（电气工程专业论文）基于can总线的变电站综合自动化系统研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 ab s t r a c t wi t h t h e r a p i d l y d e v e l o p me n t o f t h e n a t i o n a l e c o n o m i c a n d e l e c t r i c p o w e r i n d u s t r y , i t r e q u i r e s h i g h e r a n d h i g h e r l e v e l o f a u t o m a t i o n a n d i n f o r m a t i o n i n p o w e r s y s t e m . a s a n i m p o r t a n t a n d b a s i c p a r t o f t h e p o w e r g r i d , t h e s u b s t a t i o n w i l l p u t g r e a t e f f e c t i o n o n t h e s a f t y a n d s t a b i l i t y o f t h e p o w e r s y s t e m . t h e s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t o b e a n i m p o r t a n t f i g u r e o f t h e a u t o ma t i o n l e v e l o f a p o w e r e n t e r p r i s e w h i l e g e t t i n g r a p i d l y d e v e l o p m e n t a n d w i d e l y a p p l i c a t i o n . t h e s a f t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e c o m m u c a t i o n n e t w o r k i s e s s e n t i a l t o t h e s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m. t h e a u t h o r s t u d i e s t h e s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n s y s t e m b a s e d o n can b u s . t h i s p a p e r d i s c u s s e s a b o u t t h e c o n t e n t s , t h e d e v e l o p me n t a n d t h e d e s i g n a t i o n t e c h n o l o g y o f t h e s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m; a n a l y s e t h e s t r u c t u r e , t h e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k a n d t h e p r o t o c o l s . t h e d e v e l o p m e n t , t h e f u n c t i o n s a n d t h e f e a t u r e s o f t h e f i e l d b u s u s e d i n s u b s t a t i o n a u t o ma t i o n s y s t e m a r e a l s o d i s c u s s e d . a f t e r t h e a n a l a s y o f t h e m o d e l , t h e c h a r a c t e r i s t i c s , t h e w o r k i n g p r i n c i p k e a n d t h e me s s a g e s t r a n f e r i n g o f t h e c a n b u s , t h e h a r d w a r e a n d s o f t wa r e o f t h e c a n b u s i n t e r f a c e , a l s o w i t h t h e a r c h i t e c t u r e a n d t h e c l a s s i f i c a t i o n o f can u n i t o f t h e s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m, a r e g i v e n . a s t h e a p p l i c a t i o