工业以太网在变电站综合自动化系统的应用

自动化系统引言变电站是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。近年来，随着我国经济高速发展电压等级和电网复杂程度大大的提高。为了提高供电质量，保证电力系统安全、可靠、经济运行变电站综合自动化系统在全国雨后春笋般发展起来。

1 引言
　　
变电站自动化系统是由多台微机组成的分层分布式控制系统，包括微机监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统。在各个子系统中往往又由多个智能模块组成。例如：在微机保护子系统中，有变压器保护、电容器保护、各种线路保护等。因此在变电站自动化系统内部，必须通过内部数据通信，实现各子系统内部和各子系统之间的信息交换和信息共享，以减少变电站二次设备的重复配置并简化各子系统的互连，这样既减少了重复投资，又提高了系统整体的安全性和可靠性。

2 变电站综合自动化系统对通信网络的要求
     
经济、可靠的数据通信是变电站综合自动化系统的技术核心，变电站的特殊环境使得变电站自动化系统内的数据通信网络应满足以下要求：
　　
（1）快速的实时响应能力；（2）高可靠性；优良的抗干扰能力；（4）分层式结构。
　　
在电力工业标准中对系统的数据传输都有严格的实时性指标，网络必须保证数据通信的实时性。1997年8月国际大电网会议上，WG34.03工作组提出了对变电站内通信网络传输时间的要求：
　　
设备层和间隔层之间、间隔层内各设备之间、间隔层各间隔单元之间为1～lOOms，间隔层和变电站层之间为10～1O00ms，变电站层各设备之间、变电站和控制中心之间为1O00ms。
　　
变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在雷电、电源、跳闸等强电磁干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须采取相应的措施消除这些干扰的影响，提高通信的可靠性。

3 变电站综合自动化系统通信网络的选择
      
变电站综合自动化系统的通信功能，由系统与调度中心的通信及系统内部设备间的通信两部分组成。变电站综合自动化系统网络通信过程原理见图1。 



系统与调度中心的通信网络无可争议地选用以太网；系统内部通信网络的选择，受性能、价格、硬件、软件、用户策略等诸多因素的影响，目前在选择“接口网络”上很难达成一致。但是系统内部通信网络的选择应遵循以下原则：
　　
通讯网络的可靠性是第一位的；通信网络应满足组网灵活，可扩展性好，维修调试方便的要求；应尽量采用国际标准的通信接口，并能兼容目前各种标准的通信接口，系统升级方便；
　　
通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约；应根据变电站的规模和在系统中所处的地位灵活选择。
　　
系统内部通信网络目前通常采用现场总线或工业以太网。

4 现场总线在变电站综合自动化系统中的应用
      
在小规模的35kV变电站和110kV终端变电站，以及老站改造中可考虑使用RS422和组成的网络。RS422和RS485网络的不足在于接点数目比较少，无法实现多主冗余，有瓶颈问题。
　　
工作方式为点对点，上位机一个通信口最多只能接10个节点，RS485串口构成一主多从，只能接32个节点，此外有信号反射、中间节点l司越。
　　
当变电站规模较大时，站内节点数较多，一般在40个以上，多主冗余要求和节点数量增加使和RS485难以胜任，应考虑选择现场总线网络。现场总线网将所有节点连接在一起，可以方便地增减节点，一般可连接110个节点；具有点对点、一点对多点和全网广播传送数据的功能；常用的有LonWorks网和CAN网，两个网络均为中速网络，500m时LDhw。rks网传输速率可达／s，CAN网在小于40m时达1Mb／s。
　　
网是一种多主总线，采用串行数据通信协议，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。
　　
网的媒介访问方式为问答式，在节点出错时可自动切除与总线的联系。
　　
网上的所有节点是平等的，媒介访问方式为载波监听多路访问／冲撞检测（CSMA／方式，内部通信遵循LDnTa1k协议，对重要信息有优先级。LonWorks网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网；LDhw。rks网是无源网络，通过脉冲变压器隔离，具有很强抗电磁干扰能力。[page]
　　
目前，CAN网一般用于小规模的35kV变电站和110kV终端变电站，而LonWorks网可作为一般中型110kV枢纽变电站自动化通信网络。
　　
现场总线网络与早期的异步串行网络相比具有抗干扰性强、效率高等优点，现场总线网络的出现极大地推动了我国变电站自动化的发展，但也存在着自身无法克服的弊端。
　　
由于带宽有限，而且采用带宽共享机制，有限的带宽使大资料的数据传输延迟，总体性能随节点数的增长迅速下降，不能满足大型变电站综合自动化系统通信网络的要求；由于强调专用性而牺牲了通用性，长期缺乏统一的国际标准，许多网络设备和软件需专门设计，产品更新换代困难，不能满足变电站综合自动化系统标准化的要求；总线型拓扑结构在网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃，且难以诊断故障点。

