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1、变电站自动化系统站内通信模式变电站自动化系统站内通信模式吉善明长沙理工大学电气与信息工程学院电气 05-05 班 学号：200524170513 摘要：摘要：本文简述了变电让自动化系统的结构以及其站内通信模式，介绍了变电站三层结构中的各种通信结构。分析了以太网、CAN 总线、LonWorks 网络、 RS-422/485 总线等几种结构，总结了各种通信结构的优点和用途。关键字：关键字：变电站，自动化系统，通信模式随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模不断扩大，系统的运行方式越 来越复杂，对自动化水平的要求越来越高，从而促进了变电站自动化技术的不 断发展。为避免重复投资，提高信息资源共享的水平，
2、须对变电站自动化系统 的信息采集、处理、传输加以规范，对站内通信配置予以综合考虑。在可靠性 的基础上尽可能做到了软硬资源的共享，提高了变电站的运行及管理水平，达 到变电站减人增效，提高安全运行水平的目的。站内通信系统在变电站自动化系统中占有非常重要的地位。变电站自动化 系统的功能在逻辑上可分配在三个层次：变电站层(stationlevel)，间隔层或单元 层(baylevel)，设备层(processlevel)。第一层为变电站层，它由间隔层得到实时 数据，承担着站内本站操作员与远方监视和维护工程师站的人机接口、监视、 管理、控制等变电站主控室功能，并负责与远方调度中心通信。第二层为间隔 层或
3、单元层，负责对下层就地装置和智能电子设备(IDEs)进行通信管理、控制 等任务，同时也承担着通信规约解释、转换工作。第三层是就地的模拟量、开 关量和脉冲量数据采集、保护和控制操作出口，是数字量和模拟量 I/O 功能。 三层之间靠站内通信系统联系。下图为结构图：图一、变电站结构图1.高速以太网这种结构有两种不同的实现方式：一、第一种结构为变电站层与间隔层共享以太网，取消了传统的通信单元。 主干网络结构采用光纤自愈环型以太网，间隔层与过程层设备直接采用双绞线 以星型方式接入主干网，用 TCP/IP 网络协议通讯。对于其他智能电子设备 (IDEs)，具有以太网接口可直接接入主干网，否则通过网关实现规
4、约转换后接 入系统。光纤双环自愈的原理就是将所有的设备分布在信号流向相反的两个环上， 平时只有主环在工作，次环处于备份状态;当环上某处光纤断裂或某节点发生故 障时，其相邻节点的主环、备环自动环回，这时，环网仍然是一个闭环，通信 链路保持畅通。故障点链路恢复后，备环回到备份状态。这种自愈型环网极大 地提高了光纤通信的可靠性。二、第二种结构为变电站层与间隔层之间采用的是以太网结构，以 TCP/IP 网络协议通讯，间隔层与过程层设备采用的是 485 总线结构，以 POLLING 方 式的厂家的内部规约进行数据交换。第一种结构一般用于 220KV 及以上枢纽变电站，光纤自愈环网在网络中 任一点故障时，
5、可快速切换通道，保证网络上设备的正常通信，其可靠性高于 双总线网络，所有的环网接入设备可实时监视与之相连的网络通信状态以及直 流电源供电情况，出现问题可通过输出触点及时反应，并能反应故障位置，极 大地简化网络的维护。并具有良好的灵活性和扩展性。间隔层与过程层设备直 接采用以太网以 TCP/IP 网络协议通讯，实现数据的高速无瓶颈平衡式传输。第二种结构用于 110KV 变电站，它的特点是根据各层之间需传输的数据 量和开放性要求而采用不同的网络结构和传输协议，变电站层与间隔层之间需 要传输整个变电站间隔层设备及智能电子设备采集的数据，因此采用了传输速 率较高的以太网结构。而在间隔层与过程层之间由于
6、采用多个通信管理单元， 传输的数据量不大，通讯速率要求不高，因而采用传输速率较低的 485 总线结 构。2.CAN 总线这种结构为变电站层与间隔层之间采用的是 CAN 总线结构，以 CAN 国际 标准 ISO11898 网络协议进行数据交换，间隔层与过程层之间采用的是 485 总 线结构，以 POLLING 方式的厂家的内部规约进行数据交换。CAN(Controller Area Network)-控制器局部网，属于现场总线的范畴，它 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN 总线采用双线串 行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中合作。CAN 具有优先权和仲裁功能，多个控
