田國(guó)政 （中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100085）
摘 要：不同類型的變電站對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，文章對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)工程實(shí)施過程中的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)及傳輸規(guī)約的選擇進(jìn)行了分析，并對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討。
關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化；通信網(wǎng)絡(luò)；傳輸規(guī)約
1 引言
變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是由多臺(tái)微機(jī)組成的分層分布式控制系統(tǒng)，包括微機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)、電能質(zhì)量自動(dòng)控制等多個(gè)子系統(tǒng)。在各個(gè)子系統(tǒng)中，往往又由多個(gè)智能模塊組成。例如：在微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)中，有變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)、各種線路保護(hù)等。因此在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部，必須通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部和各子系統(tǒng)之間的信息交換和信息共享，以減少變電站二次設(shè)備的重復(fù)配置并簡(jiǎn)化各子系統(tǒng)的互連，既減少了重復(fù)投資，又提高了系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。
2 變電站通信網(wǎng)絡(luò)的要求
由于數(shù)據(jù)通信在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的重要性，經(jīng)濟(jì)、可靠的數(shù)據(jù)通信成為系統(tǒng)的技術(shù)核心，而由于變電站的特殊環(huán)境和自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足下列要求： ① 快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力； ② 很高的可靠性； ③ 優(yōu)良的電磁兼容性能； ④ 分層式結(jié)構(gòu)[1]。
1997年8月國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上，WG34.03工作組提出了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間要求：設(shè)備層和間隔層之間、間隔內(nèi)各設(shè)備之間、間隔層各間隔單元之間為1~100ms，間隔層和變電站層之間為10~1000ms，變電站層各設(shè)備之間、變電站和控制中心之間為1000ms。各層之間的數(shù)據(jù)流峰值為：設(shè)備層和間隔層之間數(shù)據(jù)流大概250kb/s，取決于模擬量的采樣速度，間隔層各單元之間數(shù)據(jù)流大概60kb/s或130kb/s，取決于是否采用分布母線保護(hù)；間隔層和變電站層之間及其他鏈路之間數(shù)據(jù)流大概在100kb/s及以下。
3 內(nèi)部數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的選擇
數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是構(gòu)成變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化是使變電站自動(dòng)化邁向標(biāo)準(zhǔn)化的難點(diǎn)之一，受性能、價(jià)格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，目前在選擇什么“接口網(wǎng)絡(luò)”上很難達(dá)成一致。
網(wǎng)絡(luò)特性主要由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸媒體、媒體存取方式來決定。網(wǎng)絡(luò)的選擇應(yīng)符合國(guó)際國(guó)內(nèi)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)選擇當(dāng)前的主流產(chǎn)品，應(yīng)得到實(shí)力雄厚的軟硬件商的支持；產(chǎn)品應(yīng)滿足變電站運(yùn)行要求；具有較高的性能價(jià)格比[2]。
（1）35kV變電站通信網(wǎng)絡(luò)
在小規(guī)模的35kV變電站和110kV終端變電站，可考慮使用RS422和RS485組成的網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)變電站規(guī)模較大時(shí)應(yīng)考慮選擇現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。RS422和RS485串口傳輸速率指標(biāo)是不錯(cuò)的，在1000m內(nèi)傳輸速率可達(dá)100kb/s，短距離速率可達(dá)10Mb/s，RS422串口為全雙工，RS485串口為半雙工，媒介訪問方式為主從問答式，屬總線結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的不足在于接點(diǎn)數(shù)目比較少，無法實(shí)現(xiàn)多主冗余，有瓶頸問題，RS422的工作方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，上位機(jī)一個(gè)通信口最多只能接10個(gè)節(jié)點(diǎn)，RS485串口構(gòu)成一主多從，只能接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，此外有信號(hào)反射、中間節(jié)點(diǎn)問題。LonWorks網(wǎng)上的所有節(jié)點(diǎn)是平等的，CAN網(wǎng)可以方便的構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)，不存在瓶頸問題，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)比RS485擴(kuò)大多倍，CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)理論上不受限制，一般可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。
