现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用

电气工程及其自动化,自动化。

南京理工大学自动化学院

论文

课程名称：电力系统自动装置

论文题目： 现场总线技术

在变电站综合自动化系统中的应用

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电气工程及其自动化,自动化。

现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用

摘要：

变电站综合自动化系统，就是把变电站内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，把他们连接成可以互相沟通信息，共同完成自动控制任务的网络系统和控制系统。由于现场总线技术还处于发展阶段，市场上有各种针对不同场合、不同技术要求的产品。本文针对变电站自动化所需要实现的功能要求，对现在广泛应用于变电站内的现场总线技术，如CAN总线、Lon Works现场总线等，对其产生、现状、发展趋势等进行简单的概述。

关键词：CAN Lon Works 现场总线 变电站 自动化

0. 引言

随着自动化水平的提高，现场总线技术以及硬件电子电路的性能都有了长足的发展，变电站综合自动化系统对现场总线也提出了更多的要求。但现场总线技术以其协议简单开放，容错能力强，实时性高，安全性好，成本低，适用于频繁变换等优点，使其在现阶段变电站综合自动化系统中仍处于重要位置。

变电站综合自动化是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电路的自动监视、测量、自动控制和微机保护以及与调度通信等综合性的自动化功。

1. 现场总线技术的现状

变电站综合自动化是在计算机技术和网络技术的基础上发展起来的。国外在20世纪80年代已有分散式变电站综合自动化系统问世，我国的变电站综合自动化起步较晚，大概从90年代开始，初始阶段主要研制和生产集中式的变电站综合自动化系统。目前，许多高校、科研单位、制造厂家以及规划设计、基建贺运行部门在学习和借鉴国外先进技术的同时，结合我国的实际情况，共同努力，继续开发更加符合我国国情的变电站综合自动化系统。 1994年国内首次提出了分层、分布式变电站综合自动化系统，提出了面对对象的设计思想和采用按间隔设计的方法。率先采用了现场总线LonWorks接口，实现了间隔内保护装置间公共信息得到可高速数据通。

在变电站综合自动化系统的具体实施过程中，由于受现有分工和管理体制的影响而有不同的实施方法;一种主张以远动为数据采集和控制的基础，相应的设备也是以电网调度自动化为基础，“保护”则相对独立；另一种则主张站内监控以保护为数据采集和控制的基础，将保护和测量、控制结合在一起。 在传统的变电站监测系统中，一般采用BITBUS总线和RS-485总线，但

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在实际应用中都存在一下问题：

（1） BITBUS总线和RS-485总线上只能有一个主节点，无法构成多主系

统，一旦主节点出现故障，系统就不能正常运行，导致整个系统的

可靠性较差。

（2） BITBUS总线和RS-485总线的抗干扰能力较差，不适应在高电磁环

境下运行，而且其错误处理能力也很差。

（3） 数据通讯方式是命令响应式，下端节点只有在收到主节点的命令以

后，才能相应，从而造成数据不能及时上传，导致整个系统的时效

性较差，不适应于开关柜在线监测这种要求实时性很高的系统中。

针对这些问题，进而又提出各种现场总线方式，以适应相应场合的应用。例如CAN总线、Lon Works现场总线和Profibus总线技术等。

2. 变电站综合自动化系统功能

变电站综合自动化系统具有数据采集与处理、控制与调节、防误操作闭锁、远动等功能，具体如下：实时数据采集与处理功能；报警处理功能；事件顺序记录；控制功能及防误操作闭锁；系统管理记录；在线统计计算功能；画面显示和打印功能；数据库的在线修改功能；与调度站的通信功能（远动功能）；与保护装置的通信功能；自诊断、自恢复及自动切换功能。

3. 常见现场总线技术

3.1 Profibus总线技术

Profibus总线技术是一种经过优化的告诉便宜的通信连接，专为自动化控制系统与分散的I/O设备之间通信使用而设计的。Profibus使用物理层，数据链路层和用户接口，用于现场层的高速数据传输。主站周期性的读取从站的信息并周期性的从主站发送输出信息，并提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及负责设备在进行中参数的确。其主要功能和特性如下;

（1） 远距离高速通信：波特率从9.6K到12Mbit/s；最大距离12M时

为100米，1.5M时为200米，必要时可用中继器拓展。

（2） 分布式结构：各主站间令牌传递，主站与从站为主从式传送，每

段可达32个站，可用连接器连接，最多可达126个从站

（3） 诊断功能：可对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由

总线采集

（4） 开放式的通信网络

鉴于电力系统的要求，以及现场总线技术的特点，一般采用PC+PLC机建立主站结构，进而实现其他功能。

3.2 CAN总线技术

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CAN总线采用了OSI/ISO模型全部7层中的两层，即物理层和数据链路层，用户可以以这两层为基础，根据实际需要开发相应的应用层通信协。CAN总线的特点如下：

