现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用---副本

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1、现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用 付瑜 1010190119 自动化学院 指导教师：蔡卫峰【摘要】：本文介绍了现场总线的概念、通信方式、技术特点及几种典型的现场总线，变电站综合自动化系统中的通信网络及现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用及优点【关键词】：现场总线 变电站综合自动化系统 通信网络引言：计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。现场总线是

2、现场仪表与控制室系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，主要用于工厂低层设备(传感器及传动装置等)的数据通信。变电站自动化系统作为工业生产的特殊领域，应积极采用现场总线技术，使变电站自动化系统实现真正的综合自动化，从而达到电力系统的安全、可靠、经济和稳定运行。正文：1.现场总线的概念、通信方式、技术特点及类型1.1现场总线的概念现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化

3、成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线。是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。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420mA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DCS系统采用通信专用网络的局

4、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。 1.2 现场总线的通信方式现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可

5、以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。 1.3 现场总线的技术特点双向通信现场仪表的现场总线与传统4mA-20mA标准模拟传输方式相比，有以下特点：(1) 一根双绞电缆可连接多台设备，从而减少导线数量，降低配线成本。(2) 采用数字通信方式，可以处理高精度的信息，品质管理更加严密。(3) 实现了多重通信，可以传送现场仪表的过程变量PV、控制变量MV以外的信息。(4) 现场仪表之间可以相互通信，实现了现场仪表的自律分散控制。(5) 可确保互操作性，同一总线标准不同厂家的仪表可以自由组合，为用户提供

6、了更广泛的选择余地。(6) 实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表的综合化。(7) 在控制室可对现场仪表进行调试和、校检、诊断和维护。 1.4几种典型的现场总线 1.HARTHART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。（1）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通讯标准的

7、FSK技术 ,所以可以通过租用 线进行通讯。 （2）HART协议使用 FSK技术在 4 2mA过程丈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讯时 ,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。（3）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很多现场设备中实现;

8、 第三类为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令可以答应开发此类设备的公司所独占。此外它还为用户提供同一的设备描述语言DDL。（4）HART支持点对点、主从应答方式和多点广播方式。（5）直接通讯间隔: 有屏蔽双绞线单台设备3000m,而多台设备互相间隔1500m。只使用一个电源时,能连结15个智能化设备。 2.CANCAN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讯网络。在现场总线中,目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。长沙电业局天顶220kV变电站自

9、动化系统中的ABB RTU560的内部总线亦是采用的CAN总线。（1）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。（2）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。（3）网络上各节点可以定义不同的优先级以满足

10、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。（4）CANBUS上的节点数 ,理论值为2000个 ,实际值是 110个。直接通讯间隔为10km/5Kbps, 40 m/ 1MKbps。传输介质为双绞线和光纤。（5）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。而且具有自动封闭总线功能 ,在错误严重的情况下 ,可切断它与总线的联系 ,使总线上的其他操纵不受影响。3.LONWORKSLONWORKS是局部

11、操纵网络,LON是 LocalOperation Network的简称。1991年美国ECHERON公司推出该产品。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展、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。（1）LONWORKS的通讯协议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。（2）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

12、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纵系统服务。（3）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通讯协议和 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。（3）LONWORKS的直接通讯间隔为2700m/78Kbps、130 m/1.25Mbps;节点数32000个; 传输介质为双绞线、同轴电

13、缆、光纤、电缆线等。2. 变电站综合自动化系统中通信网络 2.1变电站综合自动化系统简介变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。 2.2变电站综合自动化系统中的通信网络由于数据通信在变电站自动化系统内的重要性,经济、可靠的数据通信成为系统的技术核心,而由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求,变电站自动化系统内的通信网络应满足下列要求:快速的实时响应能力;很高的可

14、靠性;优良的电磁兼容性能;分层式结构。一个典型的变电站综合自动化系统一般包括三个部分,分别是：（1）间隔层。用于和现场一次设备的信号和控制相连,包括保护装置、测控装置、自动装置、操作切换装置和其它的智能设备和附属设备等;（2）网络层。构建间隔层和变电站层之间的网络数据传输通道,完成各种数据的传输;（3）变电站层。完成相应的SCADA及变电站管理功能以及其它相应的辅助功能,为变电站运行人员、电网调度人员提供变电站监视、控制和管理功能。3. 现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用 3.1现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用实例平安变电站是深圳地区第一个220kV综合自动化变电站，站内有3

