智能建筑10 kV變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

馬占敖， 魏立明， 姚小春

（吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021）

0 引 言

智能建筑[1-3]中地下或地上敷設(shè)的10 kV變電站目前已普遍采用了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（Substation Automation System，SAS）。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)在十幾年的發(fā)展過程中也經(jīng)歷了翻天覆地的變化，各種新產(chǎn)品層出不窮，CPU從8位到16位，再到如今的32位，站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)從采用簡(jiǎn)單的RS-485串行通信技術(shù)，到采用來源于工業(yè)控制領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（FCS），再到在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得巨大成功的以太網(wǎng)技術(shù)。

在我國(guó)目前主流的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)都是采用分散控制系統(tǒng)（DDC）[4]，即采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)分為3個(gè)層次:變電站層、網(wǎng)絡(luò)層和間隔層。其中，網(wǎng)絡(luò)層包括站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)動(dòng)通信接口和智能設(shè)備接口3個(gè)部分，用于實(shí)現(xiàn)各微機(jī)監(jiān)控單元和監(jiān)控主機(jī)間進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，并可將各種站內(nèi)信息傳遞至各級(jí)調(diào)度系統(tǒng)或接受調(diào)度系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)功能。

變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，其作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求每個(gè)保護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息。每個(gè)保護(hù)單元能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，則對(duì)故障性質(zhì)、故障位置的判斷和故障距離的檢測(cè)愈準(zhǔn)確。各個(gè)保護(hù)單元與自動(dòng)裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動(dòng)作，并通過遠(yuǎn)動(dòng)通信接口實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備信息與外部系統(tǒng)的信息共享，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。顯然，實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)保護(hù)必須依賴于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信能力，因此，一個(gè)快速、穩(wěn)定、可靠和富有彈性的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于整個(gè)變電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 智能建筑的特點(diǎn)

在智能建筑10 kV變電站設(shè)計(jì)中[5-6]，究竟選用哪一種站內(nèi)通信網(wǎng)路，首先要從分析應(yīng)用需求入手。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50314-2000《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的定義，智能建筑（Intelligent Building，IB）是以建筑為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、辦公自動(dòng)化及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)管理及它們之間的最優(yōu)化組合，向人們提供一個(gè)安全、高效、舒適、便利的建筑環(huán)境。其中建筑設(shè)備就包括建筑物或建筑群的高低壓變配電設(shè)備。變電站站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)作為智能建筑通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，則是其重要的有機(jī)組成部分。

根據(jù) GB/T 50314-2000第 3.1條規(guī)定，“3.1.1通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)能為建筑物或建筑群的擁有者（管理者）及建筑物內(nèi)的各個(gè)使用者提供有效的信息服務(wù)。3.1.2通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)來自建筑物或建筑群內(nèi)外的各種信息予以接受、存儲(chǔ)、處理、交換、傳輸并提供決策支持的能力”。從以上規(guī)定可以看出，智能建筑要求其通信網(wǎng)絡(luò)的各子系統(tǒng)之間應(yīng)具有良好的互通性，這就要求子系統(tǒng)應(yīng)是開放的。

智能建筑10 kV變電站位于供電系統(tǒng)的末端，容量一般不超過1 MVA，在整個(gè)電網(wǎng)中屬于低容量、小規(guī)模、終端型中壓變電站。與高壓樞紐變電站相比，其變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、運(yùn)行環(huán)境、功能要求都有較大的差異，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不多，對(duì)硬件的冗余度要求不是很高，保護(hù)功能較簡(jiǎn)單，通信數(shù)據(jù)量不是很大。但對(duì)繼電保護(hù)配置的靈活性，尤其對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性等方面的要求并不低，同時(shí)，系統(tǒng)也更強(qiáng)調(diào)使用的方便、直觀和低成本。

2 RS-485串行通信

RS-485串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1983年制定并發(fā)布的，是一種雙向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。RS-485只能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，即只能有一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備，總線上可最多接到RS-232各設(shè)備。RS-485網(wǎng)絡(luò)通常采用特性阻抗為120 Ω雙絞線作傳輸介質(zhì)，傳輸速率300 bps～115.2 kbps兼容，為異步半雙工結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用時(shí)，因線纜長(zhǎng)度、線徑、網(wǎng)絡(luò)分布、接點(diǎn)數(shù)不同，傳輸速率均達(dá)不到理論值。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性作出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，用戶需要在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議，也就是說，RS-485標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了物理層上的電氣特性，而對(duì)數(shù)路鏈路層及其以上個(gè)高層協(xié)議規(guī)范，則沒有統(tǒng)一定義。不同制造商的設(shè)備由于通信協(xié)議的專有與不兼容，而無法直接實(shí)現(xiàn)相互之間的信息互訪，因此開放性差?；赗S-485串行通信的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)有成都瑞科公司的RC3000、北京華康公司的MPW 4000等。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線[7]的一個(gè)主要特點(diǎn)就是開放性，在現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)中，不同制造商的產(chǎn)品可以“即插即用”。按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC/SC65C的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是指連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。但是由于市場(chǎng)等方面的原因，目前已開發(fā)出的現(xiàn)場(chǎng)總線有 40多種，如 FF，CAN，LonWorks，PROFIBUS和HART等，使得開放的現(xiàn)場(chǎng)總線只能針對(duì)一種特定類型的現(xiàn)場(chǎng)總線而言，只有遵循該類型現(xiàn)場(chǎng)總線的總線協(xié)議，對(duì)其產(chǎn)品才是開放的，并具有互操作性，反之則不然。用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主要有CAN總線和LonWorks總線。

