 中组屏的结构形式和分布分散式与集中相结合的结构，而全分散式是发展趋势。口1 ( 1 ) 过程层通信网络 到目前为止，现有的绝大多数变电站自动化系统中还没有严格意义上的过程层通信网 络，过程层设备和间隔层设备之间还是采用传统的二次电缆连接。随着数字式光电流、电压 互感器和智能断路器的技术不断发展，过程层设备的智能化程度将会越来越高，并具有计算 机数据通信接口，能够实现现场数据和控制命令的实时、可靠、数字化传输。现代变电站自 动化技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层中去，由过程层完成f o 、模 拟量采集和控制命令的发送，以及和一次设备相关的功能；间隔层利用过程层的数据，作用 于本间隔内一次设备，实现保护、控制等功能。这样不仅可以节约大量的二次电缆，还可以 减小接线复杂性，提高系统固有可靠性，大幅提高整个变电站自动化系统的成本一效益比a ( 2 )变电站层通信网络 变电站层通信网络连接了变电站层和间隔层所有设备，实现变电站层设备和间隔层设 备，甚至间隔层设备相互之间的数据交互，一方面实现和过程层相关的功能，如全站连锁、 顺序控制、母线保护等，一方面实现变电站内就地人机接口功能。从技术角度来看，正如论 文第一章所述，自2 0 世纪9 0 年代交电站自动化技术在我国出现以来，变电站层通信网络大 致经历了三个不同的发展阶段：基于串行总线( 如b i t b u s 、r s - 4 2 2 4 8 5 等) 的技术方案、 基于现场总线( f i e l d b u s ) 的技术方案和基于嵌入式以太网技术的方案。 变电站层通信网络的研究开展的比较早，尤其是对前两种技术的研究，已经取得了比较 多的成果，并且这些成果在生产实践中也得到了广泛验证和应用。嵌入式以太网技术由于出 现较晚，将其应用到变电站层通信网络方面的研究还不充分，主要表现在以下两个方面： 一方面，嵌入式以太网技术由于以太网介质访问控制方法的固有特点，网络时延具有不 确定性问题。如在嵌入式应用中，由于报文长度分布、电缆长度、网络拓扑等因素的影响使 得嵌入式以太网的性能，尤其是实时性能出现了一些区别于一般以太网的新特点。 另一方面，在资源受限的嵌入式系统中，实现以太网技术具有不同于一般以太网的技术 难点。只有正确认识和处理这些技术难点，才能设计出符合变电站自动化系统性能要求的变 电站层通信网络。 ( 3 )远动通信网络 远动通信网络是变电站和远方控制中心之间数据流通的通道，通过运动通信网络可以使 电网控制中心及时获取厂站的实时数据和运行信息；同时调度中心通过远动通信网络把遥 控、遥调命令传送到变电站，实施电网的安全、优质、经济运行。如果能够加上视频监视系 统( 遥视) 功能，还可实现变电站的无人值班。 目前，我国远动通信网络普遍采用基于电路交换方式，独立占用6 4 k b i t s 的低速通道进 行串口通信。现有这种按厂站到控制中心点对点的方式直接组织，采用基于时分复用的电路 交换方式，通道中继带宽的利用率十分低下。随着厂站自动化水平的提高和国家电力数据网 络( s p d n e t ) 的建设和发展，常规的远动系统将被融合计算机，保护、控制、网络、通信 等技术于一体的网络化的远动系统所代替，远动信息的传输模式是常规远动点对点通信和通 过数据网络传输并存。利用数据网络来传递远动信息，改变调度中心对厂站放射状组织的远 动通道和基于电路交换方式、独立占用6 4 k b i t s 通道的现状，可以优化远动信息传输网络结 构，充分利用电力数据网络分组交换、按需占用带宽的优势。 第4 页 东南大学硕士学位论文第一章绪论 随着计算机、数据网络、数据库等技术的飞速发展以及电力市场的要求，以j a v a 、因 特网、面向对象等技术为支撑，综合考虑电力市场环境中的安全运行及商业化运营的要求为 主要特征的新一代电网调度自动化系统即将出现，远动信息的网络传输必将成为远动数据传 输的主流方向。 尽管变电站通信网络的层次结构划分中列出了远动通信网络，但严格地说，远动通信网 络并不属于变电站内通信网络的研究范畴，其本身就是一个值得研究的专业领域。 