n p r o t o c o l i s n o t d e f i n e d i n c a n s p e c i f i c a t i o n , t o m e e t t h e d e m a n d s o f t h e c o m m u n i c a t i o n i n s u b s t a t i o n , t h e p r o t o c o l u s e d f o r c o mmu n i c a t i o n b e t we e n t h e can u n i t a n d t h e mo n i t o r i s e s t a b l i s h e d i n t h i s p a p e r , w h i c h d e f i n e d t h e m e s s a g e s s t r u c t u r e , t h e c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s a n d t h e f u n c t i o n c o d e s o f d i f f e r e n t m e s s a g e s . a n e x a mp l e a b o u t t h e a p p l i c a t i o n o f t h e i s a 3 0 0 s y s t e m i n 1 1 0 k v a n b e i s u b s t a t i o n i s i n t r o d u c e d b y r u n n i n g o f s y s t e m , i t i s p r o v e d t h a t s t a b i l i t y a n d r e a l - t i m e a n d p r e c i s i o n o f u n i t s b a s e d o n c a n f i e l d b u s a r e s a t i s f i e d t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f t h e s u b s t a t i o n . t h e e r r o r - d e l a y i n g a n d d a t a - s w i t c h i n g a n d s y s t e m - m a n a g i n g a n d a n t i 一 a m m i n g o f c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n c a n f i e l d b u s i n s t r u m e n t s a r e b e t t e r t h a n t h e s y s t e m b a s e d o n t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s . c a n b u s i s a n i d e a l s o l u t i o n o f b a y c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k i n s u b s t a t i o n ke y w o r d s : f i e l d b u s ; c a n b u s ; s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 “ :库粼乞 日 期 : /月3 a 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打 “j ) 作者签名:看 铆 髻 i 4 ,1 日期: ,? - o 年 导师签名:日期: i t 月 3 。 日 /月品 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1变电站综合自动化的意义 变电站综合 自动化是当今电网调度 自动化领域的热门课题，其发展势 头正方兴未艾 。变 电站综合 自动化技术得 到了进一步的发展和应用 ，许多 新建、扩建的变电站采用综合 自动化技术，取消了常规的 r t u，将保护设 备和测控单元下放，简化了二次回路，对提高整个变电站的运行控制和管 理水平具有重要意义【 u。 据统计， 全国9 0 %以上继电保护装置采用了微机 保护 2 1 r 2 0 0 3 年正确动作率为9 9 . 8 7 %， 比2 0 0 2 年提高了0 . 0 1 各百分点 3 1 变电站采用综合自 动化， 其优越性4 1 体现在: 1 . 提高供电质量，提高电压合格率。 2 . 提高变电站的安全、可靠运行水平。 3 . 提高电力系统的运行、管理水平。 4缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。 5 . 减少工作维护量，减少值班员劳动，实现减人增效。 1 . 