現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統中的典型應用

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統中的典型應用

變電站自動(dòng)化系統正朝著(zhù)分散化、網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。變電站的環(huán)境特殊，需要一種可靠、實(shí)時(shí)性強、容易操作的通信網(wǎng)將上層的管理網(wǎng)和前端的測控網(wǎng)連接起來(lái)。主要用于低層設備通信的現場(chǎng)總線(xiàn)完全可以適用于這種場(chǎng)合。運用現場(chǎng)總線(xiàn)代替傳統的串行通信，不僅能從根本上改善變電站自動(dòng)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(chǎng)總線(xiàn)概念、特點(diǎn)和現場(chǎng)總線(xiàn)在變電站自動(dòng)化系統中的優(yōu)越性以及幾種典型的現場(chǎng)總線(xiàn)的介紹。

【關(guān)鍵詞】 變電站自動(dòng)化 現場(chǎng)總線(xiàn) FCS DCS 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn) IED設備 高速數據通信網(wǎng)

0 引言
　　變電站自動(dòng)化系統是在計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的?？v觀(guān)變電站自動(dòng)化系統發(fā)展的歷程，大致可分為三個(gè)階段: 90年代初期開(kāi)始出現“集中式”結構的變電站自動(dòng)化產(chǎn)品; 90年代中期“分層分布式”系統走向市場(chǎng); 目前則是“分散分布式”系統的天下[1~3] 。但是目前無(wú)論是國內還是國外的分散分布式變電站自動(dòng)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(xiàn)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(wú)法滿(mǎn)足大量實(shí)時(shí)數據傳輸的要求。
　　現場(chǎng)總線(xiàn)既是一個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò )，又是一種全分布的控制系統，它作為智能設備（IED）的聯(lián)系紐帶，把掛在總線(xiàn)上作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的智能設備連接為網(wǎng)絡(luò )系統，并進(jìn)一步構成自動(dòng)化系統，實(shí)現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能[5] 。應用網(wǎng)絡(luò )方式，特別是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)來(lái)解決變電站自動(dòng)化系統的通信問(wèn)題已成為發(fā)展的趨勢。

1 現場(chǎng)總線(xiàn)的概念
　　現場(chǎng)總線(xiàn) (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發(fā)展形成的 ,用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現場(chǎng)智能設備互連通訊網(wǎng)絡(luò )。它作為工廠(chǎng)數字通信網(wǎng)絡(luò )的基礎 ,溝通了生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò ) ,而且還是一種開(kāi)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(shù)為主要內容的綜合技術(shù) ,已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注 ,成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn) ,并將導致自動(dòng)化系統結構與設備的深刻變革。電力系統作為歷來(lái)自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門(mén)當然的成為了應用現場(chǎng)總線(xiàn)的前沿陣地，尤其是在變電站自動(dòng)化系統中應用更為廣泛和深入。國際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備的工作環(huán)境處于過(guò)程設備的底層 ,作為工廠(chǎng)設備級基礎通訊網(wǎng)絡(luò ) ,要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點(diǎn) ; 具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求 ; 還具有網(wǎng)絡(luò )負載穩定 ,多數為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn) ,現場(chǎng)總線(xiàn)系統從網(wǎng)絡(luò )結構到通訊技術(shù) ,都具有不同上層高速數據通信網(wǎng)的特色。一般把現場(chǎng)總線(xiàn)系統稱(chēng)為第五代控制系統 ,也稱(chēng)作FCS——現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。人們一般把 50年代前的氣動(dòng)信號控制系統PCS稱(chēng)作第一代 ,把 4~ 20mA等電動(dòng)模擬信號控制系統稱(chēng)為第二代 ,把數字計算機集中式控制系統稱(chēng)為第三代 ,而把 70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統DCS稱(chēng)作第四代?，F場(chǎng)總線(xiàn)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(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的局限 ,采用了基于公開(kāi)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(chǎng)?？梢哉f(shuō) ,開(kāi)放性、分散性與數字通訊是現場(chǎng)總線(xiàn)系統最顯著(zhù)的特征。

2 現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)
　　a、系統的開(kāi)放性。開(kāi)放系統是指通信協(xié)議公開(kāi),各不同廠(chǎng)家的設備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現信息交換,現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放系統。這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致、公開(kāi)性,強調對標準的共識與遵從。一個(gè)開(kāi)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(gè)具有總線(xiàn)功能的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統必須是開(kāi)放的,開(kāi)放系統把系統集成的權利交給了用戶(hù)。用戶(hù)可按自己的需要和對象把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)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(shí)現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通,可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn),一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信。而互用性則意味著(zhù)不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換而實(shí)現互用。
　　c、現場(chǎng)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(chǎng)設備中完成,僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能,并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。
　　d、系統結構的高度分散性。由于現場(chǎng)設備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能,使得現場(chǎng)總線(xiàn)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(jiǎn)化了系統結構,提高了可靠性。
　　e、對現場(chǎng)環(huán)境的適應性。工作在現場(chǎng)設備前端,作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn),是專(zhuān)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(wú)法滿(mǎn)足大量實(shí)時(shí)數據傳輸的要求。
　　現場(chǎng)總線(xiàn)既是一個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò )，又是一種全分布的控制系統，它作為智能設備（IED）的聯(lián)系紐帶，把掛在總線(xiàn)上作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的智能設備連接為網(wǎng)絡(luò )系統，并進(jìn)一步構成自動(dòng)化系統，實(shí)現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能[5] 。應用網(wǎng)絡(luò )方式，特別是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)來(lái)解決變電站自動(dòng)化系統的通信問(wèn)題已成為發(fā)展的趨勢。
　　1 現場(chǎng)總線(xiàn)的概念
　　現場(chǎng)總線(xiàn) (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發(fā)展形成的 ,用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現場(chǎng)智能設備互連通訊網(wǎng)絡(luò )。它作為工廠(chǎng)數字通信網(wǎng)絡(luò )的基礎 ,溝通了生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò ) ,而且還是一種開(kāi)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(shù)為主要內容的綜合技術(shù) ,已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注 ,成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn) ,并將導致自動(dòng)化系統結構與設備的深刻變革。電力系統作為歷來(lái)自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門(mén)當然的成為了應用現場(chǎng)總線(xiàn)的前沿陣地，尤其是在變電站自動(dòng)化系統中應用更為廣泛和深入。國際