1 3 变电站综合自动化系统中的通信技术 变电站内通信网络是变电站自动化系统的重要组成部分，是实现控制命令、事件告警和 采样数据快速、可靠传输的高速数据通道，是变电站实现自动化的关键技术之一，是影响变 电站自动化系统整体性能的重要因素。因此，在变电站自动化系统设计之初就必须考虑和研 究在各种运行条件和变电站意外事故情况下变电站内通信网络的动态性能。 到目前为止，国内外对变电站内通信网络性能的分析研究主要集中在连接变电站层和间 隔层，以及间隔层和间隔层之间的变电站层通信网络上。过程层通信网络由于和现场一次设 备紧密关联，其数据传输特点、数据传输的实时性和可靠性要求明显有别于变电站层网络； 另一方面，如果用过程层总线代替传统的电缆连接，变电站自动化系统的保护、控制和自动 化等基本功能的实现则完全依赖于过程层通信网络的性能。因此，开展过程层通信网络性能 的研究是十分必要的，并具有重要的理论意义和实用价值。 1 3 1 变电站通信的特点 由于数据通信在综合自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通信成为系统的技术核 心，而由于变电站的特殊环境和综合自动化系统的要求，使变电站自动化系统内的数据网络 具有以下特点和要求。【j 1 ( 1 ) 快速的实时响应能力。 变电站自动化系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息，在电 力工业标准中对系统的数据传送都有严格的实时性指标，网络必须很好地保证数据通信的实 时性。 ( 2 ) 很高的可靠性。 电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行，通信网络的故障和非正常工作 会影响整个变电站自动化系统的运行，设计不合理的系统，严重时甚至会造成设备和人身事 故、造成很大的损失，因此变电站自动化系统的通信子系统必须保证很高的可靠性。 ( 3 )优良的电磁兼容性能。 变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强电磁干扰和地电位差 干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须注意采取相应的措施消除这些干扰的影响。 ( 4 ) 分层式结构。 这是由整个系统的分层分布式结构所决定的也只有实现通信系统的分层，才能实现整 个变电蛄自动化系统的分层分布式结构，系统的各层次又各自具有特殊的应用条件和性能要 求，因此每一层都要有合适的网络系统。 第5 页 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 变电站通信的要求 不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大，其具体内容如下：”1 ( 1 ) 经常传输的监视信息。 为监视变电站的运行状态，需要传输母线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、 零序电压、频率等测量值，这类信息需要经常传送，响应时间需满足s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n 数据采集与监视控制系统) 的要求、一般不宜大于1 2 s ；为计 量用的信息，如有功电能量和无功电能量，这类信息传送的时间间隔可以较长，传送的优先 级可以较低；为刷新变电站层的数据库，需定时采集断路器的状态信息，继电保护装置和自 动装置投入和退出的工作状态信息，可以采用定时召唤方式，以刷新数据库：为监视变电站 的电气设备的安全运行所需要的信息，例如变压器、避雷器等的状态监视信息，变电站保安、 防火有关的运行信息。 ( 2 ) 突发事件产生的信息。 