15、台单机容量为180MVA的变压器，有220kV，110kV，10kV共3个电压等级，线路保护、元件保护全部采用微机保护。整个变电站系统分为三层，即站级计算机层、通讯治理层、设备监控及保护单元层，通讯治理层是整个综合自动化系统的核心，负责沟通各下级单元监控装置、采集数据并建立实时数据库，对上连接站级计算机及远方调度中心实时报告变电站工况及事件等信息，接收控制命令并分发到指定的下级单元装置，这样现场总线在通讯治理层又处于承上启下的作用。平安变电站总线主要采用CAN网。 3.2现场总线技术在变电站综合自动化系统中的优点由于现场总线的特点和系统结构的简化，使变电站综合自动化从设计、安装、投运到正常生产

16、运行及其检修维护，都体现出优越性。（1）通信方面。变电站自动化系统中常用的串行通信接口RS232C，RS422485虽有接口标准化、规范化和多数智能单元IED接口方便的优点，但不足之处是RS232C通信有效距离短（15m），而RS485总线为主从结构，主接点工作繁忙时，影响系统性能和可靠性。而现场总线网是一种多点共享的广播通信信道网，各结点连在一条总线上（亦可采用冗余总线），且通信速率较快、通信距离长，故较点对点通信信道网（星形网）为优。现场总线网还可以设置信息传输优先级，安排信息传输的先后，这与变电站各类信息有不同传输响应时间的要求是相适应的。因此，现场总线通信方式具有精度高、传输速度快、传

17、输数据量大，可以实现双向通信等的优点。（2）节省费用。由于系统将测量、保护、控制功能分散安装到各开关柜上，采用单一的光纤（或屏蔽双绞线）代替了连接开关柜与中央控制室的控制电缆，大大减小了中央控制室的面积，节约了电缆，提高了可靠性。且为工程的修改和扩建提供了方便。特别是对无人值班的变电站，可以不设置中央控制室，取而代之的是一台计算机显示器甚至仅为一台临时监视、操作使用的便携机。（3）互操作性。变电站自动化系统应具有开放性，应能实现不同制造厂生产的设备的互操作性（互换性）；而采用现场总线通信方式正在向国际标准化推进，标准化确保了互操作性的实现。用户具有高度的系统集成主动权，用户可以自由的选择不同厂

18、商所提供的设备来集成系统，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。用户能够以最优的性能价格比构成符合自己要求的控制系统。（4）传输精度的提高。由于现场总线中的数据以全数字化状态传送，与模拟信息相比，不需要AD、DA转换，它从根本上提高了测量与控制的精确度，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，现场设备内部功能加强，减少了信息的往返传输，提高了系统的工作可靠性。结束语：通过大量的工程设计运行证实，现场总线技术增强变电站综合自动化系统运行的可靠性，减少变电站二次电缆，方便电网事故的分析与处理。完全可满足变电站现场快速、高效的数据通讯要求，使系统更可靠、更开放，本钱更低。在

19、以后的变电站综合自动化工程实践中，现场总线技术有广阔的应用空间，并将大大促进变电站综合自动化技术的发展。【参考文献】：1.电力系统自动化 孟祥忠 王博 中国林业出版社 北京大学出版社2.现场总线技术及其应用 阳宪惠 清华大学出版社3.变电站综合自动化系统运行技术 王显平 中国电力出版社4.现场总线CAN原理及应用技术 饶运涛 北京航空航天大学出版社5.DCS及现场总线技术 肖军 清华大学出版社6.现场总线技术及应用教程（第二版） 王永华 机械工业出版社7.变电站综合自动化原理及应用（第二版） 于书文 中国电力出版社8.变电站微机监控与保护技术 孟祥忠 中国电力出版社9.变电所自动化实用技术和应用指南屠强中国电力出版社