現場總線技術在變電站自動化系統中的典型應用

變電站自動化系統正朝著分散化、網絡化的方向發展。變電站的環境特殊，需要一種可靠、實時性強、容易操作的通信網將上層的管理網和前端的測控網連接起來。主要用于低層設備通信的現場總線完全可以適用于這種場合。運用現場總線代替傳統的串行通信，不僅能從根本上改善變電站自動化系統的性能，而且使系統可靠、靈活、易于擴展。文中介紹了現場總線概念、特點和現場總線在變電站自動化系統中的優越性以及幾種典型的現場總線的介紹。

【關鍵詞】 變電站自動化 現場總線 FCS DCS 網絡節點 IED設備 高速數據通信網

0 引言
　　變電站自動化系統是在計算機技術和網絡通信技術技術基礎上發展起來的。縱觀變電站自動化系統發展的歷程，大致可分為三個階段: 90年代初期開始出現“集中式”結構的變電站自動化產品; 90年代中期“分層分布式”系統走向市場; 目前則是“分散分布式”系統的天下[1~3] 。但是目前無論是國內還是國外的分散分布式變電站自動化系統，其各部件之間絕大部分采用串行通信方式（RS232, RS485, RS422總線等）[4] 。串行通信傳輸速率慢，易受干擾，通信距離受限制而且通信方式不靈活，故無法滿足大量實時數據傳輸的要求。
　　現場總線既是一個開放的通信網絡，又是一種全分布的控制系統，它作為智能設備（IED）的聯系紐帶，把掛在總線上作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及控管一體化的綜合自動化功能[5] 。應用網絡方式，特別是現場總線技術來解決變電站自動化系統的通信問題已成為發展的趨勢。

1 現場總線的概念
　　現場總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發展形成的 ,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎 ,溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡 ,而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術 ,已經受到世界范圍的關注 ,成為自動化技術發展的熱點 ,并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。電力系統作為歷來自動化程度最高的生產部門當然的成為了應用現場總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動化系統中應用更為廣泛和深入。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術與產品的開發。現場總線設備的工作環境處于過程設備的底層 ,作為工廠設備級基礎通訊網絡 ,要求具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 ; 具有一定的時間確定性和較高的實時性要求 ; 還具有網絡負載穩定 ,多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點 ,現場總線系統從網絡結構到通訊技術 ,都具有不同上層高速數據通信網的特色。一般把現場總線系統稱為第五代控制系統 ,也稱作FCS——現場總線控制系統。人們一般把 50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代 ,把 4~ 20mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代 ,把數字計算機集中式控制系統稱為第三代 ,而把 70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統 ,一方面 ,突破了DSC系統采用通信專用網絡的局限 ,采用了基于公開化、標準化的解決方案 ,克服了封閉系統所造成的缺陷; 另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構,變成了新型全分布式結構,把控制功能徹底下放到現場。可以說 ,開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。

2 現場總線的技術特點
　　a、系統的開放性。開放系統是指通信協議公開,各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換,現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放系統,它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的,開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
　　b、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。
　　c、現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成,僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態。
