变电站通信论文

1、摘要 介绍了变电站自动化系统中通信网络的作用、通信网络的性能要求、网络的结构模式和网络通信体系及报文分类，主要探讨了分式变电站自动化系统通信网络方案选择和设计过程中需要遵循的原则给出了电压等级和复杂程度不同的变电站自动化系统通信网络的具体方案。随着计算机技术和通信技术的发展，尤其是网络技术的应用， 变电站自动化系统在通信技术的推动下发展成为典型的分层分布式结构。该结构一般分为3层:变电站层、间隔层和过程层。其中, 过程层包含变电站内的生产过程设施, 如变压器、断路器及其辅助接点、电流和电压互感器等,主要负责现场数据采集、提供I /O 接口等间隔层包含测量和控制单元, 负责该单元线路或变压器的参

2、数测量和监控,断路器的控制和连锁等。变电站层包含全站性的监控主机,通信及控制主机, 实现管理等功能的工程师站。电站自动化系统的通信任务一方面是实现站内通信功能, 完成对全站一、二次设备和装置运行情况的数据信息采集和控制命令的传输;另一方面完成与上级调度或集控中心的通信, 向上传送变电站运行的实时信息, 接收和执行上级下达的控制命令。由于数据通信的重要性, 可靠的通信成为系统的技术核心网络的故障和非正常工作会影响整个系统的运行。因此,变电站自动化系统的通信系统必须保证很高的可靠性。 关键字：变电站自动化,通信技术,嵌入式以太网目录摘要11.1 通信在变电站综合自动化系统的作用31.2 通信网络的

3、性能要求及结构模式31.3周期性通信51.4通信控制器模式61.5 通信网络方案选择71.6变电站通信网络91.6.1高速以太网91.6.2 CAN总线111.6.3 LonWorks网络111.7 RS-422/485总线12参考文献：161.1 通信在变电站综合自动化系统的作用通信技术的发展使变电站自动化系统较以往控制模式产生了巨大的变化，由早期集中式微机控制系统发展为分层分布式的系统结构，从而达到：（1）实现变电站无人值班或少人值班。（2）不仅完成变电站遥控、遥调、遥信、遥测的功能，而且主站可以通过通道传送图像信号，实现遥视功能。（3）数据传输更快，实时性更强。（4）系统工作可靠性高，间

4、隔层与变电站层只通过通信网连接，任一层设备故障，不影响其它设备正常运行。（5）灵活性高，网上增加或减少触点非常方便。由于数据通信在变电站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，使变电站综合自动化系统内的数据网络具有以下特点和要求：（1）快速的实时响应能力。变电站综合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，因此网络必须很好地保证数据通信的实时性。（2）很高的抗干扰性能及可靠性。变电站内通信环境恶劣，干扰严重，而电力系统通信网络的故障和非正常工作会影

5、响整个变电站综合自动化系统的运行，因此，变电站综合自动化系统得通信子系统必须保证很高的可靠性。1.2 通信网络的性能要求及结构模式通信网络的性能要求及结构模式变电站自动化系统通信网络是影响整个系统性能的重要因素。变电站自动化系统。对内部信息数据传输的实时性、可靠性要求很高；另外，由于分期建设、设备改造、功能升级等原因，通信网络还必须具备很好的兼容性、开放性和灵活性。在1997年8月国际大电网会议上，WG34.03工作组提出了变电站站内通信网络传输的时间要求：(1)设备层和间隔层之间、间隔层内各设备之间、间隔层各间隔单元之间为100ms；(2)间隔层和变电站层之间为10000ms；(3)变电站层

6、各设备之间、变电站和控制中心之间为1000ms；(4)各层之间的数据流峰值为：设备层和间隔层之间数据流大概为250 kb/s，取决于模拟量的采样速度，间隔层各单元之间数据流约为60 kb/s或130 kb/s，取决于是否采用分布母线保护；间隔层和变电站层之间及其他链路之间数据流大概在100 kb/s及以下。长期以来变电站自动化的通信较多地采用串行总线，近年来现场总线在变电站自动化通信中的应用取得了巨大的成功。变电站自动化系统的通信网络结构一般是基于以太网总线的分层的拓扑结构，通信技术主要有RS-422/485、CAN总线、LonWorks网、以太网等。随着计算机和通信技术的进步，系统网络化和体

7、系开放性成为发展的趋势，以太网技术正被引入变电站自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基于以太网的分层式变电站自动化通信网络系统，尤其是嵌入式以太网技术在电力系统中的应用越来越广泛。3网络通信体系及报文分类IEC TC57 按照变电站自动化系统所要完成的测量、控制和保护三大功能从逻辑上将系统分为3层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了9 种逻辑接口。如下图1所示：用于过程层和间隔层之间通信，用于间隔层内部及与变电站层的通信，是间隔层之间通信。对于网络结构，决不是短期内就可以实现的，它需要电力一次、二次设备生产商共同努力才能实现。针对目前的情况，一次设备的智能化虽然已