（2）110kV變電站通信網(wǎng)絡(luò)
中型樞紐110kV變電站節(jié)點(diǎn)數(shù)一般為40個(gè)左右，多主冗余要求和節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加使RS422和RS485難以勝任。現(xiàn)場(chǎng)總線卻能得心應(yīng)手，總線網(wǎng)將網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)連接在一起，可以方便的增減節(jié)點(diǎn)；具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全網(wǎng)廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；常用的有LonWorks網(wǎng)、CAN網(wǎng)。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均為中速網(wǎng)絡(luò)，500m時(shí)LonWorks網(wǎng)傳輸速率可達(dá)1Mb/s，CAN網(wǎng)在小于40m時(shí)達(dá)1Mb/s，CAN網(wǎng)在節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)時(shí)可自動(dòng)切除與總線的聯(lián)系，LonWorks網(wǎng)在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)異常時(shí)可使該節(jié)點(diǎn)自動(dòng)脫網(wǎng)，媒介訪問方式CAN網(wǎng)為問答式，LonWorks網(wǎng)為載波監(jiān)聽多路訪問/沖撞檢測(cè)（CSMA/CD）方式，內(nèi)部通信遵循Lon Talk協(xié)議。
CAN網(wǎng)開銷小，一幀8位字節(jié)的傳輸格式使其服務(wù)受到一些限制，LonWorks網(wǎng)為無源網(wǎng)絡(luò)，脈沖變壓器隔離，具有強(qiáng)抗電磁干擾能力，重要信息有優(yōu)先級(jí)。據(jù)近年國(guó)內(nèi)數(shù)百個(gè)站的經(jīng)驗(yàn)，LonWorks網(wǎng)可作為目前一般中型110kV樞紐變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)。
CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達(dá)1Mb/s。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。8字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，從而保證了數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。
（3）220kV及以上變電站通信網(wǎng)絡(luò)
220~500kV變電站節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，站內(nèi)分布成百上千個(gè)CPU，數(shù)據(jù)信息流大，對(duì)速率指標(biāo)要求高（要求速率130kb/s），LonWorks網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、寬帶和時(shí)間同步指標(biāo)會(huì)力不從心。應(yīng)考慮Ethernet網(wǎng)或Profibus網(wǎng)。Ethernet網(wǎng)為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用CSMA/CD介質(zhì)訪問方式，傳輸速率高達(dá)10Mb/s，可容納1024個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離可達(dá)2.5km。物理層和鏈路層遵循IEEE802.3協(xié)議，應(yīng)用層采用TCP/IP協(xié)議。
4 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)傳輸規(guī)約的現(xiàn)狀
和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的要求相比，數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的要求更為迫切。無論是站內(nèi)不同廠家設(shè)備之間還是在和遠(yuǎn)方調(diào)度的連接中，由規(guī)約轉(zhuǎn)換問題引起的軟件編程成為實(shí)際工程調(diào)試量最大的項(xiàng)目，既耗費(fèi)人力物力，運(yùn)行維護(hù)也不方便，是目前自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一大問題[2]。
（1）變電站和調(diào)度中心之間的傳輸規(guī)約
目前各個(gè)地方情況不一，現(xiàn)場(chǎng)大多采用各種形式的規(guī)約如CDT、SC-1801、u4F、DNP3.0等一些規(guī)約，1995年IEC為了在兼容的設(shè)備之間達(dá)到互換的目的，頒布了IEC60870-5-101傳輸規(guī)約，為了使我國(guó)盡快采用遠(yuǎn)動(dòng)傳輸?shù)膰?guó)際標(biāo)準(zhǔn)，1997年原電力部頒布了國(guó)際101規(guī)約的國(guó)內(nèi)版本DL/T634-1997，并在1998年的桂林會(huì)議上進(jìn)行了宣貫。該規(guī)約為調(diào)度端和站端之間的信息傳輸制定了標(biāo)準(zhǔn)，今后變電站自動(dòng)化設(shè)備的遠(yuǎn)方調(diào)度傳輸協(xié)議上應(yīng)采用101規(guī)約。
（2）站內(nèi)局域網(wǎng)的通信規(guī)約
目前各生產(chǎn)廠家基本上各作各的密碼，造成不同廠家設(shè)備通信連接的困難和以后維護(hù)的隱患。IEC在1997年頒布了IEC60870-5-103規(guī)約，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委在1999年頒布了103規(guī)約的國(guó)內(nèi)版本DL/T667-1999，并在2000年的南昌會(huì)議上進(jìn)行了宣貫，103規(guī)約為繼電保護(hù)和間隔層（IED）設(shè)備與變電站層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信傳輸規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)，今后變電站自動(dòng)化站內(nèi)協(xié)議要求采用103規(guī)約。
（3）電力系統(tǒng)電能計(jì)量傳輸規(guī)約