　　d、系統結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系,簡化了系統結構,提高了可靠性。
　　e、對現場環境的適應性。工作在現場設備前端,作為工廠網絡底層的現場總線,是專為在現串行通信傳輸速率慢，易受干擾，通信距離受限制而且通信方式不靈活，故無法滿足大量實時數據傳輸的要求。
　　現場總線既是一個開放的通信網絡，又是一種全分布的控制系統，它作為智能設備（IED）的聯系紐帶，把掛在總線上作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及控管一體化的綜合自動化功能[5] 。應用網絡方式，特別是現場總線技術來解決變電站自動化系統的通信問題已成為發展的趨勢。
　　1 現場總線的概念
　　現場總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發展形成的 ,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎 ,溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡 ,而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術 ,已經受到世界范圍的關注 ,成為自動化技術發展的熱點 ,并將導致自動化系統結構與設備的深刻變革。電力系統作為歷來自動化程度最高的生產部門當然的成為了應用現場總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動化系統中應用更為廣泛和深入。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現場總線技術與產品的開發。現場總線設備的工作環境處于過程設備的底層 ,作為工廠設備級基礎通訊網絡 ,要求具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 ; 具有一定的時間確定性和較高的實時性要求 ; 還具有網絡負載穩定 ,多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點 ,現場總線系統從網絡結構到通訊技術 ,都具有不同上層高速數據通信網的特色。一般把現場總線系統稱為第五代控制系統 ,也稱作FCS——現場總線控制系統。人們一般把 50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代 ,把 4~ 20mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代 ,把數字計算機集中式控制系統稱為第三代 ,而把 70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統 ,一方面 ,突破了DSC系統采用通信專用網絡的局限 ,采用了基于公開化、標準化的解決方案 ,克服了封閉系統所造成的缺陷; 另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構,變成了新型全分布式結構,把控制功能徹底下放到現場。可以說 ,開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。
　　2 現場總線的技術特點
　a、系統的開放性。開放系統是指通信協議公開,各不同廠家的設備之間可進行互連并實現信息交換,現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放系統,它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡系統必須是開放的,開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
　b、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數字通信。而互用性則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。
　c、現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成,僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態。
　d、系統結構的高度分散性。由于現場設備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系,簡化了系統結構,提高了可靠性。
　e、對現場環境的適應性。工作在現場設備前端,作為工廠網絡底層的現場總線,是專為在現場環境工作而設計的,它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗干擾能力,能采用兩線制實現送電與通信,并可滿足本質安全防爆要求等。
　　3現場總線在變電站自動化系統中的優越性
　由于現場總線的以上特點,特別是現場總線系統結構的簡化,使變電站自動化系統的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護,都體現出優越性。
