1、變電站自動化系統通信技術方案比較與研究變電站常見自動化問題(烏海電業局，內蒙古 烏海 016000)摘 要：文章根據國、內外變電站自動化系統通信技術發展及應用現狀，闡述了變電站自動化通信技術的各種常用方案和特點，探討了嵌入式以太網的應用模式和未來的主要技術問題，同時對變電站自動化系統改造提出了一些思路。【關鍵詞】：p ：變電站自動化；通信方案；嵌入式以太網中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：10076921(2022)06026002 變電站是輸配電系統的重要環節。變電站自動化系統實現對全變電站主要設備和輸、配電線路的自動監視、測量、自動控制、微機保護以及調度通信等功能，其中通信技

2、術是分散式變電站自動化系統的關鍵技術之一，它直接影響著整個系統的性能。從90年代初開始，變電站自動化通信系統先后采用了多種通信方案，經歷了點對點通信、RS485總線和現場總線技術的變革，而伴隨著變電站自動化系統的發展，其標準化通信協議體系正在經受著IEC60870-5系列標準向IEC61850系列標準的變遷。目前，在變電站自動化領域，正刮起一陣研究應用嵌入式以太網技術和IEC61850系列標準的浪潮。1 變電站自動化系統通信系統的技術方案星型通信系統是分散式變電站自動化系統早期常使用的一種點對點的通信系統，它以安裝于控制室的計算機為中心點，通過通信介質與分散在每一個開關柜上的監控I/0設備和保

3、護設備連接，形成一對多的連接形式。星形網絡為不平等的網絡，它極易形成瓶頸，并且通信速率和靈活性都很低。總線型通信系統克服星型連接的不足，它在變電站自動化系統中有多種應用形式，常見的有MODBUS或者RS485總線以及現場總線技術。基于MODBUS或者RS485總線技術的通信系統在國內早期的變電站自動化系統中使用較多，它采用一個主站對多個從站的通信方式。應用中，它存著實時性差、各個從站之間無法直接通信和抗干擾糾錯能力較差等缺點。現場總線技術具有組網方便和抗干擾能力強等特點，變電站自動化領域使用較多的是LonWorks網絡和CAN總線。LonWorks現場總線技術是一種基于嵌入式神經元的總線技術，

4、可以很容易地組成對等/主從式、決策設備/傳感器總線等現場總線通信系統，它的通信速率最高可達2.5Mbps。考慮到變電站內部二次設備分散安裝距離遠的特點，一般選用78kbps的通信速率，此時的通信距離可達2 700m，基本上可以滿足目前中、低壓變電站自動化系統在通信速率和通信距離的要求。采用CAN總線技術實現的變電站自動化系統有易于實現雙網備用、信息優先級豐富、抗干擾能力強和成本低等特點。CAN總線的通信效率最高可達1Mbps,但是考慮到保護裝置分散安裝對網絡通信距離的要求，網絡的實際通信速率一般只有100kbps左右。CAN總線的傳輸幀很短，有效數據最多只有8個字節，因此在變電站自動化系統中，

5、必須使用多幀傳輸，效率較低，它一般用于網絡節點數目不多的中、低壓變電站自動化系統。用現場總線來做通信網，從工程實踐來看是較成功的，但是變電站自動化技術向超高壓大型變電站發展，現場總線的一些局限性逐漸暴露出來，難以滿足高壓、超高壓大型變電站自動化系統的要求。隨著變電站自動化技術從中、低壓變電站系統向高壓、超高壓變電站系統發展，變電站自動化系統要監視和控制的對象數目劇增。例如在110kV的中壓變電站自動化系統中，遙信對象一般不超過600個，遙控對象一般不超過300個，而在220kV的高壓變電站自動化系統中，遙信對象一般會超過2 000個，遙控對象會超過1 000個。另一方面，高壓、超高壓變電站自動

6、化系統會使用比中、低壓系統更多的數字式繼電保護等智能化電子設備(IED),這些設備需要通過內部通信網絡傳輸大量的遙測、故障錄波等信息，特別是在發生故障時需要傳輸的信息量會更大，這一切都決定了高壓、超高壓變電站自動化系統內部通信量要比中、低壓變電站自動化系統的通信量大的多。因此高壓、超高壓變電站自動化系統對變電站自動化通信系統提出了更高的技術要求，同時促使了中、低壓變電站自動化通信系統向以太網技術的變遷。2 嵌入式以太網的應用和在自動化系統改造中的三種模式隨著計算機軟、硬件技術的發展，工業控制領域出現了嵌入式技術，這使設計者在設計變電站自動化通信系統時，可以在單片機系統上實現嵌入式以太網通信。以