系统发生事故的情况下，需要快速响应的信息，例如事故时断路器的位置信号，这种信 号要求传输时延最小，优先级最高：正常操作时的状态变化信息( 如断路器状态变化) 要求 立即传送，传输响应时间要小，自动装置和继电保护装置的投入和退出信息，要及时传送； 故障情况下，继电保护动作的状态信息和事件顺序记录，这些信息作为事故后分析事故之用， 不需要立即传送，待事故处理完再送即可；故障发生时的故障录波，带时标的扰动记录的数 据，这些数据量大，传输时占用时间长，也不必立即传送；控制命令、升降命令、继电保护 和自动设备的投入和遥出命令，修改定值命令的传输不是固定的，传输的时间间隔比较长； 随着电子技术的发展，在高压电气设备内装设的智能传感器和智能执行器，高速地和自动化 系统单元层的设备交换数据，这些信息的传输速率取决于正常状态时对模拟量的采样速率， 以及故障情况下快速传输的状态量。 ( 3 ) 各层次之间和每层内部传输信息的时间要求。 a 设备层和间隔层：1 l o o m s ； b 间隔内各个模块间：1 l o o m s ； c 间隔层的各个间隔单元之间：l l o o m s ； d 间隔层和变电站层之间：1 0 1 0 0 0 r r u s ； e 变电站层的各个设备之间：1 0 0 0 m s ： 变电站和控制中心之间：1 0 0 0 m s 。 1 3 3 网络通信介质的选择 变电站数据通信介质，常用的是光纤和双绞线通信电缆。 光纤的物理结构保证其在远距离信息传输中有具有非常好的抗干扰能力。但就变电站现 场遇信网络来说，采用光纤又有一定的不利因数；光纤属于点对点方式的通信媒介，该方式 经济上浪费，安装维护较复杂。有的系统将将光纤通过耦合器星型连接构成总线型网络，传 输距离远，抗电磁干扰能力强，但由于增加了有源器件，又增加了不可靠因素。采用双绞线 电缆作为通信则可以根据网络方式灵活进行支接。对于c a n 总线来说，只要处理好总线的 物理接口即可通过双绞线可靠、经济、灵活地组网，而且网络扩展和系统维护也很方便， 因此选用双绞线电缆作为变电站站内通信地媒介。 第6 页 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 4 通信规约的研究 通信技术的发展，造成了变电站内通信网络的多样性，给用户带来更多选择的同时，也 带来了另一个现实问题，即如何将这些来自不同厂家，使用各自专用通信协议的异种网络相 互集成，实现互操作，最大限度的保护用户已有软硬件投资。1 4 这方面的研究集中在两个方面： ( 1 ) 各种现有通信规约之间的高性能、高质量转换； ( 2 ) 开发新的通信规约体系，使其继承原有各种通信规约的优点，并形成统一格局。 第一个方面的研究大多都就具体的问题来找出具体的解决办法，如部颁c d t 规约至 i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约的转换，d n p 3 0 规约至s c l 8 0 1 或n 4 f 规约的转换由于同类通信规 约可以在不同的硬件结构上实现，所以即使是相同的规约转换问题，也没有一个可以统一解 决的办法，因此该领域的研究总是和实际工程结合紧密。 第二个方面的研究是制定标准问题，目前与变电站自动化系统相关的国际标准已基本形 成了以下几个系列： ( 1 )远动通信协议体系m c 6 0 8 7 0 - 5 系列； ( 2 )美国电科院u c a 通信协议体系； ( 3 ) 计算机数据通信协议体系i e c 6 0 8 7 0 - 6 系列； ( 4 )变电站计算机通信网络和系统i e c 6 1 8 5 0 系列。 它们不但继承了很多已有通信规约的优点，同时结合当今各种新兴通信技术特点，贯彻 了开放式的设计思想以保证强有力的兼容能力。 目前，在变电站内各种通信网络和数据传输规约并存，而统一的国际标准尚未正式颁布。 这中情况下，如何采取一种切实可行的方法实现异种网络互联和集成，并使之将来具有可升 级性，是值得深入研究的问题。 1 4 本文研究的主要内容 本文在分析变电站通信结构的基础上，重点研究和开发了当前较为广泛应用的两种总线 方式：r s 一4 8 5 和c a n 总线系统，针对于实际应用中碰到的问题，提出了一些解决方案。 