對(duì)于電能計(jì)量采集傳輸系統(tǒng)，IEC在1996年頒布的IEC60870-5-102標(biāo)準(zhǔn)，即我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T719-2000，是我們?cè)趯?shí)施變電站電能計(jì)量系統(tǒng)時(shí)需要遵守的。
上述的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即101、102、103協(xié)議，運(yùn)用于三層參考模型（EPA）即物理層、鏈路層、應(yīng)用層結(jié)構(gòu)之上，是相當(dāng)一段時(shí)間里指導(dǎo)變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的三個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)按照非平衡式和平衡式傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息的需要制定，完全能滿足電力系統(tǒng)中各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為滿足網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息，IEC TC57在IEC60870-5-101基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了IEC60870-5-104傳輸規(guī)約，采用IEC60870-5-101的平衡傳輸模式，通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動(dòng)信息，它適用于PAD（分組裝和拆卸）的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
目前分層分布面向?qū)ο蟮乃枷胍褳槿藗兯邮埽冸娬?a class="channel_keylink" href="/search.asp">自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為2層，即通過通信網(wǎng)絡(luò)連接的間隔層和變電站層，變電站到調(diào)度端通信逐步淘汰MODEM方式，采用TCP/IP模式上網(wǎng)。
5 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向
隨著技術(shù)的發(fā)展，再過幾年，光電CT、PT逐步取代電磁CT、PT，過程層開始出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分成3層，即變電站層、間隔層和過程層。變電站自動(dòng)化和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨合理。過程層完成I/O、模擬量采集和控制命令的發(fā)送等，并完成與一次設(shè)備有關(guān)的功能，間隔層是利用本間隔數(shù)據(jù)對(duì)本間隔的一次設(shè)備產(chǎn)生作用，越來越多的間隔層功能下放到過程層；替代模擬傳統(tǒng)保護(hù)原理的自適應(yīng)保護(hù)將出現(xiàn)；變電站功能將擴(kuò)展到設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、部分配電自動(dòng)化、無功自動(dòng)補(bǔ)償和遙視等，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)將逐步建立。
IEC61850將變電站通信體系分為3層：變電站層（第2層）、間隔層（第1層）、過程層（第0層），如圖1所示。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中沒有繼電保護(hù)管理機(jī)，變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備（IED）、測(cè)控單元和繼電保護(hù)均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換[3]。
關(guān)于遠(yuǎn)動(dòng)信息的網(wǎng)絡(luò)訪問已經(jīng)有比較容易實(shí)現(xiàn)的IEC60870-5-104，它是目前唯一可供選擇的網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議。IEC TC57即將制定無縫遠(yuǎn)動(dòng)通信體系結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)用開放和網(wǎng)絡(luò)開放統(tǒng)一的傳輸協(xié)議IEC61850。該協(xié)議將是變電站（RTU或者變電站自動(dòng)化系統(tǒng)）到控制中心的唯一通信協(xié)議，也是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)甚至過程到控制中心的唯一的通信協(xié)議。
6 結(jié)論
不同類型的變電站對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，在35kV的變電站可以采用RS-485或現(xiàn)場(chǎng)總線作為站內(nèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；在110kV變電站可以采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備數(shù)據(jù)通信，當(dāng)站控層設(shè)備較多時(shí)，變電站層可采用以太網(wǎng)連接；在220~500kV的超高壓變電站，由于站內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，應(yīng)考慮使用以太網(wǎng)或profibus網(wǎng)。目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的傳輸規(guī)約種類較多，各個(gè)公司的產(chǎn)品使用的標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，系統(tǒng)互聯(lián)和互操作性差，在變電站和控制中心之間應(yīng)使用101規(guī)約，在變電站內(nèi)部應(yīng)使用103規(guī)約，電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)使用102規(guī)約。新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850頒布實(shí)施之后，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)從過程層到控制中心將使用統(tǒng)一的通信協(xié)議。
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