0 引言

    隨著國民經(jīng)濟和電力工業(yè)的飛速發(fā)展，對電力系統(tǒng)自動化和信息化水平的要求也越來越高。電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電和用戶等五個部分組成。目前，電力綜合自動化綜合應用現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和圖形技術(shù)等與系統(tǒng)設備相結(jié)合，將電力系統(tǒng)在正常和事故情況下的監(jiān)測、保護、控制和供電企業(yè)的工作管理有機融合在一起。

1 變電站綜合自動化

    變電站系統(tǒng)作為電網(wǎng)的重要基本環(huán)節(jié)，自動化水平的高低直接影響著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平，變電站綜合自動化系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展和推廣應用，成為衡量電力企業(yè)自動化水平的重要依據(jù)。變電站的電氣設備通常分為一次設備和二次設備，一次設備示指有不同電壓的配電裝置和電力變壓器。二次設備是在一次設備基礎上建立起來的輔助電氣設備，包括：繼電保護及自動裝置、儀器儀表及測量控制、當?shù)乇O(jiān)控和遠動四大模塊。二次設備是對一次設備進行監(jiān)視、測量和控制，并保證變電站電氣設備安全、可靠和經(jīng)濟地運行。變電站自動化系統(tǒng)是電網(wǎng)調(diào)度自動化的重要組成部分，又是一個獨立系統(tǒng)，采集并記錄大量的設備工況數(shù)據(jù)為變電站設備維修提供可靠數(shù)據(jù)。

    1.1 變電站結(jié)構(gòu)形式

    目前變電站綜合自動化系統(tǒng)中有三種結(jié)構(gòu)形式：集中式、集中分布式和分散分布式。分散分布式結(jié)構(gòu)是變電站綜合自動化發(fā)展的趨勢。分散分布式結(jié)構(gòu)如圖1所示，從邏輯上將變電站自動化系統(tǒng)劃分為兩層，即變電站層(站級測控單元)和間隔層(間隔單元)。也可分為三層，即變電站層、通信層和間隔層。該系統(tǒng)的主要特點是按照變電站的元件，斷路器間隔進行設計。將變電站一個斷路器間隔所需要的全部數(shù)據(jù)采集、保護和控制等功能集中由一個或幾個智能化的測控單元完成。測控單元可直接放在斷路器柜上或安裝在斷路器間隔附近，相互之間用光纜或特殊通信電纜連接。這種系統(tǒng)代表了現(xiàn)代變電站自動化技術(shù)發(fā)展的趨勢，大幅度地減少了連接電纜，減少了電纜傳送信息的電磁干擾，且具有很高的可靠性，比較好的實現(xiàn)了部分故障不相互影響，方便維護和擴展。

圖1 分散分布式變電站綜合自動化系統(tǒng)框圖

    1.2 RTU單元

    分散分布式結(jié)構(gòu)中的測控單元，又叫做遠動裝置（RTU，Remote Terminal Unit），是變電站實現(xiàn)電力參數(shù)、設備運行情況測量和監(jiān)控的設備。RTU廣泛應用于自動化監(jiān)控系統(tǒng)，承擔各種遠動信息的“上傳下達”工作，是變電站實現(xiàn)遠方數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的重要設備，也是實現(xiàn)變電站，實現(xiàn)電力系統(tǒng)全面的自動化的關(guān)鍵。

    RTU從現(xiàn)場采集回來的數(shù)據(jù)，控制中心發(fā)出的監(jiān)控信號之間的數(shù)據(jù)通信，也是變電站自動化系統(tǒng)的不能忽略的一個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)通信不僅實現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)或各功能塊間的信息互換，還完成變電站和整個電力系統(tǒng)的通信任務。變電站自動化數(shù)據(jù)通信必須具有：可靠性，抗干擾能力強、任一節(jié)點（測控單元、RTU等）損壞不能影響整個控制網(wǎng)絡；開放性，兼容其他外部設備，適合不同通信介質(zhì)及規(guī)約要求；實時性，實時傳遞信息。

    1.3 通信機制

    現(xiàn)時計算機技術(shù)，多媒體技術(shù)，網(wǎng)絡技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)飛速發(fā)展，可以全面提高數(shù)據(jù)通信的性能。現(xiàn)時有兩種通信機制：POLLING通信機制及CSMA/CD通信機制。POLLING拓撲結(jié)構(gòu)可以是星型網(wǎng)也可以是總線網(wǎng)，以485為代表。CSMA/CD拓撲結(jié)構(gòu)一般為總線網(wǎng)，以LonWorks為代表。

2 現(xiàn)場總線概述

    現(xiàn)場總線，是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。電力系統(tǒng)綜合自動化過程中，現(xiàn)場總線的應用起著重要的作用。目前存在著大約四十余種現(xiàn)場總線，最常用的是西門子公司的ProfiBus，Echelon公司的LonWorks，德國BOSCH公司CAN等等。

    基于變電站自身的特點，選用的現(xiàn)場總線應該具有拓撲靈活，布線方便，通信可靠，實時性好，糾錯能力強等特點。LonWorks總線是其中一種功能強大的現(xiàn)場總線。

3 LonWorks在變電站中的應用

    3.1 LonWorks總線

    LonWorks是由美國Echelon公司開發(fā)的一種完整的、全開放和可互操作的、目前已十分成熟的分布式控制網(wǎng)絡技術(shù)的總稱。由于LonWorks控制網(wǎng)絡技術(shù)具有高可靠性、開放性和低成本，眾多的制造廠和用戶紛紛在其控制網(wǎng)絡方案中采用LonWorks技術(shù)全世界已有2500多家公司利用LonWorks技術(shù)生產(chǎn)各種各樣的LonWorks產(chǎn)品，以滿足現(xiàn)代化樓宇、工廠、交通運輸系統(tǒng)、城市基礎設施(水、電、氣等)、家庭等環(huán)境自動化系統(tǒng)的分布式控制網(wǎng)絡要求。