7、太網具有網絡速度快，帶較寬，與后臺監控PC機、工作站等接口方便的特點，能夠較好地滿足大型高壓變電站自動化系統對通信網的要求。目前，嵌入式以太網技術是變電站自動化通信系統的熱點和方向。利用嵌入式設計技術在微控制器/微處理器和以太網控制器上實現的以太網就是嵌入式以太網。嵌入式以太網與傳統以太網一樣，在物理上遵循IEEE802.3 標準，邏輯上大都選用廣泛使用的TCP/IP協議族。嵌入式以太網與傳統以太網的最大區別在于:傳統以太網技術是基于PC機、工作站的軟件和硬件環境，與PC機、工作站的硬件直接配合，其使用的網絡協議如TCP/IP等內嵌在Windows NT, UNIX等操作系統中，傳統的以太網技

8、術總脫離不了PC機、工作站的軟、硬件環境，這限制了傳統以太網在工業控制領域的應用。而嵌入式以太網是基于微控制器/微處理器的軟、硬件環境的，使用的網絡協議如TCP/IP協議族內嵌在嵌入式操作系統，甚至不使用操作系統，從而為嵌入式以太網技術應用于變電站自動化領域打開了方便之門，且它能與傳統以太網在物理上和通信協議上相互兼容，因此它們之間能夠相互通信。目前，國內外各廠商推出的直接利用雙以太網通信的變電站自動化產品不是很多，并且一般采用幾個智能電子設備(IED)通過RS485, MODBUS或者現場總線等方式連在一起，然后用嵌入式以太網接口作為一個以太網節點連在以太網上，這種方式提高了變電站內的通信速

9、率，但是目前每個智能電子裝置(IED)配置嵌入式以太網接口已經成為一種趨勢，變電站自動化系統利用嵌入式以太網進行通信時，系統的實時性和可靠性主要由采用協議的性能、對報文進行協議編碼/解碼的速度和以太網的沖突情況等因素決定。但是目前在變電站自動化系統中，尤其是在無操作系統環境下，對以太網常使用的TCP/IP協議棧的實現差異很大，沒有如TCP/IP協議棧通用實現的那樣有統一的標準，導致性能差異較大。嵌入式以太網應用于變電站自動化系統內部的通信網絡一般有三種典型應用模式：模式1:每個間隔層設備都配置一個嵌入式以太網接口(如CS8900A),將設備作為一個以太網節點直接連接到以太網上。模式2:幾個不具

10、備以太網接口的智能電子設備(IED)通過RS-422/485或者現場總線等方式連接在一起，然后通過一個具有嵌入式以太網接口的通信管理單元連接到以太網上。模式3:模式1和模式2的混合。對比這三種應用模式，從技術實現而言，三者都必須設計嵌入式以太網硬件接口，實現TCP/IP協議棧傳輸數據。通信管理單元硬件配置平臺較高，一般采用X86或者高性能的ARM芯片為主處理器，軟件上引入性能好的商業RTOS(實時操作系統)如QNX或者VxWorks操作系統及其TCP/IP協議棧，而間隔層設備的硬件配置平臺較低，一般使用無操作系統環境下的以太網通信模塊進行通信。就具體應用而言，尤其在現階段變電站的綜合自動化系統

11、改造中，由于變電站中的IED(如智能電能表)可能由不同的廠家提供，這些IED的對外通信接口可能只有RS-485或者現場總線接口，沒有嵌入式以太網接口。因此，現階段的變電站自動化系統，尤其是對中低壓變電站自動化系統改造一般采用模式2或者應用模式3，但是應用模式1是變電站自動化系統發展的趨勢。3 結語隨著變電站自動化通信系統的不斷發展，引發了很多新的技術問題，其中最主要的有兩個方面:研究開發基于嵌入式以太網技術的通信網絡，滿足不斷增長的技術要求；制定合適的基于以太網技術的變電站自動化系統通信協議標準或者電力系統用戶制定區域標準，以實現不同廠家產品互聯。變電站自動化技術向超高壓、特高壓變電站系統發展，變電站自動化系統得到迅速發展，“分布化、智能化、集成化、可視化和協調化”是其發展方向。通過對通信系統其發展模式的分析p 比較，提出了在新站建設和老站綜合自動化系統改造中嵌入式以太網技術的不同應用。【參考文獻】：p 1 楊奇遜.變電站綜合自動化技術