2变电站综合自动化的内容 变电站综合 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、现代电子计术、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。变电站综合自动化系统，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，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，改变常规的继电保护装置不 能与外界通信的缺陷。因此，变电站综合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。变电站综合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运行和操作。变电站综合自 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 4 1 1 . 3变电站综合自动化的现状和发展趋势 变电站自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国外在 八十年代己有分散式变电站自动化系统问世，以西门子( s i e me n s ) 公司为例，该 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1变电站综合自动化的意义 变电站综合 自动化是当今电网调度 自动化领域的热门课题，其发展势 头正方兴未艾 。变 电站综合 自动化技术得 到了进一步的发展和应用 ，许多 新建、扩建的变电站采用综合 自动化技术，取消了常规的 r t u，将保护设 备和测控单元下放，简化了二次回路，对提高整个变电站的运行控制和管 理水平具有重要意义【 u。 据统计， 全国9 0 %以上继电保护装置采用了微机 保护 2 1 r 2 0 0 3 年正确动作率为9 9 . 8 7 %， 比2 0 0 2 年提高了0 . 0 1 各百分点 3 1 变电站采用综合自 动化， 其优越性4 1 体现在: 1 . 提高供电质量，提高电压合格率。 2 . 提高变电站的安全、可靠运行水平。 3 . 提高电力系统的运行、管理水平。 4缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。 5 . 减少工作维护量，减少值班员劳动，实现减人增效。 1 . 2变电站综合自动化的内容 变电站综合 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、现代电子计术、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。变电站综合自动化系统，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，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，改变常规的继电保护装置不 能与外界通信的缺陷。因此，变电站综合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。变电站综合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运行和操作。变电站综合自 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 4 1 1 . 3变电站综合自动化的现状和发展趋势 变电站自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国外在 八十年代己有分散式变电站自动化系统问世，以西门子( s i e me n s ) 公司为例，该 华南理工大学硕士学位论文 公司第1 套全分散式变电站自 动化系统l s a 6 7 8 早在1 9 8 5 年就在德国汉诺威投入 运行， 至1 9 9 3 年初己有3 0 0 多套系统在德国及欧洲的各种电压等级的变电站运行。 我国的变电站自 动化工作起步较晚，大约从九十年代开始，初始阶段主要研制和 生产集中式的变电站自 动化系统， 例d i s a -1 型， b j -1 型， i e s - 6 0 型， x wj k -1 0 0 0 a 型，f d -9 7等.九十年代中期开始研制分散式变电站自动化系统，如 d i s a一2 型，d i s a一3 型，b j 一f 3 , c s c 一2 0 0 0型，d c a p 3 2 0 0 型，f d k型等， 与国外先进水平相比，大约有十年的差距。许多高校、科研单位、制造厂家以及 规划设计、基建和运行部门在学习和借鉴国外先进技术的同时，正结合我国的实 际情况共同努力继续开发更加符合我国国情的变电站自 动化系统。可以预计，今 后其发展和推广的速度会越来越快，与国外的差距会逐步缩小。 近年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给变电站综合自动化 技术水平的提高， 注入了新的活力。 1 6 位、 3 2 位单片机及p e n t i u m微处理器的问 世，活跃了计算机市场;网络技术、现场总线等的出现，给广大科技工作者创造 了大显才能的条件。 