本文研究的主要内容如下； 本课题组经过近两年的研究，从最初的开发到后期的升级，直至现在趋于成品的研制， 开发了一套基于微机监控的线路保护装置，本文着重研究了其通信的实现，主要工作包括： ( 1 ) 根据厂家的实际需要，采用4 8 5 总线来实现保护装置与微机之间的通信，在设计了硬 件装置的基础上，开发了上位机与下位机的通信软件，实现了c d t 规约。 ( 2 ) 由于产品的升级，在硬件原理不变的基础了，重新编写上位机软件，实现了1 0 3 规约。 ( 3 ) 根据现阶段市场发展行情，提出了在硬件上采用c a n 总线来替代4 8 5 总线的设想。在 适当改变硬件的基础上，采用n a r i 公司的i s a 3 0 0 的通信规约，实现基于多线程的高 效高速通信。 ( 4 ) 在实际设计中。由于上位机软件的一些的缺陷，提出引入a p i 、数据库和多线程的概 念，在不改变硬件的基础上，进一步提高系统的通信速度和准确率。 在实际设计和应用中，碰到了许多软、硬件上的问题，在解决问题过程中，提高了自己 的科研能力，同时积累了设计和编程经验；在对r s 4 8 5 和c a n 总线研究的同时，深刻了 解到了两种总线的优缺点，获得了一些实际开发经验和一些心得，融于本文中，有一定的借 鉴价值。 第7 页 东南大学硕士学位论文 第二章变电站通信的分类及选择 第二章变电站通信的分类及选择 变电站层通信网络是变电站层设备和间隔层设备、间隔层设备之间、以及同一间隔层不 同设备实现数据交互的高速通道。早期的变电站自动化系统变电站层通信网络主要采用位总 线或串行总线技术。由于其本身固有的一些技术缺陷，越来越不能满足变电站自动化技术发 展的需要。随着总线技术的不断成熟，由于其简单易用、组网灵活、可靠性高、开放等优点， 总线技术在变电站内的通信网络中得到了广泛应用。 2 1 变电站通信的几种总线方式 变电站层包括全站性的监控主机、远动通信机等。变电站层设现场总线或局域网，供各 机之间和监控主机与单元层之间交换信息。 在综合自动化系统的管理上，采取分层( 级) 管理的模式，即各保护功能单元由保护管 理机直接管理，一台保护管理机可以以管理3 2 个单元模块。它们之间可以采用双绞线用 r s 4 8 5 接口连接，也可通过现场总线连接；而模拟量和开入开出单元，由数据采集控制 机负责管理。保护管理机和数据采集控制机是处于变电站级和功能单元间的第二层结构。正 常运行时，保护管理机监视各保护单元的工作情况。一旦发现某一单元本身工作不正常，立 即报告监控机，并报告调度中心。如果某一保护单元有保护动作信息，也通过保护管理机， 将保护动作信息送往监控机，再送往调度中心。调度中心或监控机也可通过保护管理机下达 修改保护定值等命令。数据采集控制机则将各数据采集单元所采集的数据和开关状态送给监 控机和送往调度中心，并接受由调度或监控机下达的命令。总之，这第二层管理机的作用是 可明显地减轻监控机的负担，协助监控机承担对单元层的管理。9 ”1 变电站层的监控机或称上位机，通过局部网络与保护管理机和数据采集控制机通信。监 控机的作用，在无人值班的变电站，主要负责与调度中心的通信，在变电站自动化系统具有 r t u 的功能，完成”四遥”的任务；在有人值班的变电站，除了仍然负责与调度中心通信 外，还负责人机联系，使综合自动化系统通过监控机完成当地显示、制表打印、开关操作等 功能。 2 1 1r s - 4 2 2 、r s - 4 8 5 通信方式 r s 一4 2 2 a 标准是一种以平衡方式传输的标准，所谓平衡，是指双端发送和双端接收，所 以，传送信号要用两条线a a 和b b ，发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器， 如图2 - 2 所示。这个标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之闻的电位差值来 决定，当a a ，线与b b 线压差低于_ 2 v 时表示逻辑“1 ”；当a a 线比b b 线压差高于2 v 时 表示逻辑“0 ”。很明显，这种方式和r s 2 3 2 c 采用单端接收器和单端发送器，只用一条信 号线传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“l ” 和0 是不同的。