現場(chǎng)總線(xiàn)及其在調度自動(dòng)化中的應用分析

1、現場(chǎng)總線(xiàn)系統的結構

現場(chǎng)總線(xiàn)是一種互聯(lián)現場(chǎng)自動(dòng)化設備及其控制系統的雙向數字通信協(xié)議。一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)系統可以看成是由一個(gè)數字通信設備和監控設備組成的分布式系統。實(shí)際上，現場(chǎng)總線(xiàn)就是一種計算機網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的每一個(gè)節點(diǎn)就是一個(gè)智能化設備，其結構如圖1所示。

圖1 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統結構示意圖

1.1 網(wǎng)絡(luò )通信

為支持設備之間的信息傳送，現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )系統體系結構定義了三個(gè)層次的通信體系，包括：

(1) 物理層定義信號如何發(fā)送;

(2) 數據鏈路層定義設備間網(wǎng)絡(luò )如何被共享和調度;

(3) 應用層定義報文的格式。

1.2 功能模塊

定義參數、算法和事件響應三大要素的通用格式。

1.3 對象字典和設備描述

為了支持功能模塊的標準化，現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )定義了兩個(gè)工具——對象字典和設備描述語(yǔ)言，用于定義和描述應用進(jìn)程的網(wǎng)絡(luò )可見(jiàn)對象。

1.4 網(wǎng)絡(luò )管理

現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )系統結構為每一個(gè)設備定義了一個(gè)網(wǎng)絡(luò )代理。網(wǎng)絡(luò )代理可提供組態(tài)管理、功能管理和差錯管理的能力。

1.5 系統管理

系統管理內核完成以下功能：分配設備地址、功能模塊執行的調度、時(shí)鐘同步等。

2、現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是三C(Computer、Control、Communication)技術(shù)從控制層發(fā)展到工藝設備現場(chǎng)的技術(shù)結果，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)如下：

2.1 全數字化通信

傳統集散控制系統(DCS——Distributed Control System)是“半數字”系統，許多I/O模板接收或送出4～20 mA模擬信號;而現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS—Fieldbus Control System)是一個(gè)“純數字“系統，信號傳輸實(shí)現全數字化，提高了信號的可靠性、準確性，實(shí)現了檢錯、糾錯功能。

2.2 可互操作性和互用性

可互操作是指實(shí)現互聯(lián)設備間、系統間的信息傳送和溝通，而互用性則意味著(zhù)對不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換。

2.3 完全的分散性

DCS是一個(gè)“半分散式”系統，它是采用一個(gè)或多個(gè)“控制單元”對多回路進(jìn)行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每個(gè)控制板上又有多個(gè)回路。

現場(chǎng)總線(xiàn)則采用的是完全分散體系，它的控制單元全部分散到現場(chǎng)，控制回路由現場(chǎng)設備實(shí)現，在現場(chǎng)總線(xiàn)中又同時(shí)允許在控制室中用數字通信的方式進(jìn)行操作與調整。

3、現場(chǎng)總線(xiàn)在調度自動(dòng)化中的應用

隨著(zhù)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)所需監視和控制的信息量迅速增加。及時(shí)、準確地判斷電網(wǎng)的運行狀況，保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行是各級領(lǐng)導急切關(guān)心的問(wèn)題。調度自動(dòng)化系統包括廠(chǎng)站端系統、調度端系統和通信系統。

3.1 廠(chǎng)站端系統構成

廠(chǎng)站端的監測與控制系統由前端智能單元、工控機、網(wǎng)絡(luò )通信管理適配卡、專(zhuān)用Modem及相應軟件組成，其系統結構如圖2所示。

圖2 廠(chǎng)站端現場(chǎng)總線(xiàn)監測監控系統硬件結構框圖

前端智能單元一方面完成對各線(xiàn)路電流(A相、B相、C相)、電壓(A相、B相、C相電壓、AB相電壓、BC相電壓、CA相電壓)、三相/單相有功功率、三相/單相無(wú)功功率、三相/單相正有功電能、三相/單相負有功電能、三相/單相正無(wú)功電能、三相/單相負無(wú)功電能、三相/單相功率因數以及周波等電參量的測量;另一方面還要完成對各開(kāi)關(guān)狀態(tài)的檢測和控制。

前端智能單元采用Intel R80C196KC 16位系統架構，主要包括采集控制邏輯、模擬信號處理、開(kāi)關(guān)量輸入輸出處理、通信處理、系統監測與保護、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及電源等部分。為了提高系統的可靠性和抗干擾能力，所有數字邏輯的處理全部集成在單片高密度、超大規模的可編程邏輯陣列中。為了使前端智能單元能在惡劣的電磁環(huán)境下可靠工作，除了在電路設計、器件選擇、布線(xiàn)布局、屏蔽隔離等環(huán)節盡可能完善外，還應隨時(shí)對前端智能單元的運行狀態(tài)進(jìn)行監測，以確保在意外故障發(fā)生時(shí)不誤操作和丟失數據。特別應該指出的是，本系統的前端智能單元可安裝在戶(hù)外的端子箱內(就在PT、CT下面)。

廠(chǎng)站端工控機用于顯示廠(chǎng)站電氣主接線(xiàn)及其運行狀況、記錄各種數據、顯示各種曲線(xiàn)和圖表、異?；蚴鹿蕡缶按蛴⑿畔⑥D發(fā)和接收。一般變電站只需要一臺工控機即可完成上述全部工作。在發(fā)電廠(chǎng)，根據監視點(diǎn)的需要可增加工控機。

網(wǎng)絡(luò )通信管理適配卡插在工控機的擴展槽上，實(shí)現前端智能單元和工控機之間的高速數據交換，并實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )的管理。

本系統中的Modem是電力系統的專(zhuān)用Modem，它完成變電站與調度端之間的數據通信，其數據傳送格式嚴格按照91CDT規約編制。

3.2 調度端系統構成

調度端對整個(gè)系統進(jìn)行監視、控制和管理，由工控機、調制解調設備、多路通信接口設備、大屏幕顯示器構成。其系統結構如圖3所示。

圖3 調度端系統結構

圖3中，Modem接收來(lái)自載波機的調制信號，同時(shí)調度端發(fā)出的命令又可通過(guò)Modem調制后送到載波通道，然后送到廠(chǎng)站端。多路通信接口完成多路數字信號與廠(chǎng)站端工控機的數據通信。

3.3 數字通信

廠(chǎng)站端與調度端之間的數據交換是通過(guò)數據通道傳送的。目前電力系統有載波通道、微波通道、光纖通道等。對于載波通道和微波通道，需要在通道兩端使用電力系統的專(zhuān)用調制解調器(Modem)。根據筆者的經(jīng)驗 ，同一通道兩端的Modem應采用同一廠(chǎng)家同一型號的Modem。

4、基本現場(chǎng)總線(xiàn)的調度自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)

采用基于現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)電廠(chǎng)、變電站實(shí)時(shí)監測監控系統以及由此構成的調度自動(dòng)化系統，既可避免使用大量電纜將PT、CT二次側電參數傳送至中控室，又可減少線(xiàn)損造成的誤差，提高測量精度，還可取代中控室，使之節約占地面積與基建投資。該系統與傳統的變電站監測監控系統相比，具有如下特點(diǎn)：