現(xiàn)場總線技術在變電站自動化系統(tǒng)中的典型應用

現(xiàn)場總線技術在變電站自動化系統(tǒng)中的典型應用

變電站自動化系統(tǒng)正朝著分散化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。變電站的環(huán)境特殊，需要一種可靠、實時性強、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。主要用于低層設備通信的現(xiàn)場總線完全可以適用于這種場合。運用現(xiàn)場總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信，不僅能從根本上改善變電站自動化系統(tǒng)的性能，而且使系統(tǒng)可靠、靈活、易于擴展。文中介紹了現(xiàn)場總線概念、特點和現(xiàn)場總線在變電站自動化系統(tǒng)中的優(yōu)越性以及幾種典型的現(xiàn)場總線的介紹。

【關鍵詞】 變電站自動化 現(xiàn)場總線 FCS DCS 網(wǎng)絡節(jié)點 IED設備 高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)

0 引言
　　變電站自動化系統(tǒng)是在計算機技術和網(wǎng)絡通信技術技術基礎上發(fā)展起來的?？v觀變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的歷程，大致可分為三個階段: 90年代初期開始出現(xiàn)“集中式”結構的變電站自動化產(chǎn)品; 90年代中期“分層分布式”系統(tǒng)走向市場; 目前則是“分散分布式”系統(tǒng)的天下[1~3] 。但是目前無論是國內(nèi)還是國外的分散分布式變電站自動化系統(tǒng)，其各部件之間絕大部分采用串行通信方式（RS232, RS485, RS422總線等）[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，故無法滿足大量實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?BR>　　現(xiàn)場總線既是一個開放的通信網(wǎng)絡，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，它作為智能設備（IED）的聯(lián)系紐帶，把掛在總線上作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能[5] 。應用網(wǎng)絡方式，特別是現(xiàn)場總線技術來解決變電站自動化系統(tǒng)的通信問題已成為發(fā)展的趨勢。

1 現(xiàn)場總線的概念
　　現(xiàn)場總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發(fā)展形成的 ,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互連通訊網(wǎng)絡。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡的基礎 ,溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡 ,而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術為主要內(nèi)容的綜合技術 ,已經(jīng)受到世界范圍的關注 ,成為自動化技術發(fā)展的熱點 ,并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻變革。電力系統(tǒng)作為歷來自動化程度最高的生產(chǎn)部門當然的成為了應用現(xiàn)場總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動化系統(tǒng)中應用更為廣泛和深入。國際上許多實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了現(xiàn)場總線技術與產(chǎn)品的開發(fā)?，F(xiàn)場總線設備的工作環(huán)境處于過程設備的底層 ,作為工廠設備級基礎通訊網(wǎng)絡 ,要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點 ; 具有一定的時間確定性和較高的實時性要求 ; 還具有網(wǎng)絡負載穩(wěn)定 ,多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點。由于上述特點 ,現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡結構到通訊技術 ,都具有不同上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的特色。一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng) ,也稱作FCS——現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把 50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代 ,把 4~ 20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代 ,把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代 ,而把 70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng) ,一方面 ,突破了DSC系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡的局限 ,采用了基于公開化、標準化的解決方案 ,克服了封閉系統(tǒng)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(tǒng)結構,變成了新型全分布式結構,把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。可以說 ,開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。

2 現(xiàn)場總線的技術特點
　　a、系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各不同廠家的設備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換,現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關標準的一致、公開性,強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng),它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)必須是開放的,開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。
　　b、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實現(xiàn)互連設備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可進行互換而實現(xiàn)互用。
　　c、現(xiàn)場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(xiàn)場設備中完成,僅靠現(xiàn)場設備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態(tài)。
　　d、系統(tǒng)結構的高度分散性。由于現(xiàn)場設備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現(xiàn)場總線已構成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結構。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結合的集散控制系統(tǒng)體系,簡化了系統(tǒng)結構,提高了可靠性。
　　e、對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。工作在現(xiàn)場設備前端,作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線,是專為在現(xiàn)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，故無法滿足大量實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?BR>　　現(xiàn)場總線既是一個開放的通信網(wǎng)絡，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，它作為智能設備（IED）的聯(lián)系紐帶，把掛在總線上作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能[5] 。應用網(wǎng)絡方式，特別是現(xiàn)場總線技術來解決變電站自動化系統(tǒng)的通信問題已成為發(fā)展的趨勢。
　　1 現(xiàn)場總線的概念
　　現(xiàn)場總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國際上發(fā)展形成的 ,用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互連通訊網(wǎng)絡。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡的基礎 ,溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡 ,而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術為主要內(nèi)容的綜合技術 ,已經(jīng)受到世界范圍的關注 ,成為自動化技術發(fā)展的熱點 ,并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻變革。電力系統(tǒng)作為歷來自動化程度最高的生產(chǎn)部門當然的成為了應用現(xiàn)場總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動化系統(tǒng)中應用更為廣泛和深入。國際