LON总线在变电站自动化系统中的应用

现场总线（Fieldbus）是当前自动化领域的热门话题，被誉为自动化领域的计算机局域网。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，随着工业电网的日益复杂，人们对电网的安全要求也越来越高，现场总线控制技术作为一门新兴的控制技术必将取代过去的控制方式而应用在变电站自动化系统中。

一 变电站自动化系统的要求和LON总线

1 概述

国际大网会议（CIGRE）WG34.03工作组于1997年8月在《变电站内数据流的通信要求》报告中分析并提出了变电站自动化要完成的7个功能组：远动功能、自动控制功能、测量表计功能、继电保护功能、与继电保护有关的功能（如故障录波功能等）、接口功能和系统功能。报告中指出了采用现场总线对各种能实现以上功能的IDE进行集成来构成变电站自动化系统所具有的优越性。

变电站自动化的目的就是实现对远动设备、继电保护设备、各种自动化控制设备及电费计量等智能电子仪表进行集成，实现ＩＤＥ的信息共享，以减少变电站使用电缆的数量和造价，提供运行的可靠性和减少维护量。

2 现场总线简介

现场总线是80年代、90年代初国际上形成的，用于生产现场、在微机化测控设备之间的实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

现场总线系统FCS称为第五代控制系统，人们一般把50年代的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4~20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散型与数字通迅是现场总线最显著的特征。

2.1 特点

现场总线技术是计算机网络通讯、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制和生产管理等现代高科技迅猛发展的综合产物，因此现场总线的内涵现在已远远不是指这一根通讯线或通讯标准。现场总线的控制系统在精度、可靠性、经济性等许多方面都要比传统的控制系统要优越得多，其主要特点如下：

A 系统的开放性

传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。在FCS中，工作站同时靠挂于现场总线和局域网两层网络，通过后者可以与其他计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。另外，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，没有专利许可要求，实现技术共享。它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品随意地组成系统。

B可操作性和互用性

不同厂家生产的DCS产品不能互换，要想更新技术和设备，只能全部更换。FCS可实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
３ LON总线

LON总线具有以下一些特点：

Ａ：LON（Local Operating Networks）总线是美国Echelon公司１９９１年推出的局部操作网络，它为分散式监控系统提供了很强的实现手段。为了支持LON总线，Echelon公司开发了LonWorks技术，为LON总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。

● 拥有３个处理器的神经元芯片，分别应用于链路层、网络层的控制和应用程序，还包括１１个I/O口；
● 支持多种通信介质（双绞线、电力线、电源线、光纤、无线、红外等），以及它们的连接；
● LonTalk通信协议，支持７层网络协议，提供了一个固化在神经元芯片的网络操作系统；
● 提供给用户一个很好的开发平台，包括现场调试工具LonBuilder、协议分析、网络开发语言Neuron C等；
● 由于支持面向对象的编程，从而很容易实现网络的互操作性。

Ｂ：LonWorks通信是由网络变量来实现的。由于LonTalk协议对ISO/OSI模型的全部七层协议的支持，有效解决了网络互操作性问题。LON总线能够直接面向对象通信，具体实现就是通过网络变量的形式。网络变量使节点之间的通信实现只是通过网络变量的互相连接就可完成。

Ｃ：网络管理通过上位机来完成。利用美国Echelon公司的LNS构架给系统提供操作接口，选择的平台是Windows 95/NT，接口是Windows的OLE技术，利用VB 5.0实现。其主要功能是网络安装、维护和监控。采用该软件可在Windows 95环境下全３２位编程。

二 基于LonWorks技术的变电站自动化系统

１ 系统结构

根据变电站自动化系统的特点及性能要求，基于分层分布式的开放结构是现代电力系统控制的发展趋势。变电站自动化系统结构如图一所示。系统可分为变电站级、单元级和过程级。过程级包括变压器、断路器、电流及电压互感器等生产过程设施。单元级一般包括测量和控制器件，负责该单元线路或变压器的的参数测量和监视、断路器的控制和连锁；保护装置负责该单元线路或变压器的断路和异常状态保护。单元级的智能器件应尽可能的靠近过程设备，以减少连接电缆的的长度和引入线的电磁干扰。变电站级包括监控主机、远动和自动控制主机、人工智能应用主机以及用于数据库管理的服务器，实现软件开发和管理的工程师站。 [page]

各单元应能尽可能独立完成测量和控制功能，只有在必要时个单元之间才通过通信网串行交换信息，如母线保护等，这也是分布和开放式系统得要求。这样按单元分开，当一个单元的监控、保护设备出现故障或异常时，可以仅停下该设备进行检查处理，不致影响其它单元。

在LonWorks网络中，当节点少于４０个时，实时性好。所以，当节点数多时，需要将一个网划分为不同的子网以保证网络传输的实时性，比如在变电站内部设有两个LonWorks网络：监控网和录波网（如图二）。监控网用来传播各种控制和状态信息；录波网则传送电力系统故障录波信息。如果监控网中节点数偏多，还可以分为两个或多个网。网络通信速度为７８Ｋbps，最大通信距离为2km，通信介质为屏蔽双绞线或光纤。

２ 网络节点设计

作为子站的单元测控装置带有LonWorks接口，所以节点可由神经元芯片设计而成，但神经元芯片只有８位总线，最高只支持10MHz的主频，难以完成复杂的变电站所需的测控功能，因而可采用Host Base结构，将神经元芯片作为通信的协处理器，用高级主机的资源来完成复杂的测控功能，组成基于神经元芯片、ＭＩＰ结构的Host Base控制节点，如图三所示。

主站的上位机采用美国Echelon公司的PCLTA智能网卡。它采用主从结构，通过PCLTA为中介，实现系统的通信管理。Echelon公司的LNS技术提供了面向对象的编程接口，在Windows98/2000/NT平台下，用VB5.0中的Active X Control实现。

网络开发工具是LonBuilder，节电开发工具是NodeBuilder，使用Nueron C面向对象的编程语言。

３ LON测控网与上层管理网络的互联

变电站自动化的重要内容之一就是上层管理网和前端的测控网的相连。LonWorks的网络服务（LNS）结构为控制系统提供了一个强大的网络操作系统。它使用面向对象的网络协议来处理网络的各种网络服务；同时，LNS结构也允许用户用TCP/IP协议与服务器通信。另外，LonWorks通过RTLE-KL-03001与以太网连接，亦可通过网关与Internet网或中国电力信息数据交换网相连接。LonWorks是一种易于与管理网络集成的现场总线。

LonWorks现场总线技术，解决了变电站自动化系统的结构和站内通信问题，满足了系统的分布性、开放性和可扩充性，提高了继电保护、自动控制及监控等的实时性和可靠性。LonWorks技术用于综合自动化是一种非常现实的先进技术，是变电站综合自动化的发展方向。

参考文献
１：杨育红《Lon网络控制技术及应用》西安电子科学出版社，1999
２：《Nodebuilder User’s Guide》Echelon Corporation》
3：阳惠宪主编《现场总线技术及应用》北京：清华大学出版社，1999
4：周明编著《现场总线控制》中国电力出版社，2002(end)