从目 前发展趋势看，变电 站综合自 动化的发展趋势是(5 - 6 1 . i 、分层分布成为潮流。 2 、站级层中当地监控功能将随着无人值班而消失，其功能将会出现在小区 中心值班站或调度所，相应地远动功能将进一步增强。 3 、网络层技术特别是现场网将进一步发展。 4 、就地层设备功能的相互渗透、安装的就地化、工艺的提高、使用的方便 性将会进一步深化。 5 、远动规约、现场设备的规约进一步扩充和规范。 6 、远方继电保护进一步发展。 7 、向其他相关领域技术渗透。 1 . 4变电站综合自动化系统的设计技术 为了达到变电站综合自 动化的总目 标，自 动化系统应满足以下要求 4 ) . 1 、变电站综合自 动化系统应能全面代替常规的二次设备。 2 、变电站的微机保护的软硬件装置既要与监控系统相对独立，又要相互协 调。 3 ,微机保护装置应具有串行接口或现场总线接口，向计算机监控系统或 r t u提供保护动作信息或保护定植等信息。 4 、变电站综合自 动化系统的功能和配置，应满足无人值班的总体要求。 5 、要有可靠先进的通信网络和合理的通信协议。 华南理工大学硕士学位论文 公司第1 套全分散式变电站自 动化系统l s a 6 7 8 早在1 9 8 5 年就在德国汉诺威投入 运行， 至1 9 9 3 年初己有3 0 0 多套系统在德国及欧洲的各种电压等级的变电站运行。 我国的变电站自 动化工作起步较晚，大约从九十年代开始，初始阶段主要研制和 生产集中式的变电站自 动化系统， 例d i s a -1 型， b j -1 型， i e s - 6 0 型， x wj k -1 0 0 0 a 型，f d -9 7等.九十年代中期开始研制分散式变电站自动化系统，如 d i s a一2 型，d i s a一3 型，b j 一f 3 , c s c 一2 0 0 0型，d c a p 3 2 0 0 型，f d k型等， 与国外先进水平相比，大约有十年的差距。许多高校、科研单位、制造厂家以及 规划设计、基建和运行部门在学习和借鉴国外先进技术的同时，正结合我国的实 际情况共同努力继续开发更加符合我国国情的变电站自 动化系统。可以预计，今 后其发展和推广的速度会越来越快，与国外的差距会逐步缩小。 近年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给变电站综合自动化 技术水平的提高， 注入了新的活力。 1 6 位、 3 2 位单片机及p e n t i u m微处理器的问 世，活跃了计算机市场;网络技术、现场总线等的出现，给广大科技工作者创造 了大显才能的条件。 从目 前发展趋势看，变电 站综合自 动化的发展趋势是(5 - 6 1 . i 、分层分布成为潮流。 2 、站级层中当地监控功能将随着无人值班而消失，其功能将会出现在小区 中心值班站或调度所，相应地远动功能将进一步增强。 3 、网络层技术特别是现场网将进一步发展。 4 、就地层设备功能的相互渗透、安装的就地化、工艺的提高、使用的方便 性将会进一步深化。 5 、远动规约、现场设备的规约进一步扩充和规范。 6 、远方继电保护进一步发展。 7 、向其他相关领域技术渗透。 1 . 4变电站综合自动化系统的设计技术 为了达到变电站综合自 动化的总目 标，自 动化系统应满足以下要求 4 ) . 1 、变电站综合自 动化系统应能全面代替常规的二次设备。 2 、变电站的微机保护的软硬件装置既要与监控系统相对独立，又要相互协 调。 3 ,微机保护装置应具有串行接口或现场总线接口，向计算机监控系统或 r t u提供保护动作信息或保护定植等信息。 4 、变电站综合自 动化系统的功能和配置，应满足无人值班的总体要求。 5 、要有可靠先进的通信网络和合理的通信协议。 第一章 绪论 6 、必须保证综合自 动化系统具有高的可靠性和强的抗干扰能力。 7 、系统的扩展性和适应性要好。 8 、系统的标准化程度和开放性能要好。 9 、必须充分利用数字化通信的优势，实现数据共享。 1 0 、变电站综合自动化系统的研究与开发工作， 必须统一规划， 统一指挥。 1 . 5本文的研究内容 本论文的研究来源于潮州市 1 1 0 k v安北变电站工程项 目， 针对系统中应用的 c a n总线技术进行了做了以下工作: 1 . 论述了变电站综合自动化的内容、发展趋势和设计技术。重点讨论了变电 站综合自动化系统的结构模型及其特点。 2 . 分析了变电站综合自动化系统常用的数据通信网络和通信规约，对应用广 泛的现场总线技术及其在变电站综合自动化系统的应用进行深入探讨。 3 . 对 c a n现场总线技术规范、工作原理、可靠性进行分析论述，并与其他通 信方案进行比较。 4 .研究设计了基于c a n总线的变电站综合自动化系统，分析了c a n节点的 分类和功能特点。探讨了c a n节点的硬件和软件设计方案。 5 . 研究制定了基于c a n总线的保护测控通信规约，定义了帧结构， 规定了通 信进程和报文格式。 6 . 介绍了i s a 3 0 0 系统的实际应用，对应用情况进行总结。 第一章 绪论 6 、必须保证综合自 动化系统具有高的可靠性和强的抗干扰能力。 7 、系统的扩展性和适应性要好。 8 、系统的标准化程度和开放性能要好。 9 、必须充分利用数字化通信的优势，实现数据共享。 