7、制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus 上，形成多主机局部网 络。CAN 总线结构通讯速率比以太网慢，最高只能达到 1MB/s，但基本能满足 站内数据交换的要求。这种结构用于 110KV 变电站，它的其它特点与以太网第 二种结构相同。3.LonWorks 网络这种结构也有两种不同的实现方式：第一种结构为间隔层与过程层之间采用 LonWork 网络技术，以 LonTalk 协 议进行数据交换，与站内智能电子设备(IDEs)的通讯经过规约转换直接挂在 LonWork 网上实现数据共享，而变电站层与间隔层之间采用直接串口通讯。第二种结构为变电站层与间隔层之间采用直接串口与调度主站通讯、采 用
8、 MOXA 卡或直接串口经过规约转换与站内智能电子设备(IDEs)通讯，而间隔 层与过程层之间采用 LonWork 网络技术，以 LonTalk 协议进行数据交换。LonWorks(LocalOperatingNetworks)-局部操作网络是美国 Echelon 公司于 1991 年提出的。LonWorks 有完整的 7 层协议,具备了局域网的基本功能，它采 用双绞线通信速率为 1.25Mbps/130m/每段 64 个节点。LonWorks 的通讯介质访 问控制方式采用了带预测的 P-坚持 CSMA（PrediciveP-Persistent CSMA） CSMA (Carrier Sen
9、se Multiple Access)载波监听多路访问，这样就避免了碰撞， 减少了网络碰撞率，提高了重载时的效率。并采用了紧急优先机制，以提高它 的实时性与可靠性。 LonWorks 是一种完整的、全开放的、可互操作的、成熟 的和低成本的分布式控制网络技术。这两种结构的特点是将间隔层与过程层之间的数据通讯视为重点，采用的 是较成熟的 LonWorks 网络技术，因此在实际应用中较为稳定。但这两种结构 简化了变电站层与间隔层之间的通讯设备和网络结构，不利于系统规模扩大和 功能扩展。这两种结构一般用于 110KV 变电站。4.RS-422/485 总线这种结构的间隔层功能实际上是由一台工控机完成的
10、，工控机接收智能通 讯卡的外设接口 RS-422/485 和串口 RS-232 智能电子设备(IDEs)采集的各种数 据，进行处理后直接显示为后台监控，并通过串口上发调度主站。RS-485 是一种低成本、易操作的半双工结构总线，通常应用于一对多点 的主从应答式通信系统中，但 RS-485 总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面 仍存在缺陷，数据通信方式为命令响应式，数据传输效率降低，尤其是错误处 理能力不强，同时当下端出现异常时，数据不能立即上传，灵活性极差，不适 于实时性要求较高的场合。这种结构的特点是进一步的简化了通讯系统，使得整个系统的数据交换功 能都集中在做为数据处理和后台监控的工控机及
11、其智能通讯卡上，一旦工控机 故障或死机就会造成系统瘫痪，这样就对系统硬件的稳定性及软件系统的可靠 性要求很高。但这种通信结构成本低廉，所以这种结构一般用于数据处理量不 大的 35KV 变电站。各种站内通信系统结构比较：通过对上述几种站内通信系统的结构分析，我们不难看出，几种站内通信 系统由于应用环境不同，设计思想的侧重点也有所不同，在实际运行中各自的 性能也各有千秋，具体列表如下：性能高速以太 网以太网LonWorksCANRS-485/422传输速率很高高一般一般低 传输规约TCP/IPTCP/IPLonTalkISO11898厂家自编应用环境220KV 及 以上变电 站110KV 变电站1
12、10KV 变 电站110KV 变 电站35KV 变电站及 110KV 变电站低 压侧 正常时数 据传输快快快一般一般事故时数 据传输一般一般快一般一般防干扰、 防雷好好好一般差可靠性好好好一般差 稳定性好好好一般一般 开放性好好一般差一般 独立性好好一般一般一般 扩展性好好差差一般表一、各种站内通信系统结构功能比较随着电网改造的深入进行，大量的变电站投入运行，近期的 110KV 及以 上变电站站内通信系统间隔层与过程层之间都是采用 LonWorks 或 CAN 网络结 构，有的还直接采用 LAN 以太网络，而 RS-422/485 总线已经不再使用；变电 站层与间隔层之间都是采用以太网结构，以
13、 TCP/IP 网络协议通讯。采用 LonWorks、CAN 或 LAN 以太网络的站内通信系统完全能满足变电站自动化系 统的通信要求。不论从硬件和软件（通信规约）的兼容性还是从通用性和易用 性的角度来看，变电站自动化系统的站内通信全部采用以太网和高速以太网是 其最佳模式。结论：结论：通过分析了各种通信结构的优点及用途，可以在实际中优化变电站的结构，使用站内通信模式的最佳模式，使变电站得以更好的工作！参考文献：参考文献：1 屠强，变电所自动化实用技术及应用指南，中国电力出版社，2004 年2 电力系统综合实习指导书3 杨奇逊，变电站综合自动化技术发展趋势,中国电机工程学会，1995 年4 郑定海，变电站微机综合自动化系统基本功能，变电站综合自动化技术研讨会论文集， 1995 年5 谭文恕，变电站自动化系统的结构和传输规约，电网技术，1998 年6 黄益庄，变电站综合自动化技术，中国电力出版社，1998