　a、節省硬件數量與投資。由于現場總線系統中分散在間隔設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能,因而可減少變送器的數量,不再需要單獨的控制器、計算單元等,也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線,還可以用工控PC機作為站控操作工作站,從而節省了一大筆硬件投資 ,由于控制設備的減少,還可減少控制室的占地面積。
　b、節省安裝費用。現場總線系統的接線十分簡單,由于一對雙絞線、一對光纖或一條電纜上通常可掛接多個設備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場IED設備時,無需增設新的電纜,可就近連接在原有的總線電纜上,既節省了投資,也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料,可節約安裝費用 60 %以上。
　c、節省維護開銷。由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力,并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室,運行維護人員可以查詢所有間隔層設備的運行,診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間,同時由于系統結構簡化,連線簡單而減少了維護工作量。
　d、用戶具有高度的系統集成主動權。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成變電站自動化系統。避免因選擇了某一品牌的產品被“框死”了設備的選擇范圍,不會為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展,使變電站自動化系統集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。
　e、提高了變電站自動化系統的準確性與可靠性。由于現場總線設備的智能化、數字化,與模擬信號相比,它從根本上提高了測量與控制的準確度,減少了傳送誤差。同時,由于系統的結構簡化,設備與連線減少,現場儀表內部功能加強: 減少了信號的往返傳輸,提高了變電站自動化系統的工作可靠性。
　f、易于實現設備擴充和產品改型。以現場總線為基礎的變電站自動化系統,可以很方便地進行擴充和更改。擴充系統時,可將新IED設備連接在已有的現場總線上,不需要增加任何組件,也不需要考慮現場總線接口是否匹配的問題。對于功能和參數所進行的修改,可以直接通過現場總線登錄與查詢來實現。因此,降低了實現新的控制策略或產品改型所需要的費用。
　　4幾種典型的現場總線
　a、HART
　HART是 Highway Addressable RemoteTransducer(可尋址遠程傳感器高速公路 )的縮寫。1986年由美國 ROSEMOUNT公司開發的一套過渡性臨時通訊協議。但目前受到了廣泛承認 ,已成為事實上的國際標準。
●HART協議以國際標準化組織 (ISO)開放性系統互連模型 (OSI)為參照 ,使用 OSI的 1、2、7三層 ,即物理層、數據鏈路層、應用層。物理層采用基于Be11202通信標準的 FSK技術 ,所以可以通過租用電話線進行通信。
●HART協議使用 FSK技術在 4~ 2mA過程測量模擬信號上疊加一個頻率信號。邏輯1為1200Hz,邏輯0為2200Hz,波特率為1200bps。它成功地使模擬和數字雙向信號能同時進行而且互不干擾。因此在與智能化儀表通信時 ,還可使用模擬儀表、記錄儀及模擬控制。在不對現場儀表進行改造的情況下 ,逐步實現數字性能 (包括數字過程變量 ),是一種理想的方案。這是一個由模擬系統向數字系統過渡的協議。
●在應用層規定了3類使命 ,第一類是通用命令 ,這是所有設備都能理解、執行的命令; 第二類是一般行為命令 ,它所提供的功能可以在許多現場設備中實現; 第三類為特殊設備命令,以便在某些設備中實現特殊功能,這類命令可以允許開發此類設備的公司所獨有。此外它還為用戶提供統一的設備描述語言DDL。
●HART支持點對點、主從應答方式和多點廣播方式。
●直接通信距離: 有屏蔽雙絞線單臺設備3000m,而多臺設備互相距離1500m。只使用一個電源時,能連結15個智能化設備。
　b、CAN
　　CAN是 Controller Area Network(控制器局域網絡 )的縮寫。這是由德國BOSCH公司開發的控制局域網絡,是一種具有很高可靠性、支持分布式實時控制的串行通信網絡。它最初是用于汽車內部大量控制測量儀器、執行機構之間數據交換的一種串行數據通信協議。現在已逐步發展到其他工業部門的控制,其中包括機械制造、數控機床、醫療器械、建筑管理監控、變電站自動化設備的監控等。國際標準化組織ISO/TC22技術委員會已制訂了CAN協議的國際標準ISO/DIS1 1 898(通信速率= 1Mbps),ISO/DIS11519(通信速率=125Kbps)。在現場總線中,目前是唯一被批準為國際標準的現場總線。Intel、Philips、Motorola等芯片廠商均生產CAN總線芯片產品。在我國也有 HAPCAN等系列產品推出，國內電力系統廠商自行研制的全分散型變電站綜合自動化系統DISA2，DISA3即采用CAN總線。長沙電業局天頂220kV變電站自動化系統中的ABB RTU560的內部總線亦是采用的CAN總線。