1 0 、变电站综合自动化系统的研究与开发工作， 必须统一规划， 统一指挥。 1 . 5本文的研究内容 本论文的研究来源于潮州市 1 1 0 k v安北变电站工程项 目， 针对系统中应用的 c a n总线技术进行了做了以下工作: 1 . 论述了变电站综合自动化的内容、发展趋势和设计技术。重点讨论了变电 站综合自动化系统的结构模型及其特点。 2 . 分析了变电站综合自动化系统常用的数据通信网络和通信规约，对应用广 泛的现场总线技术及其在变电站综合自动化系统的应用进行深入探讨。 3 . 对 c a n现场总线技术规范、工作原理、可靠性进行分析论述，并与其他通 信方案进行比较。 4 .研究设计了基于c a n总线的变电站综合自动化系统，分析了c a n节点的 分类和功能特点。探讨了c a n节点的硬件和软件设计方案。 5 . 研究制定了基于c a n总线的保护测控通信规约，定义了帧结构， 规定了通 信进程和报文格式。 6 . 介绍了i s a 3 0 0 系统的实际应用，对应用情况进行总结。 华南理工大学硕士学位论文 第二章 变电站综合自动化系统的总体结构 2 . ，变电站综合自动化系统的体系结构 变电站综合自动化系统体系结构按设计思想可分为集中式、分布式和分层分 布式;按安装物理位置分则可分为集中组屏、分层组屏和分散再一次设备间隔安 装 的 形 式 rn 2 . 1 . 1集中式结构 集中式的变电站综合自动化系统结构按信息类型划分功能。采用这种结构的 系统其功能模块与硬件无关，各功能模块的连接通过模块化软件实现，信息是集 中采集、处理和运算的。受计算机硬件水平的限制，该结构在早期自动化系统中 应用较多，图 1 - 1 是一种较典型的集中式结构。此类结构对监控主机的性能要求 较高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性方 面较差，抗干扰能力不强。 护衰 份电 釜 华 vik 蟹 图 2 - 1集中式结构 f i g . 2 - 1 c e n t r a l i z e d s t r u c t u r e o f i n t e g r a t e d s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m 2 . 1 . 2分布式结构 分布式结构则按功能设计，如按保护和监控等功能划分单元，分布实施。其 结构采用主从计算机协同工作方式，各功能模块如智能电子设备( i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i c d e v i c e , i d e ) 之间采用网 络技术或串行方式实现数据通信。 分布式结构 有利于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其他模块运行。安装方 式有集中组屏和分层组屏两种方式，较适合于中低压变电站。系统结构如图 2 - 2 所示。 华南理工大学硕士学位论文 第二章 变电站综合自动化系统的总体结构 2 . ，变电站综合自动化系统的体系结构 变电站综合自动化系统体系结构按设计思想可分为集中式、分布式和分层分 布式;按安装物理位置分则可分为集中组屏、分层组屏和分散再一次设备间隔安 装 的 形 式 rn 2 . 1 . 1集中式结构 集中式的变电站综合自动化系统结构按信息类型划分功能。采用这种结构的 系统其功能模块与硬件无关，各功能模块的连接通过模块化软件实现，信息是集 中采集、处理和运算的。受计算机硬件水平的限制，该结构在早期自动化系统中 应用较多，图 1 - 1 是一种较典型的集中式结构。此类结构对监控主机的性能要求 较高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性方 面较差，抗干扰能力不强。 护衰 份电 釜 华 vik 蟹 图 2 - 1集中式结构 f i g . 2 - 1 c e n t r a l i z e d s t r u c t u r e o f i n t e g r a t e d s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m 2 . 1 . 2分布式结构 分布式结构则按功能设计，如按保护和监控等功能划分单元，分布实施。其 结构采用主从计算机协同工作方式，各功能模块如智能电子设备( i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i c d e v i c e , i d e ) 之间采用网 络技术或串行方式实现数据通信。 分布式结构 有利于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其他模块运行。安装方 式有集中组屏和分层组屏两种方式，较适合于中低压变电站。系统结构如图 2 - 2 所示。 第二章 变电站综合自动化系统的总体结构 人执 界面 * v 提 r 爹 盒检主拢 两度中心 图2 - 2分布式结构 f i g . 2 - 2 d i s t r i b u t e d s t r u c t u r e o f i n t e g r a t e d s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m 单元门暇i单元门吸. 