现场总线技术在变电站自动化系统中的典型应用

现场总线技术在变电站自动化系统中的典型应用

变电站自动化系统正朝着分散化、网络化的方向发展。变电站的环境特殊，需要一种可靠、实时性强、容易操作的通信网将上层的管理网和前端的测控网连接起来。主要用于低层设备通信的现场总线完全可以适用于这种场合。运用现场总线代替传统的串行通信，不仅能从根本上改善变电站自动化系统的性能，而且使系统可靠、灵活、易于扩展。文中介绍了现场总线概念、特点和现场总线在变电站自动化系统中的优越性以及几种典型的现场总线的介绍。

【关键词】 变电站自动化 现场总线 FCS DCS 网络节点 IED设备 高速数据通信网

0 引言
　　变电站自动化系统是在计算机技术和网络通信技术技术基础上发展起来的。纵观变电站自动化系统发展的历程，大致可分为三个阶段: 90年代初期开始出现“集中式”结构的变电站自动化产品; 90年代中期“分层分布式”系统走向市场; 目前则是“分散分布式”系统的天下[1~3] 。但是目前无论是国内还是国外的分散分布式变电站自动化系统，其各部件之间绝大部分采用串行通信方式（RS232, RS485, RS422总线等）[4] 。串行通信传输速率慢，易受干扰，通信距离受限制而且通信方式不灵活，故无法满足大量实时数据传输的要求。
　　现场总线既是一个开放的通信网络，又是一种全分布的控制系统，它作为智能设备（IED）的联系纽带，把挂在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能[5] 。应用网络方式，特别是现场总线技术来解决变电站自动化系统的通信问题已成为发展的趋势。

1 现场总线的概念
　　现场总线 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初国际上发展形成的 ,用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础 ,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络 ,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术 ,已经受到世界范围的关注 ,成为自动化技术发展的热点 ,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。电力系统作为历来自动化程度最高的生产部门当然的成为了应用现场总线的前沿阵地，尤其是在变电站自动化系统中应用更为广泛和深入。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层 ,作为工厂设备级基础通讯网络 ,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 ; 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求 ; 还具有网络负载稳定 ,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点 ,现场总线系统从网络结构到通讯技术 ,都具有不同上层高速数据通信网的特色。一般把现场总线系统称为第五代控制系统 ,也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把 50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代 ,把 4~ 20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代 ,把数字计算机集中式控制系统称为第三代 ,而把 70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统 ,一方面 ,突破了DSC系统采用通信专用网络的局限 ,采用了基于公开化、标准化的解决方案 ,克服了封闭系统所造成的缺陷; 另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说 ,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