●CAN協議實現 ISO/ OSI模型的 1、2兩層。物理層定義了傳送過程中的所有電氣特性; 目標層和傳輸層包括了ISO/OSI定義的數據鏈路層的所有功能。目標層的功能包括確認哪個信息是要發送的 ,確認傳送層接收到的信息并為之提供接口。傳送層的功能包括幀組織、總線仲裁、檢錯、錯誤報告、錯誤處理等。
●CAN可以點對點、一點對多點 (成組)及全局廣播等幾種方式傳送和接收數據,可以多主方式工作,網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡其他節點發送信息,可以方便地構成多機備份系統。
●網絡上各節點可以定義不同的優先級以滿足不同的實時要求,CAN采用非破壞性總線仲裁技術 ,當兩個節點同時向網絡上傳送信息時 ,優先級低的節點主動停止數據傳送 ,而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據 ,有效地避免了總線沖突。
●CANBUS上的節點數 ,理論值為2000個 ,實際值是 110個。直接通信距離為10km/5Kbps, 40 m/ 1MKbps。傳輸介質為雙絞線和光纖。
●CAN采用短幀結構 ,受干擾概率低 ,并采用冗余校驗 CRC及其他校錯措施 ,保證了極低的信息出錯率。而且具有自動關閉總線功能 ,在錯誤嚴重的情況下 ,可切斷它與總線的聯系 ,使總線上的其他操作不受影響。
　c、LONWORKS
　　LONWORKS是局部操作網絡,LON是 LocalOperation Network的簡稱。1991年美國ECHERON公司推出該產品。其應用范圍幾乎包括了測控應用的所有范疇 ,特別是航空 /航天、樓宇自動化、能源管理、變電站測控設備的監控、工廠自動化、工業過程控制、計算機外圍設備、電子測量設備等。LONWORKS在我國電力系統中的應用也已相當廣泛，如四方公司的CSC2000變電站綜合自動化系統即采用LONWORKS總線。在長沙電業局范圍內有新開鋪、桂花、五一特、井灣子、安沙、鎮頭等6個110kV變電站應用了該系統。
● LONWORKS的通信協議LONTALK協議遵循 ISO/ OSI參考模型,提供了OSI所定義的全部7層服務。這是在現場總線中唯一提供全部服務的現場總線。
● LONWORKS的核心是Neuron(神經元 )芯片,內含3個8位的CPU:第一個CPU為介質訪問控制處理器,實現 L ONTALK協議的第一層和第二層; 第二個CPU為網絡處理器 ,實現LONTALK協議的第三層至第六層; 第三個CPU為應用處理器 ,實現 LONTALK協議的第七層 ,執行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調用的操作系統服務。 LON-WORKS的神經元芯片已由 Motorola和東芝公司生產。
●提供一套開發工具平臺 LON Builder和Node Builder。有了這一套工具 ,用戶就可以利用神經元芯片、LONTALK通信協議和 LONWORKS收發器很方便也很靈活地開發出自己所需要的系統和產品。
● LONWORKS的直接通信距離為2700m/78Kbps、130 m/1.25Mbps;節點數32000個; 傳輸介質為雙絞線、同軸電纜、光纖、電纜線等。
　d、PROFIBUS
　　PROFIBUS是Process Field Bus(過程現場總線 )的簡稱。 1987年德國聯邦科技部集中了13家公司和5個研究所按 ISO/ OSI參考模型制訂現場總線的德國標準。于1991年4月在DIN19245中發表 ,并正式成為德國現場總線標準 ,而后又列入了歐洲標準 EN50170。PROFIBUS得到了廣泛的支持 ,僅在德國1996年10月至1997年1月就安裝了47000個系統 ,已廣泛應用在加工工業、過程自動化、智能大樓、變電站自動化系統等領域。PROFIBUS在電力系統已獲得廣泛應用 ,如SIEMENS公司的SICAM、LSA變電站自動化系統即采用了PROFIBUS，長沙電業局范圍內東塘110kV變電站即應用了LSA綜合自動化系統。上海楊樹浦電廠及五強溪水電站大壩溢洪閘門集中控制也采用了PROFIBUS。
●PROFIBUS根據ISO/OSI參照模型省略了3至6層,增加了用戶層。第一層定義了物理的傳輸特性; 第二層定義了存取協議 ;第七層定義了應用功能。PROFIBUS在用戶層引入了功能模塊 (FB)、對象字典(OD)和設備描述語言(DDL),允許用戶對設備進行完全的內部操作 ,從而可以實現設備的互操作性。

5、結語
　　將現場總線技術應用于變電站自動化系統中，完全可滿足變電站現場快速、高效的數據通信要求，使系統更可靠、更開放，成本更低，大大地提高變電站自動化系統的整體水平。
參 考 文 獻
1．楊奇遜 《變電站綜合自動化系統發展趨勢》-- 《電力系統自動化》.1995.19.(10): 7~9
2．金 韜.唐 滔.闕連元.等《分散式變電站自動化系統分析與討論》--《電力系統自動化》.1997.21(10):69~72
3．陶曉農《分散式變電站監控系統的通信技術方案》--《電力系統自動化》.1998.22(4): 51~54
4．金午橋 《變電站自動化系統的發展策略》--《電力系統自動化》.1999.23（22）
5．陽憲惠 《現場總線技術及其應用》.北京: 清華大學出版社.1998