间旧i 间吸. 图2 - 3分层分布式结构 f i g . 2 - 3 d i s p e r s e d - d i s t r i b u t e d s t r u c t u r e o f i n t e g r a t e d s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m 2 . 1 . 3分层分布式结构 分层分布式结构采用面向对象设计。所谓面向对象，就是面向电气一次回路 设备或电气间隔设备，间隔层中数据采集、控制单元 ( i / o单元)和保护单元就 地分散安装在开关柜上或其他设备附近， 相互间通过网络相连， 与监控主机通信。 目 前，此种在自 动化系统中较为流行，主要原因是: 1 . 现在的i d e设备大多是按面向对象设计的，如专门的线路单元、主变保护 单元、小电流接地单元等，虽然有将所有保护功能综合为一体的趋势，但具体在 保护安装接线中仍是面向对象的; 2 . 利用了现场总线的技术优势，省去了大量的二次接线，控制设备之间仅通 第二章 变电站综合自动化系统的总体结构 人执 界面 * v 提 r 爹 盒检主拢 两度中心 图2 - 2分布式结构 f i g . 2 - 2 d i s t r i b u t e d s t r u c t u r e o f i n t e g r a t e d s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m 单元门暇i单元门吸. 间旧i 间吸. 图2 - 3分层分布式结构 f i g . 2 - 3 d i s p e r s e d - d i s t r i b u t e d s t r u c t u r e o f i n t e g r a t e d s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m 2 . 1 . 3分层分布式结构 分层分布式结构采用面向对象设计。所谓面向对象，就是面向电气一次回路 设备或电气间隔设备，间隔层中数据采集、控制单元 ( i / o单元)和保护单元就 地分散安装在开关柜上或其他设备附近， 相互间通过网络相连， 与监控主机通信。 目 前，此种在自 动化系统中较为流行，主要原因是: 1 . 现在的i d e设备大多是按面向对象设计的，如专门的线路单元、主变保护 单元、小电流接地单元等，虽然有将所有保护功能综合为一体的趋势，但具体在 保护安装接线中仍是面向对象的; 2 . 利用了现场总线的技术优势，省去了大量的二次接线，控制设备之间仅通 华南理工大学硕士学位论文 过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成本低， 运行维护方便; 3 . 系统装置及网络鲁棒性强，不依赖于通信网和主机，主机或 i 台i d e设备 损坏并不影响其他设备的正常工作， 运行可靠性有保证。 系统结构如图2 - 3 所示。 系统结构的特点是功能分散，管理集中。分层分布有两层含义:其一对于中 低压电压等级， 无论是i / o单元还是保护单元都可以安装在相应间隔的开关柜上， 形成地理上的分散分布;其二， 对于 i i o k v以上的电压等级，即使无法把间隔单 元装在相应的开关柜上， 也应集中组屏， 在屏柜上明确区分相应间隔对应的单元， 在物理结构上相互独立，以方便各间隔单元相应的操作和维护。 2 . 2变电站综合自动化系统的通信网络 变电站综合自动化系统实质上是由多台微机组成的分级分布式的控制系统， 包括微机控制、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统，在综合自动化系统 内部，必须通过数据通信网络，实现各子系统内部和子系统间的信息交换和信息 共享，以减少变电站二次设备的重复配置和简化各子系统之间的互连。同时，作 为电网调度自动化的基础和组成部分，变电站综合自动化系统中采集的测量信息 和各断路器、隔离开关和继电保护动作信息等必须传送给调度中心。综合自 动化 系统中的故障信息也要及时上报控制中心，要能接受和执行控制中心下达的各种 操作和调控命令4 变电站通信网络是变电站自动化系统的关键组成部分，它是变电站自动化系 统各种信息的传输通道，通信网络的性能直接影响着变电站自动化系统的整体性 能。 变电站综合自动化系统通信网络要求有快速的实时相应能力， 很高的可靠性， 优良的电磁兼容性能并支持分层式的结构。 目前常用的通信网络有串行总线网、现场总线和以太网等方式。 2 .2 . 1串行总线网 早期的变电站自 动化系统中，广泛采用串行通信技术来实现站内通信，在工 程实践中暴露出一下问题: 1 . 通信 速率低，一 般不超过9 .6 k b p s ， 在需实时传送大量数据时力不从心。 2 . 在采用星形拓扑结构时系统站点和功能的扩展困难。 3 . 若使用总线形拓扑结构，由于不能实现平衡传输，不能实现多主站共享网 络资源， 只能运行p o l l i n g 规约，开销大， 效率低。 4只能在通信网中设置一个主机， 因而不能享有多主机带来的各种优越性能。 5 . 