2 现场总线的技术特点
　　a、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换,现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的,开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
　　b、互可操作性与互用性,这里的互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
　　c、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。
　　d、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能,使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。
　　e、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为在现串行通信传输速率慢，易受干扰，通信距离受限制而且通信方式不灵活，故无法满足大量实时数据传输的要求。
　　现场总线既是一个开放的通信网络，又是一种全分布的控制系统，它作为智能设备（IED）的联系纽带，把挂在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能[5] 。应用网络方式，特别是现场总线技术来解决变电站自动化系统的通信问题已成为发展的趋势。
　　1 现场总线的概念
　　现场总线 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初国际上发展形成的 ,用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础 ,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络 ,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术 ,已经受到世界范围的关注 ,成为自动化技术发展的热点 ,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。电力系统作为历来自动化程度最高的生产部门当然的成为了应用现场总线的前沿阵地，尤其是在变电站自动化系统中应用更为广泛和深入。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层 ,作为工厂设备级基础通讯网络 ,要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 ; 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求 ; 还具有网络负载稳定 ,多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点 ,现场总线系统从网络结构到通讯技术 ,都具有不同上层高速数据通信网的特色。一般把现场总线系统称为第五代控制系统 ,也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把 50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代 ,把 4~ 20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代 ,把数字计算机集中式控制系统称为第三代 ,而把 70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统 ,一方面 ,突破了DSC系统采用通信专用网络的局限 ,采用了基于公开化、标准化的解决方案 ,克服了封闭系统所造成的缺陷; 另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说 ,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
　　2 现场总线的技术特点
　a、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换,现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的,开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
　b、互可操作性与互用性,这里的互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
　c、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。
　d、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能,使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。
　e、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为在现场环境工作而设计的,它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足本质安全防爆要求等。
　　3现场总线在变电站自动化系统中的优越性
　由于现场总线的以上特点,特别是现场总线系统结构的简化,使变电站自动化系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护,都体现出优越性。
　a、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在间隔设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能,因而可减少变送器的数量,不再需要单独的控制器、计算单元等,也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线,还可以用工控PC机作为站控操作工作站,从而节省了一大笔硬件投资 ,由于控制设备的减少,还可减少控制室的占地面积。
　b、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单,由于一对双绞线、一对光纤或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场IED设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的总线电缆上,既节省了投资,也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料,可节约安装费用 60 %以上。
　c、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室,运行维护人员可以查询所有间隔层设备的运行,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间,同时由于系统结构简化,连线简单而减少了维护工作量。
　d、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成变电站自动化系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围,不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展,使变电站自动化系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
