電力自動化的通訊網路分析研究論文

摘要：通訊網路是變電站自動化系統的關鍵。分析了變電站自動化系統中通訊網的特點與要求，給出了LonWorks現場匯流排和嵌入式乙太網兩種通訊方案，並對這兩種方案作了分析比較。

關鍵詞：變電站自動化；現場匯流排；嵌入式技術；乙太網

1 引言

變電站自動化技術在我國發展很快，目前新建的變電站絕大多數都採用了綜合自動化技術，很多老變電站也在進行改造。這種自動化系統與常規變電站系統相比，最大的特點就是站內通訊能力強。從90年代初變電站內開始搞綜合自動化，先後出現過幾類通訊方案。最初用RS485匯流排將保護裝置聯在一起，用主從方式通訊，這種方式較簡單，實際上是序列點對點通訊，技術上缺陷很多。後來各種現場匯流排技術被引入國內，由於其具有簡單易用、組網方便、抗干擾能力強等特點，很快被電力自動化裝置業界採用，以構成變電站內的通訊網。現場匯流排種類較多，用得較多的是LonWorks和CAN。用現場匯流排來做通訊網，從工程實踐來看是較成功的。但隨著變電站自動化從以前的35kV、110kV等中、低壓變電站向220kV、330kV甚至500kV高壓、超高壓大型變電站發展，現場匯流排的一些侷限性逐漸暴露出來，不能滿足高壓、超高壓大型變電站自動化系統的要求。隨著計算機軟、硬體技術的發展，工業控制領域出現了嵌入式技術。這使設計者在設計變電站自動化系統內部通訊網時有了新的選擇，利用嵌入式技術的軟、硬體，設計者可以在微控制器系統上實現乙太網技術。目前國外一些著名大公司已利用嵌入式技術將乙太網介面做在保護裝置中，這樣各保護裝置就可以用乙太網連成一個自動化系統了。乙太網具有網路速度快，頻寬較寬，與後臺監控PC機、工作站等介面方便的特點，能夠滿足大型高壓變電站自動化系統對通訊網的要求。這在國外已有工程例項。本文將介紹兩種站內通訊網方案，一是LonWorks現場匯流排網，二是嵌入式乙太網。這兩種網的技術原理很多資料已有介紹，本文不再重複，而是直接說明如何應用。

2 LonWorks現場匯流排網方案

如圖1所示，變電站內部有兩個LonWorks網路，分別為監控網和錄波網。監控網用來傳送各種控制和狀態資訊，錄波網則傳送電力系統故障錄波資訊。網路的通訊速率為78kB／s，最大通訊距離為2km，通訊介質為遮蔽雙絞線或光纖。每個保護裝置都帶有LonWorks網路介面，後臺機、工程師站、遠動機等PC機上均插有PCLTA卡，於是保護裝置和PC機就可以聯到LonWorks網上。圖1所示的方案簡單、方便可靠，適合於中、低壓變電站自動化系統。它已成功地用於很多35kV、110kV變電站。但當用於220kV及以上的大型高壓變電站時，由於網路節點增多，網路流量增大，78kB／s網路頻寬就顯得不夠了，特別是當多個保護同時動作時，網上衝突加劇，重發次數增多，通訊效率降低。因此，這種方案不適合於大型高壓變電站。

3 嵌入式乙太網方案

3．1 系統配置

如圖2所示，站內有3個相互獨立的光纖乙太網，網路1、2為監控網，網路3為錄波網。考慮到大型高壓變電站都是以間隔為單元組屏和裝置的向下相容性及有關國際發展趨勢，因此沒有用嵌入式乙太網完全替代LonWorks現場匯流排網，而是將站內通訊網設計為兩層，間隔以上用10MB／s嵌入式乙太網構成站內通訊的主幹網路，負責後臺機、遠動機等PC機和各間隔進行通訊。在間隔內部則用Lon－Works現場匯流排網把各保護裝置聯在一起。Lon－Works網上的資訊通過間隔層的測控單元上傳到主幹網上。最低層的各種保護裝置可不作任何改動，保持了向下相容性。這種方案實際上將嵌入式乙太網與LonWorks現場匯流排技術相結合，發揮了各自的優勢。圖2 乙太網、LonWorks網相結合方案系統配置圖 3．2 測控單元

由上可見，測控單元是整個方案的核心與關鍵。圖3給出了測控單元的簡圖。其中Neuron晶片作為CPU的通訊處理器完成LonWorks網路的通訊任務，利用它可與保護裝置通訊。CPU選用了32b微控制器，CPU部分採用了嵌入式軟體設計，利用實時多工作業系統及TCP／IP模組，完成乙太網的通訊與測控任務，CPU與Neuron晶片之間以SlaveB並口方式交換資訊。測控單元以LonWorks網與四方公司製造的保護裝置相聯，用RS485、RS232與其他廠家製造的保護裝置相聯。