由于性能低下，要实现完整的功能，通信网的规模和复杂性令人生畏。随 华南理工大学硕士学位论文 过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成本低， 运行维护方便; 3 . 系统装置及网络鲁棒性强，不依赖于通信网和主机，主机或 i 台i d e设备 损坏并不影响其他设备的正常工作， 运行可靠性有保证。 系统结构如图2 - 3 所示。 系统结构的特点是功能分散，管理集中。分层分布有两层含义:其一对于中 低压电压等级， 无论是i / o单元还是保护单元都可以安装在相应间隔的开关柜上， 形成地理上的分散分布;其二， 对于 i i o k v以上的电压等级，即使无法把间隔单 元装在相应的开关柜上， 也应集中组屏， 在屏柜上明确区分相应间隔对应的单元， 在物理结构上相互独立，以方便各间隔单元相应的操作和维护。 2 . 2变电站综合自动化系统的通信网络 变电站综合自动化系统实质上是由多台微机组成的分级分布式的控制系统， 包括微机控制、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统，在综合自动化系统 内部，必须通过数据通信网络，实现各子系统内部和子系统间的信息交换和信息 共享，以减少变电站二次设备的重复配置和简化各子系统之间的互连。同时，作 为电网调度自动化的基础和组成部分，变电站综合自动化系统中采集的测量信息 和各断路器、隔离开关和继电保护动作信息等必须传送给调度中心。综合自 动化 系统中的故障信息也要及时上报控制中心，要能接受和执行控制中心下达的各种 操作和调控命令4 变电站通信网络是变电站自动化系统的关键组成部分，它是变电站自动化系 统各种信息的传输通道，通信网络的性能直接影响着变电站自动化系统的整体性 能。 变电站综合自动化系统通信网络要求有快速的实时相应能力， 很高的可靠性， 优良的电磁兼容性能并支持分层式的结构。 目前常用的通信网络有串行总线网、现场总线和以太网等方式。 2 .2 . 1串行总线网 早期的变电站自 动化系统中，广泛采用串行通信技术来实现站内通信，在工 程实践中暴露出一下问题: 1 . 通信 速率低，一 般不超过9 .6 k b p s ， 在需实时传送大量数据时力不从心。 2 . 在采用星形拓扑结构时系统站点和功能的扩展困难。 3 . 若使用总线形拓扑结构，由于不能实现平衡传输，不能实现多主站共享网 络资源， 只能运行p o l l i n g 规约，开销大， 效率低。 4只能在通信网中设置一个主机， 因而不能享有多主机带来的各种优越性能。 5 . 由于性能低下，要实现完整的功能，通信网的规模和复杂性令人生畏。随 华南理工大学硕士学位论文 过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成本低， 运行维护方便; 3 . 系统装置及网络鲁棒性强，不依赖于通信网和主机，主机或 i 台i d e设备 损坏并不影响其他设备的正常工作， 运行可靠性有保证。 系统结构如图2 - 3 所示。 系统结构的特点是功能分散，管理集中。分层分布有两层含义:其一对于中 低压电压等级， 无论是i / o单元还是保护单元都可以安装在相应间隔的开关柜上， 形成地理上的分散分布;其二， 对于 i i o k v以上的电压等级，即使无法把间隔单 元装在相应的开关柜上， 也应集中组屏， 在屏柜上明确区分相应间隔对应的单元， 在物理结构上相互独立，以方便各间隔单元相应的操作和维护。 2 . 2变电站综合自动化系统的通信网络 变电站综合自动化系统实质上是由多台微机组成的分级分布式的控制系统， 包括微机控制、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统，在综合自动化系统 内部，必须通过数据通信网络，实现各子系统内部和子系统间的信息交换和信息 共享，以减少变电站二次设备的重复配置和简化各子系统之间的互连。同时，作 为电网调度自动化的基础和组成部分，变电站综合自动化系统中采集的测量信息 和各断路器、隔离开关和继电保护动作信息等必须传送给调度中心。综合自 动化 系统中的故障信息也要及时上报控制中心，要能接受和执行控制中心下达的各种 操作和调控命令4 变电站通信网络是变电站自动化系统的关键组成部分，它是变电站自动化系 统各种信息的传输通道，通信网络的性能直接影响着变电站自动化系统的整体性 能。 变电站综合自动化系统通信网络要求有快速的实时相应能力， 很高的可靠性， 优良的电磁兼容性能并支持分层式的结构。 目前常用的通信网络有串行总线网、现场总线和以太网等方式。 2 .2 . 1串行总线网 早期的变电站自 动化系统中，广泛采用串行通信技术来实现站内通信，在工 程实践中暴露出一下问题: 1 . 通信 速率低，一 般不超过9 .6 k b p s ， 在需实时传送大量数据时力不从心。 2 . 在采用星形拓扑结构时系统站点和功能的扩展困难。 3 . 若使用总线形拓扑结构，由于不能实现平衡传输，不能实现多主站共享网 络资源， 只能运行p o l l i n g 规约，开销大， 效率低。 4只能在通信网中设置一个主机， 因而不能享有多主机带来的各种优越性能。 5 . 由于性能低下，要实现完整的功能，通信网的规模和复杂性令人生畏。