5 工业以太网在变电站综合自动化系统的应用  
    
工业以太网采用统一的TCP／IP协议，避免了不同协议间不能通讯的困扰，可以直接和局域网的计算机互连而不需额外的硬件设备，它方便数据在局域网的共享；可以用IE浏览器访问终端数据，而不要专门的软件；可以和现有的基于局域网的ERP数据库管理系统实现无缝连接，并且特别适合远程控制，配合电话交换网和GSM、无线电话网实现远程数据采集；采用统一的网线，减少了布线成本和难度，避免多种总线并存。
　　
工业以太网采用交换式集线器和全双工通信，可使网络上的冲突域不复存在（全双工通信），或碰撞机率大大降低（半双工），因此通信确定性和实时性大大提高；工业以太网针对恶劣的工业现场环境来设计（如冗余直流电源输入、高温、低温、防尘等），解决了在极端条件下网络不能稳定工作的问题，稳定性与可靠性大大提高；工业以太网采用IM，CD介质访问方式，物理层和链路层遵循IEEE802.3协议，应用层采用删IP协议，传输速率可以达到10Mb／s，而快速以太网传输速率可以达到100Mb／s，可容纳个节点，距离可达2.5km。工业以太网总线正因为有诸多的优点，在国内外逐步得到了迅速的普及。变电站自动化系统选用工业以太网代表了变电站自动化网络技术发展的最新方向。
　　
大型枢纽变电站，特别是220kV以上电压等级变电站节点数目多，站内分布成百上千个，数据信息流大，‘对速率指标要求高（要求速率130kb／s），LonWorks网络的实时性、宽带和时间同步指标已力不从心，而工业以太网却能很好满足上述要求。因此，工业以太网可以作为大型枢纽变电站内部的数据通信网络。
　　
工业以太网应用于变电站内部的通信网络一般有2种应用模式：
　　
每个智能电子设备IEDs都配置一嵌入式以太网接I：1，将该设备作为一个以太网节点直接连到以太网上，如图2所示。


　　
几个不具备以太网接口的IEDS通过／485或现场总线等方式连在一起，然后通过一具有嵌入式以太网接口的通信控制器，将其作为一个以太网节点连到以太网上，如图3所示。
　　
这两种应用模式都必须设计嵌入式以太网接口，本质上没有多大差别。但从变电站自动化系统的电压等级、配置以及成本考虑，它们的适用范围是有所不同的。从可靠性考虑，作为站内数据流的枢纽，变电站内通信系统最好是双以太网冗余配置。这样，即使一个网出现故障也不会影响整个变电站自动化系统的安全稳定运行。然而，目前嵌入式以太网每个节点的成本还较高，对中低压变电站自动化系统而言，若采用应用模式1，则设计成冗余的双以太网结构成本过高；若采用应用模式2，可以减少网络节点数，降低成本。
　　
目前，变电站中有很多IEDs（比如完成电度量计量和直流监视等功能的IEDs）的对外通信接：1只有RS485或现场总线接口，没有嵌入式以太网接口，因此就无法直接连接到以太网上。在这上，水利部建设与管理司印发了（2006年水利建设与管理工作要点>。在该工作要点中提到了“2006年水利建设与管理工作，要加强基础工作和能力建设，基本完成……水利建设项目代建制、建设同体问题等基础理论研究工作。”这表明，政府认同了以政府委托代建的模式是符合我国水利工程建设项目管理基本国情的。结合水利工程建设自身的特点及水利工程实施代建制基础和条件的分析，尽管“代建制”尚处于初级阶段，但有理由相信，随着我国经济体制改革继续深入、政治体制改革不断取得成效，随着工程信用体系和评价体系逐步建立和完善，工程项目管理和工程总承包将日益成为我国工程管理的主要模式。

参考文献
1黄霆，申立银，赵振字，任志浩．我国政府投资项目管理的现状分析[J]．建筑经济，2005，1：16—
21．
2一鸣．解读代建制[J]．投资北京，2004，创刊：2O．
3钱寅泉，汪宝国，黄金枝，等．代建制项目管理模式初探[J]．技术经济与管理研究，2002，（2）：28—
30．
4陈应春．代建制源起及其特殊文件框架设计的法律思考[J]．建筑经济，2004，（11）：17—19．
5张华平．代建制：改革政府投资项目的管理[J]．城市管理，2004，（1）：48—51．
6胡昱，严竞浮．政府投资项目管理的新模式一代建制[J]．北京建筑工程学院学报，2003，（9）：87-89．