8、有学者开展研究，但还没有带网络接口的产品出现，所以建议采用两种渐进的方式，首先过程层仍采用硬线连接，而间隔和厂站采用以太网通信，另外可在一次设备和二次设备之间加入智能I/O 单元，来实现接口 。定义了7 种类型报文，即：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文。通过分析和研究，从时域的角度，把上述变电站自动化系统中7种类型的报文分为3 种类型通信：周期性通信、随机性通信、突发性通信。1.3周期性通信周期性通信原始数据报文属于周期性通信，主要是过程层通过接口，周期性地向间隔层传递过程采样数据。根据设定采样率的不同，传输一般要求在3ms 或10

9、ms 内完成。（2）随机性通信低速报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文属于随机性通信，这类通信一般符合负指数分布，传送报文的数据量大，但时间稍宽松。（3）突发性通信快速报文、中速报文属于突发性通信，报文数量少，但时限要求高。1.4通信控制器模式 通信控制器模式，在这种模式中变电站自动化系统的通信网络共分为4个层次：过程层、间隔层、通信控制层、变电站层，如图2所示。在四层结构中，变电站层和通信控制层一般采用以太网通信，过程层和间隔层采用RS- 422/485、CAN总线、LonWorks网。这种结构通过通信控制器可以快速实现站内网络通信，成本较低，早期应用非常广泛，目前仍在许

10、多低压变电站和少量220 kV及以上高压变电站当中应用。但是当间隔层设备较多时通信控制器就会成为影响系统性能的瓶颈，虽然可以通过双通信控制器来改善，仍然难以克服通信故障率增加、效率降低等问题。以间隔为单元将站内通信网设计为2 层,间隔以上用10Mbit/s嵌入式以太网构成站内通信的主干网络，该网络负责后台机、远动机等PC 机和各间隔进行通信。在间隔内部用LonWorks现场总线把各保护装置连在一起。LonWorks网上的信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。测控单元是整个方案的核心和关键。测控单元完成两大功能: 通信功能和测控功能。这种方案实际上将嵌入式以太网与LonWorks现场总线技术相

11、结合, 发挥了各自的优势。底层的各种保护设备可不做任何改动, 保持了产品的向下兼容性。新型通信网络与CSC2000系统原有网络相比,具有以下一些优点:网络带宽资源大大增加;故障录波数据上传速度大大加快：易于与PC机接口;易于与广域网相连。1.5 通信网络方案选择网络通信方案是构成变电站自动化系统至关重要的环节，由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，并且受到性能、价格、硬件、软件、用户策略等诸多因素的影响，其通信网络方案的选择很难一概而论，不同类型的变电站对自动化系统的通信网络有不同的要求，变电站自动化系统的网络通信方案选择和设计应遵循下列基本原则：通信网络具有合理的分层式结构；高可靠性和快速

12、实时响应能力；优良的电磁兼容性能。基于以上基本原则，给出电压等级和复杂程度不同的变电站自动化系统通信网络方案。网络通信方案是构成变电站自动化系统至关重要的环节，由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，并且受到性能、价格、硬件、软件、用户策等诸多因素的影响，其通信网络方案的选很难一概而论，不同类型的变电站对自动化系统的通信网络有不同的要求，变电站自动化系统的网络通信方案选择和设计应遵循下列基本原则：通信网络具有合理的分层式结构；各层之间和层内选择适当的通信方式；高可靠性和快速实时响应能力；优良的电磁兼容性能。基于以上基本原则，给出电压等级和复杂程度不同的变电站自动化系统通信网络方案。(2) 中压

13、变电站通信网络中型枢纽110kV变电站的多主冗余要求和节点数量增加使RS-422/485难以胜任。CAN总线、LonWorks网一般可以胜任。500 m时LonWorks网传输速率可达1 Mb/s，LonWorks网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网，媒介访问方式LonWorks网为载波监听多路访问/冲撞检测(CSMA/CD)方式，内部通信遵循Lon Talk协议，LonWorks网为无源网络，脉冲变压器隔离，抗电磁干扰能力很强，重要信息有优先级。CAN总线是是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，在小于40 m时通信速率可达l Mb/s。CAN总线的一大特点是废除了传统的站

14、地址编码，而对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络的节点数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，数据段长度最多为8个字节，可满足工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求，8字节不会占用总线时间过长，保证了数据通信的实时性(3) 高压及超高压变电站通信网络220kv及以上变电站节点数目多，站内分布成百上千个CPU，数据信息流大，对速率指标要求高(要求速率130kb/s)，现场总线网络的实时性、带宽和时间同步指标会力不从心，应当考虑基于以太网的通信网络。以太网为总线式拓扑结构，采用CSMA/CD介质访问方式，物理层和链路层遵循IEEE802.3协议，应用

15、层采用TCPIP协议,传输速率高达10Mb/s，可容纳1024个节点，距离可达2.5km由以上分析可见，具体采用何种方案应当在遵循有关基本原则的基础上根据变电站的电压等级、具体情况、成本等因素综合考虑。1.6变电站通信网络1.6.1高速以太网这种结构有两种不同的实现方式：一、第一种结构为变电站层与间隔层共享以太网，取消了传统的通信单元。主干网络结构采用光纤自愈环型以太网，间隔层与过程层设备直接采用双绞线以星型方式接入主干网，用TCP/IP网络协议通讯。对于其他智能电子设备(IDEs)，具有以太网接口可直接接入主干网，否则通过网关实现规约转换后接入系统。 光纤双环自愈的原理就是将所有的设备分布在