r s - 4 2 2 独立有发送器，平衡连接电缆，电缆终端负载和接收器组成。它 通过平衡发送器把连接电平变换成电位差，完成始端的信息发送；通过差动接收器，把电位 差变成逻辑电平，实现终端的信息接收。r s 4 2 2 由于采用了双线传输，大大增强了抗共模 干扰的能力，因此最大数据速率可达1 0 m b i t s ( 传送距离1 5 m 时) ，若传输速率降到9 0 k b i t s 第8 页 东南大学硕士学位论文 第二章变电站通信的分类及选择 时，则最大传输距离可达1 2 0 0 m 。该标准规定电路中只许有一个发送器，可有多个接收器。 该标准允许驱动器输出为2 v 6 v ，接收器输入电平可以低到2 0 0 m v 。 7 1 平衡发送器 差动接收器 o竺二竺塑一 一 i ，i 争一r r s - 4 8 5 与r s 4 2 2 a 一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和r s - 4 2 2 a 兼容， 并且扩展了r s 4 2 2 a 的功能。r s 4 8 5 电气连接图如图2 - 3 所示。 两者主要差别是，r s 4 2 2 a 为全双工，r s - 4 8 5 为半双工：r s 4 2 2 a 采用两对平衡差分 信号线，r s 4 8 5 只需其中的一对；r s - 4 2 2 a 只允许电路中有一个发送器，而r s - 4 8 5 标准允 许在电路中可有多个发送器，因此，它是一种多发送器的标准。r s 4 8 5 还允许一个发送器 驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元。r s 4 8 5 的共 线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可 挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多 点应用。在r s 4 8 5 互连中，某一时刻两个站中，只有一个站可以发送数据，而另一站只能 接收数据，因此其发送电路必须由使能端加以控制。 r s 4 8 5 标准抗干扰能力强，传输速率高，传输距离远。采用双绞线，不用m o d e m 的情 况下，在1 0 0 k b i f f s 时，可传送的距离为1 2 k i n ，若速率降到9 6 0 0 b i t s ，则传送距离可达1 5 k i n 。 它允许的最大速率可达1 0 m b w s ( 传送1 5 m ) 。r s - 4 8 5 允许平衡电缆上连接3 2 个收发器接 收器对。【8 】 图2 - 3r s 4 8 5 接收平衡电路 目前，在变电站自动化系统中，微机保护、微机监控和其他微机型的自控装置间的通信， 大多数通过r s 4 2 2 r s 4 8 5 通信接口相连，实现监控系统与微机保护和自动装置问的相互 交换数据和状态信息。这与变电站原来的二次系统相比，已有很大的优越性。可节省大量连 接电缆，接线简单、可靠。 第9 页 东南大学硕士学位论文 第二章变电站通信的分类及选择 2 1 2 现场总线通信方式3 l 在变电站自动化系统中，采用r s 4 2 2 r s - 4 8 5 通信接口，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，在变电站规模稍大时，便满足不了综合自动 化系统的要求；其次，采用r s - 4 2 2 4 8 5 通信接口，其通信方式多为查询方式，即由主计算 机询问，保护单元或自控装置应答，通信效率较低，难以满足较高的实时性要求；再者。使 用r s 4 2 2 4 8 5 通信接口，整个通信网上只能有一个主节点对通信进行管理和控制，其余皆 为从节点，受主节点管理和控制，这样主节点便成为系统的瓶颈，一旦主节点出现故障，整 个系统的通信便无法进行；另外对r s - 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。 基于上述原因，国际上在8 0 年代中期就提出了现场总线，并制定了相应的标准。