圖3 測控單元示意圖

4 兩種方案的比較與分析

（1）方案1中只有LonWorks一層網路，站內的幾十個保護裝置均聯其上。因此網上節點多、流量大，而頻寬卻只有78kB／s。在多臺保護同時動作等特殊情況下，網路負載突然加重，這時會出現較嚴重的網路衝突現象，報文的重發次數增多，網路通訊效率降低。方案2中有兩層網，主幹網的頻寬已達10MB／s，雖然間隔內的LonWorks網路仍為78kB／s頻寬，但其上所聯節點的數目卻大大減少，只有幾臺。於是LonWorks的網路負載極輕，即使在各臺保護同時動作的特殊情況下，通訊效率仍很高。而當資訊傳到主幹網後，由於主幹網頻寬很寬，站內那些流量對其而言仍屬輕負載，乙太網在輕負載時效率極高，因此方案2能滿足變電站自動化系統的要求，並留有餘地。（2）故障錄波資料上傳速度大大加快LonWorks網主要支援幀長為幾十B的短幀，當傳送錄波資料時，效率較低，耗時較多，乙太網支援最長可達1500B的長幀，因此方案2中錄波資料的傳輸效率大大增強。（3）與PC機介面

PC機須用PCLTA卡等專用板卡與LonWorks網路介面，這些板卡由於是專用品所以較貴，PC機臺數增多時，PC機用廉價的乙太網卡就可聯到乙太網上，因此方案2中的PC介面更方便、更廉價。（4）易於與廣域網相聯

由於乙太網使用開放式的TCP／IP協議，所以可以較為方便地與廣域網相聯。（5）易於與國際標準接軌

目前IEC正在制定有關變電站自動化系統的內部通訊協議體系，其目的在於使不同廠商的產品有互操作性，這個標準目前還沒有公佈，我們從有關介紹中瞭解到它是一個分層的網路，主幹網就是10MB／s乙太網。因此，當IEC標準公佈後，我們只須將系統內部軟體重新處理，方案2就能較容易地與IEC國際標準接軌。

5 內部通訊網的傳輸實時性分析

網路傳輸的實時性是變電站自動化系統內部通訊網的關鍵指標。方案2中有兩層網，即間隔內部的LonWorks網路和間隔以上的乙太網。

首先分析間隔內部LonWorks網路的實時性。LonWorks網路通過網路變數來實現節點之間的通訊，不同的網路變數可以設定成不同的優先順序，這樣開關變位等重要資訊就可用優先順序高的'網路變數優先傳輸。LonWorks網路以這種方式保證網路傳輸的實時性。LonWorks網路在CSC2000變電站自動化系統已經用了400多套，根據應用經驗：當站內節點數不超過40時，LonWorks網路的實時性是很好的；當節點數目再多時可將一個網分成不同的子網以保證網路傳輸的實時性。在方案2中，間隔內部的LonWorks網路節點數一般不超過10，因此Lon－Works網路上的負荷是很低的。在這種情況下，間隔內部LonWorks網路的傳輸實時性是有絕對保證的。

乙太網雖然沒有LonWorks網路或CAN匯流排的優先順序設定，但其頻寬到達10MB／s，因此可承受的網路負荷很大。研究表明，當網路負荷不超過頻寬的37％時，網路上的衝突率很低，乙太網的傳輸效率是有保證的［1］。實際上變電站自動化系統內部若使用合理的通訊規約和合理的傳輸模式，其網路負荷與頻寬10MB／s的37％相比是很低的，網路衝突率極低。美國電力研究院（EPRI）在制定UCA通訊協議體系時，對乙太網用於變電站自動化系統中的網路傳輸實時性作了研究分析，結果表明當使用交換式集線器時，10MB／s乙太網是完全可以滿足實時性要求的［2］。國際大電網會議（CIGRE）的第35工作組也對乙太網在電力系統中應用的實時性問題作了研究，得出了與美國電力研究院相同的結論［3～5］。因此，選擇10MB／s乙太網作為變電站自動化系統的內部通訊網，其網路傳輸實時性是有保證的。需要注意的是，必須使用交換式基線器。實際上國外已經推出不少使用乙太網的變電站自動化系統，如美國GE－Harris公司的PowerComm系統、美國GE公司的變電站自動化系統、日本東芝公司的高壓變電站分散式測控系統等。

從上述討論可以看出，方案2中提出的兩層網設計其網路傳輸實時性是有保證的。

6 結束語

本文給出了適合於不同規模和電壓等級的變電站自動化系統內部通訊網方案，介紹了嵌入式乙太網技術，並對兩種方案作了分析和比較，最後對所提方案的網路傳輸實時性作了分析。

參考文獻：

［1］ TanenbaumAS．計算機網路［M］．北京：清華大學出版社1998．

［2］ EPRIUCACommunicationArchitecture1997．

［3］ CIGREWG35．07．Transmissionofreal－timedatawithaguaran－ teedQoSusingIPtechnology［S］．Electra，1997，（173）．

［4］ CIGREWG35．07．ImplementationofanIPnetworkforthetransmissionofpowerutilityreal－timedata．Electra，1997， （176）．

［5］ CIGREWG35．07．IntegrationofservicesonIPnetworks，Elec－ tra．1997，（174）．

［6］ ZackerCraig．TCP／IP網路管理［M］．北京：中國水利水電出版社，1998．