16、信号流向相反的两个环上，平时只有主环在工作，次环处于备份状态;当环上某处光纤断裂或某节点发生故障时，其相邻节点的主环、备环自动环回，这时，环网仍然是一个闭环，通信链路保持畅通。故障点链路恢复后，备环回到备份状态。这种自愈型环网极大地提高了光纤通信的可靠性。二、第二种结构为变电站层与间隔层之间采用的是以太网结构，以TCP/IP网络协议通讯，间隔层与过程层设备采用的是485总线结构，以POLLING方式的厂家的内部规约进行数据交换。第一种结构一般用于220KV及以上枢纽变电站，光纤自愈环网在网络中任一点故障时，可快速切换通道，保证网络上设备的正常通信，其可靠性高于双总线网络，所有的环网接入设备可实

17、时监视与之相连的网络通信状态以及直流电源供电情况，出现问题可通过输出触点及时反应，并能反应故障位置，极大地简化网络的维护。并具有良好的灵活性和扩展性。间隔层与过程层设备直接采用以太网以TCP/IP网络协议通讯，实现数据的高速无瓶颈平衡式传输。第二种结构用于110KV变电站，它的特点是根据各层之间需传输的数据量和开放性要求而采用不同的网络结构和传输协议，变电站层与间隔层之间需要传输整个变电站间隔层设备及智能电子设备采集的数据，因此采用了传输速率较高的以太网结构。而在间隔层与过程层之间由于采用多个通信管理单元，传输的数据量不大，通讯速率要求不高，因而采用传输速率较低的485总线结构。1.6.2 C

18、AN总线 这种结构为变电站层与间隔层之间采用的是CAN总线结构，以CAN国际标准ISO11898网络协议进行数据交换，间隔层与过程层之间采用的是485总线结构，以POLLING方式的厂家的内部规约进行数据交换。CAN(Controller Area Network)-控制器局部网，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN总线采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中合作。CAN具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络。CAN总线结构通讯速率比以太网慢，最高只能达到1MB/s，但基本能满足站内数据

19、交换的要求。这种结构用于110KV变电站，它的其它特点与以太网第二种结构相同。1.6.3 LonWorks网络这种结构也有两种不同的实现方式：第一种结构为间隔层与过程层之间采用LonWork网络技术，以LonTalk协议进行数据交换，与站内智能电子设备(IDEs)的通讯经过规约转换直接挂在LonWork网上实现数据共享，而变电站层与间隔层之间采用直接串口通讯。第二种结构为变电站层与间隔层之间采用直接串口与调度主站通讯、采用MOXA卡或直接串口经过规约转换与站内智能电子设备(IDEs)通讯，而间隔层与过程层之间采用LonWork网络技术，以LonTalk协议进行数据交换。LonWorks(Loc

20、alOperatingNetworks)-局部操作网络是美国Echelon公司于1991年提出的。LonWorks有完整的7层协议,具备了局域网的基本功能，它采用双绞线通信速率为1.25Mbps/130m/每段64个节点。LonWorks的通讯介质访问控制方式采用了带预测的P-坚持CSMA（PrediciveP-Persistent CSMA）CSMA (Carrier Sense Multiple Access)载波监听多路访问，这样就避免了碰撞，减少了网络碰撞率，提高了重载时的效率。并采用了紧急优先机制，以提高它的实时性与可靠性。LonWorks是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟的和

21、低成本的分布式控制网络技术。这两种结构的特点是将间隔层与过程层之间的数据通讯视为重点，采用的是较成熟的LonWorks网络技术，因此在实际应用中较为稳定。但这两种结构简化了变电站层与间隔层之间的通讯设备和网络结构，不利于系统规模扩大和功能扩展。这两种结构一般用于110KV变电站。 1.7 RS-422/485总线这种结构的间隔层功能实际上是由一台工控机完成的，工控机接收智能通讯卡的外设接口RS-422/485和串口RS-232智能电子设备(IDEs)采集的各种数据，进行处理后直接显示为后台监控，并通过串口上发调度主站。 RS-485是一种低成本、易操作的半双工结构总线，通常应用于一对

22、多点的主从应答式通信系统中，但RS-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷，数据通信方式为命令响应式，数据传输效率降低，尤其是错误处理能力不强，同时当下端出现异常时，数据不能立即上传，灵活性极差，不适于实时性要求较高的场合。这种结构的特点是进一步的简化了通讯系统，使得整个系统的数据交换功能都集中在做为数据处理和后台监控的工控机及其智能通讯卡上，一旦工控机故障或死机就会造成系统瘫痪，这样就对系统硬件的稳定性及软件系统的可靠性要求很高。但这种通信结构成本低廉，所以这种结构一般用于数据处理量不大的35KV变电站。各种站内通信系统结构比较：通过对上述几种站内通信系统的结构分析，我们不难看出，几种站内通信系统由于应用环境不同，设计思想的