    LonWorks的核心是神經(jīng)元芯片和LonTalk協(xié)議。神經(jīng)元芯片是實現(xiàn)LonTalk協(xié)議的硬件基礎，也是實現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡的關(guān)鍵。

    現(xiàn)時現(xiàn)場總線在變電站綜合自動化的應用主要是遠控單元的改造、網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和通信方面。LonWoks相比其他現(xiàn)場總線，特別與傳統(tǒng)的控制方案DCS和PLC相比，有著明顯的優(yōu)勢：

    （1）一對多的結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)可使工程的接線簡單，工程施工周期縮短，安裝費用大大降低，維護量減少。并且新增設備不需要重新鋪設電纜，大大節(jié)省人力、物力和財力。

    （2）全數(shù)字信號。傳統(tǒng)的控制技術(shù)中信號的傳輸為1-5V或4-20mA，LonWorks技術(shù)中信號的傳輸是全數(shù)字的，并且采用的可靠的LonTalk協(xié)議，使得數(shù)據(jù)傳輸可靠、快速，抗干擾能力強。

    （3）LonWorks具有開放性和較好的互可操作性。用戶可以選擇不同廠商的各種產(chǎn)品，并可把它們集成在一起，構(gòu)成所需要的控制功能的控制方案。

    3.2 LonWorks在RTU上的應用
   
    傳統(tǒng)的RTU將各種電氣參數(shù)通過各自的變送器轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準的電信號，實現(xiàn)YC遙測、開關(guān)接點直接進入RTU的開關(guān)量通道完成YX遙信，RTU送出的開關(guān)接點信號接入電站控制回路并完成YK遙控。
   
    基于LonWorks現(xiàn)場總線的RTU系統(tǒng)如圖2所示。要實現(xiàn)分層分散結(jié)構(gòu)方式，必須引入現(xiàn)場總線。LonWorks的神經(jīng)元芯片Neuronchip具有3個CPU，可以實現(xiàn)流水線處理；11個I/O口靈活配置后能夠與外圍設備接口等。利用神經(jīng)元芯片改造后的RTU除了能夠完成原有的遙測、遙信及遙控功能外，還完成對現(xiàn)場信息、參數(shù)數(shù)據(jù)的打包、流量處理、出錯處理等，使RTU成為LonWorks節(jié)點，接入在LonWorks的網(wǎng)絡上，實現(xiàn)遠程和分散式的監(jiān)測與控制。

圖2基于LonWorks現(xiàn)場總線的RTU

    3.3 LonWoks通信網(wǎng)絡在變電站綜合自動化中的應用

    變電站的通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有三種：星形、環(huán)形和總線形。星形結(jié)構(gòu)導致中央站點的出現(xiàn)，成為可靠性的瓶頸，一旦出現(xiàn)損壞，全網(wǎng)癱瘓。環(huán)形結(jié)構(gòu)會因為其中一個節(jié)點的故障導致數(shù)據(jù)通路斷開。總線網(wǎng)具有擴展靈活，簡單可靠的優(yōu)點，特別適合在可靠性要求高的變電站通信網(wǎng)絡中。LonWoks總線適合各種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，目前應用最多也是總線形，LonWorks在國外大型樓宇自動化系統(tǒng)的應用已經(jīng)檢驗了LonWorks強大的擴展性能。

    變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡還包括通信介質(zhì)的選用。常見的介質(zhì)是光纖和雙絞線通信電纜。光纖有非常好的抗干擾能力，但屬于點對點方式的通信媒介，浪費而且安裝維護比較復雜；雙絞線則可以根據(jù)通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)靈活擴展。LonWorks現(xiàn)場總線的LonTalk協(xié)議定義了多種通信介質(zhì)，包括雙絞線、電力線、射頻、紅外線、同軸電纜和光纖等，最常用的是雙絞線。雙絞線的使用可以降低變電站綜合自動化布線的成本。

    LonTalk協(xié)議提供了信息管理功能，定義4種基本類型的報文服務：確認、請求／響應、非確認重復以及非確認；支持優(yōu)先級可預測P-堅持 CSMA/CD的沖突算法；支持證實服務。LonWorks現(xiàn)場總線支持變電站通信機制CSMA/CD，LonTalk 協(xié)議采用優(yōu)先級可預測 P-堅持 CSMA/CD，使得網(wǎng)絡即便在過載的情況下，仍可以達到最大的通信量。可以有效地防止由于信號參數(shù)過多導致網(wǎng)絡塞車，出現(xiàn)信號、參數(shù)丟失的現(xiàn)象，大大提高通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸可靠性能。

4 小結(jié)

    變電站綜合自動化的步伐在不斷地向前邁進。變電站綜合自動化的水平比將隨著現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機技術(shù)，網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展而提高。現(xiàn)場總線在綜合自動化系統(tǒng)的應用越來越普遍，特別是LonWorks分布式控制網(wǎng)絡技術(shù)，達到了真正的分散控制。提高了控制的靈活性，降低了系統(tǒng)自身不穩(wěn)定帶來的風險。LonWoks現(xiàn)場總線靈活的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、功能強大的神經(jīng)元芯片以及LonTalk協(xié)議大大提高控制和通信的可靠性，和變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)合越來越緊密。

參考文獻

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