浅谈综合自动化变电站现场总线

   以现场总线为基础的全数字测量控制系统是21世纪变电站自动化控制系统的主流。微机化分散式变电所自动化系统所具有的自动化程度高、组态灵活、运行可靠、占地少、投资省、设计维护简单等诸多优点已成为业内的共识。正是由于传输高效、通讯可靠、接口灵活的现场总线为信息繁杂、组态灵活、运行高速的分散式变电所自动化系统提供了通讯上的保证。同时，选择不同的通讯方式、选择不同的现场总线也相应决定了整个变电所自动化系统的不同特点。
    在我局综自站现场总线中，主要有3种类型：1、许继的Lonworks总线；2、南瑞继保公司测控网采用的WorldFip总线；3、以太网。
2 总线类型比较
国内不同的自动化厂家出于不同的设计侧重点，总线的选用也不一致，虽然这些总线均以国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI)的模型为考虑基础，支持多种通信介质，但由于总线类型、具体协议各不相同，总线的选择也无统一标准。
2.1 Lonworks现场总线
2.1.1 Longworks技术特点
   Lonworks技术的基本部件是同时具有通讯与控制功能的Neuron芯片。芯片内部有三个中央处理器和RAM、ROM、EEPROM、计数器以及操作系统。
以许继电气CSL160B线路保护装置MMI插件为例，三个处理单元的神经元芯片（Neuron芯片）——一个用于链路层的控制，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序，还包含11个I／O口，这样在一个神经元芯片上就能完成网络控制功能。
Lonwoks所采用的通讯协议为LonTalk协议，Lontalk协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互联模型（OSI），该协议提供了了OSI参考模型所定义的全部七层服务。
     网络通信采用面向对象的设计方法，“在负载较轻时使介质访问延迟最小，而在负载较重时使冲突的可能性最小。”
2.1.2 通讯介质及网络拓扑结构
    LonWorks控制网络技术不受通讯介质的限制。可使用通讯介质类型较多：双绞线、光纤、同轴电缆、无线、红外等，并且各种通讯介质能够在同一网络中混合使用。在我局LonWorks综自站中，通讯介质均采用双绞线。网络拓扑形式多样，用户可选择任意形式的网络拓扑结构，网络规模可大可小。
在我局LonWorks综自站中，通讯介质均采用双绞线，网络形式为总线型。

[图1 Lon网变电站网络结构图]

 
2.1.3 LongWorks现场总线特点
     LonWorks现场总线在保证可靠、安全通信的基础上还具有报文短小（必须）、高度分散化、体积小、成本低的特点。此外，LonWorks还具有以下特点：
    1、Lon主要用于设备间相互通讯，而不是用于计算机之间通讯、
    2、Lon无需中央处理器、服务器，即可实现个个节点间的相互通讯。
    3、lon传输速率较低（双绞线，78 kbps），适宜于数据较小的检测信息、状态信息和控制信息的传输。
   4、构成简单，利用廉价电缆（双绞线）传输信息，故成本低。
2.1.4  Lon网实际应用中的注意事项
     由于Lon网介质访问采用CSMA/CD技术，可用万用表交流档测量其通断。正常时，有300mV左右的交流电压。

2.2  WorldFip现场总线

[图2 Lon网双线测量示意图]

 
2.2.1 WorldFip现场总线技术特点
  WorldFip使用曼彻斯特码传输，是一种令牌网。WorldFip 使用信息生产者和消费者的概念，和通常意义上的输出量、输入量略有区别。每个生产者或消费者变量有一个IP地址。每个用户站可以有例如16个生产者/消费者变量。任何时候，生产者只能有一个，而消费者可以是1个或多个。
  WorldFip的设计思想是，按一定的时序，为每个信息生产者分配一个固定的时段，通过总线仲裁器诸个呼叫每个生产者，如果该生产者已经上网，应在规定时间内应答。
2.2.2 通讯介质及网络拓扑结构
典型的传输介质是工业级屏蔽双绞线。网络拓扑结构为总线型，但又不同于一般的总线结构，以220kV高村变为例，网络结构图为：

[图3 总线型WorldFip网络结构]

2.2.3 WorldFip总线特点
 1、WorldFip将变电站的设备定义为“模块”："模块"是指一组具备一定基本功能(如交流量测量、开关量测量、开关控制等)、具有统一通讯接口的智能模块。因此它们之间的通讯可按其功能、时效分为几类标准通讯方式：周期性同步数据（如遥测）；周期性异步数据（如开入量）；非周期性信息报（如开出量）。
 2、网络仲裁器是整个网络通信的主宰者。网络仲裁器轮番呼叫每一个生产者变量,整个网线上总是有信号的。如果若干时间间隔内(例如几十毫秒)没有监听到网上的信号、则可以诊断为网络故障。在一个网络中可以有一个或多个网络仲裁器。在任意给定时刻，只有一个在起作用，其他处于热备份态，监听网络状态。
在高村变电站中，当地后台机为网络仲裁器，循环向各装置问信息。
3、传输速率为2.5Mb/s。
    4、采用专业工业用双绞线，成本较高。
2.2.4  WorldFip网实际应用中的注意事项
     由于WorldFip网两端配备有匹配电阻，在判断网络通断时可采用将匹配电阻一级一级向上短接的办法，快速定位故障的网络节点。

