现场总线及其在调度自动化中的应用分析

    1、现场总线系统的结构

    现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。一个现场总线系统可以看成是由一个数字通信设备和监控设备组成的分布式系统。实际上，现场总线就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能化设备，其结构如图1所示。

图1 现场总线控制系统结构示意图

    1.1 网络通信
   
    为支持设备之间的信息传送，现场总线基金会系统体系结构定义了三个层次的通信体系，包括：
   
    （1） 物理层定义信号如何发送；
    （2） 数据链路层定义设备间网络如何被共享和调度；
    （3） 应用层定义报文的格式。
   
    1.2 功能模块
   
    定义参数、算法和事件响应三大要素的通用格式。
   
    1.3 对象字典和设备描述
   
    为了支持功能模块的标准化，现场总线基金会定义了两个工具——对象字典和设备描述语言，用于定义和描述应用进程的网络可见对象。
   
    1.4 网络管理
   
    现场总线基金会系统结构为每一个设备定义了一个网络代理。网络代理可提供组态管理、功能管理和差错管理的能力。
   
    1.5 系统管理
   
    系统管理内核完成以下功能：分配设备地址、功能模块执行的调度、时钟同步等。
   
    2、现场总线的技术特点
   
    现场总线技术是三C（Computer、Control、Communication）技术从控制层发展到工艺设备现场的技术结果，现场总线技术的特点如下：
   
    2.1 全数字化通信
   
    传统集散控制系统（DCS——Distributed Control System）是“半数字”系统，许多I／O模板接收或送出4～20 mA模拟信号；而现场总线控制系统（FCS—Fieldbus Control System）是一个“纯数字“系统，信号传输实现全数字化，提高了信号的可靠性、准确性，实现了检错、纠错功能。
   
    2.2 可互操作性和互用性
   
    可互操作是指实现互联设备间、系统间的信息传送和沟通，而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换。
   
    2.3 完全的分散性
   
    DCS是一个“半分散式”系统，它是采用一个或多个“控制单元”对多回路进行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每个控制板上又有多个回路。
   
    现场总线则采用的是完全分散体系，它的控制单元全部分散到现场，控制回路由现场设备实现，在现场总线中又同时允许在控制室中用数字通信的方式进行操作与调整。
   
    3、现场总线在调度自动化中的应用
   
    随着电网的不断发展，电网所需监视和控制的信息量迅速增加。及时、准确地判断电网的运行状况，保证电网安全、经济运行是各级领导急切关心的问题。调度自动化系统包括厂站端系统、调度端系统和通信系统。[page]
   
    3.1 厂站端系统构成
   
    厂站端的监测与控制系统由前端智能单元、工控机、网络通信管理适配卡、专用Modem及相应软件组成，其系统结构如图2所示。

图2 厂站端现场总线监测监控系统硬件结构框图

    前端智能单元一方面完成对各线路电流（A相、B相、C相）、电压（A相、B相、C相电压、AB相电压、BC相电压、CA相电压）、三相／单相有功功率、三相／单相无功功率、三相／单相正有功电能、三相／单相负有功电能、三相／单相正无功电能、三相／单相负无功电能、三相／单相功率因数以及周波等电参量的测量；另一方面还要完成对各开关状态的检测和控制。
   
    前端智能单元采用Intel R80C196KC 16位系统架构，主要包括采集控制逻辑、模拟信号处理、开关量输入输出处理、通信处理、系统监测与保护、实时时钟及电源等部分。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，所有数字逻辑的处理全部集成在单片高密度、超大规模的可编程逻辑阵列中。为了使前端智能单元能在恶劣的电磁环境下可靠工作，除了在电路设计、器件选择、布线布局、屏蔽隔离等环节尽可能完善外，还应随时对前端智能单元的运行状态进行监测，以确保在意外故障发生时不误操作和丢失数据。特别应该指出的是，本系统的前端智能单元可安装在户外的端子箱内（就在PT、CT下面）。
   
    厂站端工控机用于显示厂站电气主接线及其运行状况、记录各种数据、显示各种曲线和图表、异常或事故报警及打英信息转发和接收。一般变电站只需要一台工控机即可完成上述全部工作。在发电厂，根据监视点的需要可增加工控机。
   
    网络通信管理适配卡插在工控机的扩展槽上，实现前端智能单元和工控机之间的高速数据交换，并实现对网络的管理。
   
    本系统中的Modem是电力系统的专用Modem，它完成变电站与调度端之间的数据通信，其数据传送格式严格按照91CDT规约编制。
   
    3.2 调度端系统构成
   
    调度端对整个系统进行监视、控制和管理，由工控机、调制解调设备、多路通信接口设备、大屏幕显示器构成。其系统结构如图3所示。

图3 调度端系统结构

    图3中，Modem接收来自载波机的调制信号，同时调度端发出的命令又可通过Modem调制后送到载波通道，然后送到厂站端。多路通信接口完成多路数字信号与厂站端工控机的数据通信。
   
    3.3 数字通信
   
    厂站端与调度端之间的数据交换是通过数据通道传送的。目前电力系统有载波通道、微波通道、光纤通道等。对于载波通道和微波通道，需要在通道两端使用电力系统的专用调制解调器（Modem）。根据笔者的经验 ，同一通道两端的Modem应采用同一厂家同一型号的Modem。

    4、基本现场总线的调度自动化的优点

    采用基于现场总线的发电厂、变电站实时监测监控系统以及由此构成的调度自动化系统，既可避免使用大量电缆将PT、CT二次侧电参数传送至中控室，又可减少线损造成的误差，提高测量精度，还可取代中控室，使之节约占地面积与基建投资。该系统与传统的变电站监测监控系统相比，具有如下特点：
   
    （1） 前端智能单元可安装于CT或PT端子箱内，对所采集的数据就地处理，数字化传送。
    （2） 网络由两根双绞线组网，故障率低，通信波特率高。
    （3） 解决了传统监测系统中CT、PT到中控室间的压降问题，测量精度高。
    （4） 抗干扰能力强，能在户外恶劣条件下运行。
    （5） 结构简单，体积小，安装、维修方便。
   
    5、结束语
   
    随着电力网的不断扩大和计算机测控技术的飞速发展，无人值班、少人值守变电站的模式已在全国电力系统内推广，特别是对城市和农村电网的改造，可大量采取将电参量的监测、监控与保护设备下放到户外端子箱处（附近）的地方，无需再另建专门的控制室。将监控与保护设备下放是电网发展的趋势，也是英美等发达国家的现行模式。由于减少变电站的占地面积、节约基建投资和电缆费用，将大大降低改造成本。另外，彻底屏弃长距离测量信号电缆的直接结果就是测量精度、抗干扰能力和可靠性的明显提高。基于现场总线的监测监控系统必将广泛应用于电力系统的发电厂和变电站中，而且与数据通道、调度端监控系统一起构成新一代调度自动化系统。