　e、提高了变电站自动化系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制的准确度,减少了传送误差。同时,由于系统的结构简化,设备与连线减少,现场仪表内部功能加强: 减少了信号的往返传输,提高了变电站自动化系统的工作可靠性。
　f、易于实现设备扩充和产品改型。以现场总线为基础的变电站自动化系统,可以很方便地进行扩充和更改。扩充系统时,可将新IED设备连接在已有的现场总线上,不需要增加任何组件,也不需要考虑现场总线接口是否匹配的问题。对于功能和参数所进行的修改,可以直接通过现场总线登录与查询来实现。因此,降低了实现新的控制策略或产品改型所需要的费用。
　　4几种典型的现场总线
　a、HART
　HART是 Highway Addressable RemoteTransducer(可寻址远程传感器高速公路 )的缩写。1986年由美国 ROSEMOUNT公司开发的一套过渡性临时通讯协议。但目前受到了广泛承认 ,已成为事实上的国际标准。
●HART协议以国际标准化组织 (ISO)开放性系统互连模型 (OSI)为参照 ,使用 OSI的 1、2、7三层 ,即物理层、数据链路层、应用层。物理层采用基于Be11202通信标准的 FSK技术 ,所以可以通过租用电话线进行通信。
●HART协议使用 FSK技术在 4~ 2mA过程测量模拟信号上叠加一个频率信号。逻辑1为1200Hz,逻辑0为2200Hz,波特率为1200bps。它成功地使模拟和数字双向信号能同时进行而且互不干扰。因此在与智能化仪表通信时 ,还可使用模拟仪表、记录仪及模拟控制。在不对现场仪表进行改造的情况下 ,逐步实现数字性能 (包括数字过程变量 ),是一种理想的方案。这是一个由模拟系统向数字系统过渡的协议。
●在应用层规定了3类使命 ,第一类是通用命令 ,这是所有设备都能理解、执行的命令; 第二类是一般行为命令 ,它所提供的功能可以在许多现场设备中实现; 第三类为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令可以允许开发此类设备的公司所独有。此外它还为用户提供统一的设备描述语言DDL。
●HART支持点对点、主从应答方式和多点广播方式。
●直接通信距离: 有屏蔽双绞线单台设备3000m,而多台设备互相距离1500m。只使用一个电源时,能连结15个智能化设备。
　b、CAN
　　CAN是 Controller Area Network(控制器局域网络 )的缩写。这是由德国BOSCH公司开发的控制局域网络,是一种具有很高可靠性、支持分布式实时控制的串行通信网络。它最初是用于汽车内部大量控制测量仪器、执行机构之间数据交换的一种串行数据通信协议。现在已逐步发展到其他工业部门的控制,其中包括机械制造、数控机床、医疗器械、建筑管理监控、变电站自动化设备的监控等。国际标准化组织ISO/TC22技术委员会已制订了CAN协议的国际标准ISO/DIS1 1 898(通信速率= 1Mbps),ISO/DIS11519(通信速率=125Kbps)。在现场总线中,目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。Intel、Philips、Motorola等芯片厂商均生产CAN总线芯片产品。在我国也有 HAPCAN等系列产品推出，国内电力系统厂商自行研制的全分散型变电站综合自动化系统DISA2，DISA3即采用CAN总线。长沙电业局天顶220kV变电站自动化系统中的ABB RTU560的内部总线亦是采用的CAN总线。
●CAN协议实现 ISO/ OSI模型的 1、2两层。物理层定义了传送过程中的所有电气特性; 目标层和传输层包括了ISO/OSI定义的数据链路层的所有功能。目标层的功能包括确认哪个信息是要发送的 ,确认传送层接收到的信息并为之提供接口。传送层的功能包括帧组织、总线仲裁、检错、错误报告、错误处理等。
●CAN可以点对点、一点对多点 (成组)及全局广播等几种方式传送和接收数据,可以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络其他节点发送信息,可以方便地构成多机备份系统。
●网络上各节点可以定义不同的优先级以满足不同的实时要求,CAN采用非破坏性总线仲裁技术 ,当两个节点同时向网络上传送信息时 ,优先级低的节点主动停止数据传送 ,而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据 ,有效地避免了总线冲突。
●CANBUS上的节点数 ,理论值为2000个 ,实际值是 110个。直接通信距离为10km/5Kbps, 40 m/ 1MKbps。传输介质为双绞线和光纤。
●CAN采用短帧结构 ,受干扰概率低 ,并采用冗余校验 CRC及其他校错措施 ,保证了极低的信息出错率。而且具有自动关闭总线功能 ,在错误严重的情况下 ,可切断它与总线的联系 ,使总线上的其他操作不受影响。
　c、LONWORKS
　　LONWORKS是局部操作网络,LON是 LocalOperation Network的简称。1991年美国ECHERON公司推出该产品。其应用范围几乎包括了测控应用的所有范畴 ,特别是航空 /航天、楼宇自动化、能源管理、变电站测控设备的监控、工厂自动化、工业过程控制、计算机外围设备、电子测量设备等。LONWORKS在我国电力系统中的应用也已相当广泛，如四方公司的CSC2000变电站综合自动化系统即采用LONWORKS总线。在长沙电业局范围内有新开铺、桂花、五一特、井湾子、安沙、镇头等6个110kV变电站应用了该系统。
● LONWORKS的通信协议LONTALK协议遵循 ISO/ OSI参考模型,提供了OSI所定义的全部7层服务。这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线。
● LONWORKS的核心是Neuron(神经元 )芯片,内含3个8位的CPU:第一个CPU为介质访问控制处理器,实现 L ONTALK协议的第一层和第二层; 第二个CPU为网络处理器 ,实现LONTALK协议的第三层至第六层; 第三个CPU为应用处理器 ,实现 LONTALK协议的第七层 ,执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。 LON-WORKS的神经元芯片已由 Motorola和东芝公司生产。
●提供一套开发工具平台 LON Builder和Node Builder。有了这一套工具 ,用户就可以利用神经元芯片、LONTALK通信协议和 LONWORKS收发器很方便也很灵活地开发出自己所需要的系统和产品。
● LONWORKS的直接通信距离为2700m/78Kbps、130 m/1.25Mbps;节点数32000个; 传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电缆线等。
　d、PROFIBUS
　　PROFIBUS是Process Field Bus(过程现场总线 )的简称。 1987年德国联邦科技部集中了13家公司和5个研究所按 ISO/ OSI参考模型制订现场总线的德国标准。于1991年4月在DIN19245中发表 ,并正式成为德国现场总线标准 ,而后又列入了欧洲标准 EN50170。PROFIBUS得到了广泛的支持 ,仅在德国1996年10月至1997年1月就安装了47000个系统 ,已广泛应用在加工工业、过程自动化、智能大楼、变电站自动化系统等领域。PROFIBUS在电力系统已获得广泛应用 ,如SIEMENS公司的SICAM、LSA变电站自动化系统即采用了PROFIBUS，长沙电业局范围内东塘110kV变电站即应用了LSA综合自动化系统。上海杨树浦电厂及五强溪水电站大坝溢洪闸门集中控制也采用了PROFIBUS。
●PROFIBUS根据ISO/OSI参照模型省略了3至6层,增加了用户层。第一层定义了物理的传输特性; 第二层定义了存取协议 ;第七层定义了应用功能。PROFIBUS在用户层引入了功能模块 (FB)、对象字典(OD)和设备描述语言(DDL),允许用户对设备进行完全的内部操作 ,从而可以实现设备的互操作性。