CAN（Controller Area Network，控制局域網(wǎng)）總線由德國(guó)Bosch公司于1993年推出，介質(zhì)訪問方式為非破壞性位仲裁方式，這也就意味著當(dāng)總線出現(xiàn)發(fā)送沖突時(shí)通過仲裁后原發(fā)送信息不會(huì)受到任何影響。所有的仲裁判別都不會(huì)破壞優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文內(nèi)容，也不會(huì)對(duì)其發(fā)送產(chǎn)生任何的延時(shí)，因此適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開發(fā)工具廉價(jià)。CAN網(wǎng)可以方便地構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)，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)。小于 40 m時(shí)，CAN網(wǎng)傳輸速率可達(dá)1 Mbps，在節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)時(shí)可自動(dòng)切除與總線的聯(lián)系。基于CAN總線的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)有阿城繼電器公司的ARAS2000、北京德威特公司的DVP-600等。

LonWorks（LON Local Operating System，局域操作系統(tǒng)）總線由美國(guó)Echelon公司于1991年推出，采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)，介質(zhì)訪問方式（P-P載波監(jiān)聽多路復(fù)用）采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址尋址方式，優(yōu)先權(quán)機(jī)制保證了通訊的實(shí)時(shí)性，安全機(jī)制采用證實(shí)方式，因此能構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。LonWorks網(wǎng)傳輸速率可達(dá)1 Mbps，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)。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)?；贚onWorks總線的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)有許繼公司的PSU-2000X、北京四方繼保公司的CSC-2000等。

4 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)[8]采用的介質(zhì)訪問方式為CSMA/CD（沖突檢測(cè)載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問），是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式。其基本工作原理是:某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò);如果兩個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，將發(fā)生碰撞，同時(shí)節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送。并等待一段隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間后重新發(fā)送。16次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器回報(bào)失敗信息。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加時(shí)的響應(yīng)速度就會(huì)急劇下降，而且在一系列碰撞后，報(bào)文還可能會(huì)丟失，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障。以太網(wǎng)的這種CSMA/CD介質(zhì)訪問機(jī)制導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和通信響應(yīng)的“不穩(wěn)定性”，這就是為什么變電站自動(dòng)化系統(tǒng)以前一直沒有采用以太網(wǎng)的主要原因。

隨著以太網(wǎng)傳輸速率的不斷提升，10，100，1 000 M甚至更高，對(duì)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)這樣的應(yīng)用，如果通過仔細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和通信流量進(jìn)行控制，使網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于10%是完全可能的，這樣以太網(wǎng)響應(yīng)速度將明顯高于其它網(wǎng)絡(luò)。另一方面，對(duì)于建有企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）的智能建筑，變電站的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)可以直接在Intranet上動(dòng)態(tài)發(fā)布與共享，供相關(guān)技術(shù)人員和管理人員參考，這樣就把測(cè)控網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)融合在一起，無論從成本、管理、維護(hù)等方面考慮都是一個(gè)最佳的選擇，加之目前以太網(wǎng)接口芯片已非常普遍，價(jià)格低廉，因此發(fā)展前景很好。只是由于目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主流站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)還是現(xiàn)場(chǎng)總線，采用以太網(wǎng)的不多，它們又是主要針對(duì)大規(guī)?；虺笠?guī)模變電站而開發(fā)的，因此價(jià)格偏高?；谝蕴W(wǎng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)有國(guó)電南京自動(dòng)化公司的PS-6000等。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過以上分析可以看出，3種網(wǎng)絡(luò)各有優(yōu)劣。針對(duì)目前新設(shè)計(jì)的智能建筑，推薦采用主流的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)作為其10 kV變電站站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，而以太網(wǎng)更適合于其中擴(kuò)展需求和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)共享需求較大的變電站。對(duì)于主接線簡(jiǎn)單、不需要考慮擴(kuò)展且投資有限的小型變電站等，也可以采用低成本的RS-485串行通信網(wǎng)絡(luò)，但它對(duì)于滿足智能建筑的設(shè)備開放性上存在很多不利因素，應(yīng)當(dāng)慎用。

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