（1） 可以多主方式工作，网络上任意节点均可以在任意时刻主动的向

总线上其他节点发送信息，因而可以构成多主机系统。

（2） 当CAN节点严重错误时，具有自动关闭输出的功能，切断该节

点与总线的联系，使总线上 的其他节点及通信不受影响，故具

有较强的抗干扰能力。

（3） 采用非破坏性总线仲裁技术，当2个节点同时向总线上发送信息

时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可

不受影响的继续传输数据，节省了总线冲突仲裁时间，避免了

总线冲突。

（4） 总线上的节点信息可以分成不同的优先级，以满足不同的实时要

求

（5） 可以对点对点、一点对多点及全局广播等几种方式发送及接受数

据。

（6） CAN总线的直接通信距离可以达到10km，此时传送速率只能达

到5kbit/s；最高通信速率达到1Mbit/s，此时最大传输距离是

40m；CAN总线上的节点数实际可达110个。

（7） CAN总线采用短帧结构， 每帧信息含有8个字节，并有CRC

校验等检错措施，传输时间短，保证了数据出错率低。

（8） 通信介质采用双绞线、通州光缆或者光纤，选择灵活。

总之，采用CAN总线实时性强，可靠性高，用户接口简单，非常适用于变电所中构成高压开关柜故障在线监测等应用中。

3.3 Lon Works现场总线

Lon Works现场总线是美国Echdlon公司推出的具有强劲势力的现场

总线技术。Lon Works的系统结构包括：Lon Works节点及路由器；LonTalk协议；Lon Works收发器；Lon Works网络和节点开发工。其主要性能和特点如下：

（1） 采用开放式的LonTalk通信协议，该协议的最大特点是采用

OSI/ISO模型的全部7层协议，直接面向对象的设计方法，

它的功能覆盖范围更广。

（2） 通信介质开放，支持双绞线、同轴电缆、光纤、电力线等多

种通信介质，并且多种通信介质可在同一网中混合使用，抗

干扰能力强，其通信速率300bps~1.5Mbps，直线通信距离可

达2700m。

（3） 网络通信可以采用主从式、对等式、客户/服务器结构，并提

供总线型、星型、环型、混合型等拓扑结构，系统扩张灵活。

（4） 开发平台良好，支持面向对象的编程，从而很容易实现网络

的互操作性。Lon Works提供的开发平台包括现场调试工具、

协议分析及网络开发语言等，研制和开发的周期短。

（5） 易与多种借口连接，并能直接接收和转换各种传感器的开关

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量。数字量和模拟量等信息，适用于各种自动检测、管理与

控制系统。

4. 现场总线在变电站综合自动化系统应用中的不足

随着变电站综合自动化技术的不断发展，现场总线所固有的缺陷，已不能满足现场总线综合自动化系统运行的需要，主要表现在一下方面：

（1） 现场总线作为工控领域的专有网络，虽然价格低廉，但通信速率

低，当通信站信息节点超过一定数量后响应速率迅速下降到不能

接受的水平，无法作为变电站自动化系统的主干通信网，更不能

适应大型变电站综合自动化系统对通信的要求。

（2） 现场总线的拓扑结构对为总线型，当总线型拓扑结构在网络的任

意一点故障时，如接地、短路或短线等，均可能导致整个系统的

通信中断，由于变电站的设备检修需要对相应间隔进行停电，并

且站内二次电缆及通信电缆数量大且敷设隐蔽复杂，所以难以查

找诊断故障点。

（3） 由于现场总线有限的数据通信带宽，无法满足变电站综合自动化

系统中对大数据快速传输的要求，如故障滤波，遥视系统等

（4） 由于目前现场总线产品众多，各厂商的标准不统一，使变电站综

合自动化系统中不同子系统间通信互联往往需要另行专门设计

数据通信接口，不同影响了系统的运行性能，还增加了系统维护，

升级的难度。

5 变电站综合自动化系统中现场总线应用的发展趋

变电站综合自动化系统中现场总线应用的发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1） 不断应用国外的先进技术，进一步向高性能、高可靠性方向发展。

（2） 多种现场总线并存发展，系统集成技术进一步融合。由于多种现场

总线协议互不兼容，不同现场总线设备不能直接进行信息互访和交

换，这将促进电力自动化系统中多种现场总线系统集成技术的发

展。这种集成技术包括3个方面，即调度主站与变电站自动化系统

的集成、变电站自动化系统各种现场总线之间的集成以及变电站自

动化系统现场总线与站内相关子系统支架的集成。

（3） 高速以太网将得到更广泛的应用。现场总线的不足让我们认识到变

电站自动化系统的通信需要宽带通用和符合标准的网络技术。目前

以太网已广泛应用于变电站自动化系统站控层，并有向下延伸直接

应用于间隔层的趋势。我国已开发拥有自主知识产权的高速以太网

的现场总线控制设备，使高速以太网广泛应用于工业自动化仪表和

控制系统成为可能，现场调度主站通过光纤通信以实现了与变电站

综合自动化系统数据通信的高速连接。

（4） IEC61850将促进国内变电站自动化技术的变革。IEC61850为不同

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厂商的设备提供互操作性，这使得IEC61850将成为国内变电站自

动化技术的发展的重要内容，新的IEC61850系列标准也将随着国

内变电站自动化技术的发展逐步得到批准实施。

6. 结束语

随着电压等级的升高，以及生产、生活等对电能质量要求的提高，对变电站的要求也就随之提高。这就对现场总线技术提出更高的要求，要想保证变电站安全、可靠、高效的运行，必须针对特定的条件与需求加以改进，选择合适的现场总线技术。了解现有现场总线技术的特点，才能合理的加以利用。

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