随 第二章 变电站综合自动化系统的总体结构 着用户对变电站自动化系统功能和性能不断提出新的需要，串行通信技术己经不 能满足要求，各厂商便把目光转向现场总线技术。 2 .2 . 2现场总线技术 2 . 2 . 2 . 1现场总线的技术特点 由于基于网络的现场总线无论在通信速率和实时性，可靠性和组网的灵活性 上均高于简单的串行通信技术，在很短时间内便成为变电站综合自动化系统的主 流通信技术。 现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一 个现场总线系统可以看成是一个由数字通信设备和监测监控设备组成的分布式系 统。实际上，现场总线就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个 智能化设备。 现场总线由网络通信、功能模块、 对象字典和设备描述、网络管理、 系统管理等部分组成。 现场总线技术是3 c 技术 ( c o m p u t e r , c o n t r o l , c o m m u n i c a t i o n ) 从控制层发 展到工业设备现场的技术结果， 现场总线技术的 特点如下 8 1 , 1 .全数字化通信 传统集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 是“ 半 数字” 系统，许多i / o模板接收或送出4 -2 0 m a模拟信号，而现场总线控制系统 f c s ( f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) 是一个“ 纯数字” 系统， 信号传输实现全数字化， 提高了信号的可靠性，准确性，实现了检错、纠错功能。 2 . 可互操作性和互用性 可互操作是指实现互联设备间、 系统间的信息传送和 沟通，而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换。 3 完全的分散性 d c s是一个“ 半分散式” 系统，它是采用一个或多个“ 控制单 元” 对多回路进行控制， 其控制部分分散到一些控制板上， 每个控制板上又有多个 回路。 现场总线则采用的是完全分散体系，它的控制单元全部分散到现场，控制回 路由现场设备实现，在现场总线中又同时允许在控制室中用数字通信的方式进行 操作与调整。 2 . 2 . 2 . 2当前的现场总线标准和产品 现场总线技术是从 8 0年代后期诞生的网络通信技术，经历十几年左右的发 展，国际上出现了几个有代表性的现场总线标准和几个系列产品， 较流行的有ib l 1 .签金会现场总线( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断 的竟争，到 1 9 9 4年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o ,横河、a b b 、西门子等 8 0家公司制订的i s p协议;另 一个以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲 1 5 0 家公司制订的w o r l d f i p 协议。这两 第二章 变电站综合自动化系统的总体结构 着用户对变电站自动化系统功能和性能不断提出新的需要，串行通信技术己经不 能满足要求，各厂商便把目光转向现场总线技术。 2 .2 . 2现场总线技术 2 . 2 . 2 . 1现场总线的技术特点 由于基于网络的现场总线无论在通信速率和实时性，可靠性和组网的灵活性 上均高于简单的串行通信技术，在很短时间内便成为变电站综合自动化系统的主 流通信技术。 现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一 个现场总线系统可以看成是一个由数字通信设备和监测监控设备组成的分布式系 统。实际上，现场总线就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个 智能化设备。 现场总线由网络通信、功能模块、 对象字典和设备描述、网络管理、 系统管理等部分组成。 现场总线技术是3 c 技术 ( c o m p u t e r , c o n t r o l , c o m m u n i c a t i o n ) 从控制层发 展到工业设备现场的技术结果， 现场总线技术的 特点如下 8 1 , 1 .全数字化通信 传统集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 是“ 半 数字” 系统，许多i / o模板接收或送出4 -2 0 m a模拟信号，而现场总线控制系统 f c s ( f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) 是一个“ 纯数字” 系统， 信号传输实现全数字化， 提高了信号的可靠性，准确性，实现了检错、纠错功能。 2 . 可互操作性和互用性 可互操作是指实现互联设备间、 系统间的信息传送和 沟通，而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换。 3 完全的分散性 d c s是一个“ 半分散式” 系统，它是采用一个或多个“ 控制单 元” 对多回路