比较 著名的有：德国制定的过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 标准、由现场总线基 金会提出的f f ( f i e l d b u s f u n d a t i o n ) 、美国e c h e l o n 公司推出的l o n w o r k s 局域网络、 德国b o s c h 公司推出的c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线等。 根据国际现场总线基金会f f 的定义，所谓现场总线( f i e l db u s ) 是一种全数字的双向 多站点通信系统。现场总线是基于微机化的智能现场仪表，实现现场仪表与控制系统和控制 室之间的一种全分散、全数字化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信网络。它按国 际标准化组织s o 和开放系统互连o s i 提供了网络服务，可靠性离。稳定性好、抗干扰能 力强、通信速率快、造价低、维护成本低。 现场总线与一般的计算机局域网有些相似之处，但也有不少差别。局域网( l a n ) 适合 于一般作数据处理的计算机网络，而现场总线是作为现场测控网络，要求方便地适应多个输 入输出及各种类型的数据( 突发性数据和周期性数据) 的传输，要求通信的周期性、实时性、 可确定性，并适应工业现场的恶劣环境。 现场总线除了具有l a n 的一些优点外，最主要的是它满足了工业过程控制所要求的现 场设备通信的要求，已提供了互换操作，使不同厂家的设备可互连也可互换，并可统一组态， 使所组成的系统购适应性更广泛。现场总线的开放性，使用户可方便地实现数据共享。 采用具有现场总线的自动化设备有以下几方面明显的优越性： ( 1 )互操作性好。 具有现场总线接口的设备不仅在硬件上标准化，而且在接口软件上也标准化，用户可优 选不同厂家的产品集成为一个比较理想的自动化系统。 ( 2 ) 现场总线的通信网络为开放式网络。 以前，由于不同厂家生产的自动化设备通信协议不同，要实现不同设备间的互连比较困 难。而现场总线为开放式的互连啜络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循， 使用户可以自由组成不同制造商的通信网络，既可与同层网络相连，也可与不同层网络互连， 因此现场总线给综合自动化系统带来更大的适应性。 ( 3 )成本降低。 由于现场总线完全采用数字通信，其控制功能也可下放到现场。由现场总线设备组成的 自动化系统减少了占地面积，简化了控制系统内部的连接，可节约大量的连接电缆，使成 本大大降低。 ( 4 ) 安装、维护、使用方便。 使用现场总线接口技术，无需用很多控制电缆连接各控制单元，只需将各个设备挂接在 总线上，这样就显著减少了连接电缆，使安装更方便，抗干扰能力更强。 ( 5 )系统配置灵活，可扩展性好。 第1 0 页 东南大学硕士学位论文第二章变电站通信的分类及选择 2 1 3 以太网通信方式 以太网( e t h e r a e t ) 采用总线拓扑结构，同轴电缆或双绞线为传输媒介，采用i e e e 8 0 2 3 标准。媒体访问方式为载波监听多路访问肿突检测( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o n d e t e c t ，c s m a c d ) 方式，不支持带优先级的实时访问。这种网络有很多商业化的 网络产品，有如下许多突出的优点： ( 1 ) 可靠性高。 由于采用总线型的网络拓扑结构，不像环形网那样中间任一节点失效便对全网造成危 害，因而可靠性较高。 ( 2 3 灵活性好。 网上增、减节点非常方便，任一节点的退出不会影响其他节点的正常通信。 ( 3 ) 传输速率高，传输速率可达1 0 b 1 0 0 m b p s 。 ( 4 ) 软、硬件支持件好。 硬件上有许多阻太网控制芯片，软件上有w m d o w s 、u n i x 等均支持以太网。 ( 5 )实时性好。 虽然c s