[图4 总线型WorldFip网络故障节点判断示意图]

 
2.3 以太网（Ethernet）
2.3.1 Ethernet网技术特点
    以太网（Ethernet）的名称是由加利福尼亚Xerox公司的PARC研究中心的Bob Metcalfe于1973年5月首次提出的。在Ethernet网络中重要的通讯设备就是“网卡”，网卡上面装有处理器和存储器（包括RAM和ROM）。网卡和局域网之间的通信通过双绞线以串行传输方式进行的，而网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板的I/O总线以并行方式进行传输。网络通讯采用TCP/IP协议，每一个通讯单元均要有唯一的IP地址。
2.3.2 通讯介质及网络拓扑结构

[图5 以太网网络结构图]

 
   Ethernet网可使用通讯介质有：双绞线、光纤、同轴电缆、无线、红外等。在我局高村变、虢都变均采用5类双绞线（网线）。网络结构为以HUB为通讯核心的星形网络。

2.3.3 Ethernet网络特点
  1、传输速度快，可扩展性好
以太网的传输速度有10Mbp系统、100Mbps系统和1000Mbps系统。我局综自站以太网为100Mbps系统。而且HUB接口是可以通用的，使得系统连接非常方便，具有良好的灵活性和扩展能力。
2、可靠性高，一个节点的故障不会影响其他节点的通讯。
3、成本低。
4、网络管理方便。
由于以太网具有以上优点，应用于变电站自动化系统已成为发展的必然趋势。
2.2.4  Ethernet网实际应用中的注意事项
  在Ethernet网中，由于采用网卡和集线器具有监视灯，可从监视灯的闪灭情况来判断通讯是否正常。另一方面可以通过ping设备的IP地址，若能ping通，则可判定网络没有问题。
3 串行通讯
3.1 串行通讯技术特点
在我局综自站中，还大量采用了串行通信方式。特别是在不同厂家设备之间的规约转换通讯中，采用的通讯方式均为串行通讯方式。串行通信接口方式有：EIA-RS-232C和EIA-RS-422/485
3.1.1.EIA-RS-232C接口标准
EIA-RS-232接口标准是早期串行通信接口标准。是美国电子工业协会（EIA）于1973年制定的数据传输标准接口。接口简单，广泛应用于变电站综合自动化系统内部的通信，但其主要缺点是易受干扰，故传输距离短，速率低，最大传输距离为15米。而在距离15米时，最大传输速率为20KHz。
3.1.2. EIA-RS  422/485 接口标准
RS422对RS323C的电路进行改进，采用了平衡差分的电气接口，RS422加强了抗干扰能力，使传输速率和距离比RS232有很大的提高。RS422在全双工通信时，需要4根传输线，不方便，为了减少传输线，又保留平衡差分的特点，由RS422标准变形为RS485。RS422用4根传输线，工作于全双工，RS485只有两根传输线，工作于半双工，它们的传输距离可到1200M，传输速度100K。
3.2 几种常用的串行通信标准接口对比
表3-1 几种常用的串行通信标准接口的主要性能

接口标准性能 RS-232C RS-422 RS-485 操作方式 单端 差分 差分 最大电缆距离 15m 1200m 1200m 最大传输 速率（bps） 12m 20K（15m） 10M 10M 120m － 1M 1M 1200m － 100K 100K

 *  RS422/485的优点：
①  接口简单，仅需一根信号电缆，便可实现多节点互联。
②  可采用标准传输规约。
 * RS422/485缺点：
① 能连接的通信点数≤32个。
② 通信多为查询方式。

[图6 串行通讯测量示意图]

 
3.3 串行通讯实际应用中的注意事项
     由于串行通讯传输的数字信号，靠线缆之间的电平传输信号，可用万用表直流电压档测量其通断。正常时，有2V～7V左右的电压信号跳变。

4 通讯方式比较
通过以上介绍，对我局综自站几种通讯方式作一比较：
表4-1 综自站通讯方式的比较

特性 以太网 Lonworks WorldFIP 485 数据编码 曼彻斯特 不归零 曼彻斯特 不归零 通信方式 全双式/半双工 半双工 半双工 半双工 拓扑关系 网络形 总线形 总线形 总线形 传输介质 网缆 屏蔽双绞线 屏蔽双绞线 双绞线 介质访问 CSMA/CD CSMA/CD 令牌 主从 检错码 CRC CRC CRC 无 体系结构 OSI全部7层 OSI1,2层 OSI1，2，7层 - 速率 10/100Mbps 78 kbps 2.5 Mbps 1.2～9.6 kbps

5 小结 
任何一种总线，各现场总线都有各自适合的领域，并且各领域又有各自的都有其特点。
从目前的发展来看，由于以太网具有的速度优势是其他总线所无法比拟的，综自站网络结构发展趋势是以以太网为主，其他多种网络结构形式为辅的网络结构形式。