智能变电站通讯系统概述
发表时间：2018-04-17T15:21:10.053Z 来源：《电力设备》2017年第33期作者：王楚涵张明昊白云飞王勇[导读] 摘要：介绍了变电站自动化系统中通信网络的作用、通信网络的性能要求、网络的结构模式和网络通信体系及报文分类，主要探讨了分式变电站自动化系统通信网络方案选择和设计过程中需要遵循的原则给出了电压等级和复杂程度不同的变电站自动化系统通信网络的具体方案。
（辽宁省送变电工程公司辽宁省沈阳市 110003）
摘要：介绍了变电站自动化系统中通信网络的作用、通信网络的性能要求、网络的结构模式和网络通信体系及报文分类，主要探讨了分式变电站自动化系统通信网络方案选择和设计过程中需要遵循的原则给出了电压等级和复杂程度不同的变电站自动化系统通信网络的具体方案。
关键词：通信网络；变电站；CAN总线
1、前言
通信技术的推动下发展成为典型的分层分布式结构。该结构一般分为3层：变电站层、间隔层和过程层。其中，过程层包含变电站内的生产过程设施，如变压器、断路器及其辅助接点、电流和电压互感器等，主要负责现场数据采集、提供I /O 接口等间隔层包含测量和控制单元，负责该单元线路或变压器的参数测量和监控，断路器的控制和连锁等。变电站层包含全站性的监控主机，通信及控制主机，实现管理等功能的工程师站。电站自动化系统的通信任务一方面是实现站内通信功能，完成对全站一、二次设备和装置运行情况的数据信息采集和控制命令的传输；另一方面完成与上级调度或集控中心的通信，向上传送变电站运行的实时信息，接收和执行上级下达的控制命令。由于数据通信的重要性，可靠的通信成为系统的技术核心网络的故障和非正常工作会影响整个系统的运行。因此，变电站自动化系统的通信系统必须保证很高的可靠性。
2、通信网络的性能要求及结构模式
通信网络的性能要求及结构模式变电站自动化系统通信网络是影响整个系统性能的重要因素。变电站自动化系统。对内部信息数据传输的实时性、可靠性要求很高；另外，由于分期建设、设备改造、功能升级等原因，通信网络还必须具备很好的兼容性、开放性和灵活性。在1997年8月国际大电网会议上，WG34.03工作组提出了变电站站内通信网络传输的时间要求：（1）设备层和间隔层之间、间隔层内各设备之间、间隔层各间隔单元之间为100ms；（2）间隔层和变电站层之间为10000ms；（3）变电站层各设备之间、变电站和控制中心之间为1000ms；（4）各层之间的数据流峰值为：设备层和间隔层之间数据流大概为250 kb/s，取决于模拟量的采样速度，间隔层各单元之间数据流约为60 kb/s或130 kb/s，取决于是否采用分布母线保护；间隔层和变电站层之间及其他链路之间数据流大概在100 kb/s及以下。
长期以来变电站自动化的通信较多地采用串行总线，近年来现场总线在变电站自动化通信中的应用取得了巨大的成功。变电站自动化系统的通信网络结构一般是基于以太网／总线的分层的拓扑结构，通信技术主要有RS-422/485、CAN总线、LonWorks网、以太网等。随着计算机和通信技术的进步，系统网络化和体系开放性成为发展的趋势，以太网技术正被引入变电站自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基于以太网的分层式变电站自动化通信网络系统，尤其是嵌入式以太网技术在电力系统中的应用越来越广泛。
网络通信体系及报文分类IEC TC57 按照变电站自动化系统所要完成的测量、控制和保护三大功能从逻辑上将系统分为3层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了9 种逻辑接口。如下图1所示：
④⑤用于过程层和间隔层之间通信，①③⑥⑨用于间隔层内部及与变电站层的通信，⑧是间隔层之间通信。对于网络结构，决不是短期内就可以实现的，它需要电力一次、二次设备生产商共同努力才能实现。针对目前的情况，一次设备的智能化虽然已有学者开展研究，但还没有带网络接口的产品出现，所以建议采用两种渐进的方式，首先过程层仍采用硬线连接，而间隔和厂站采用以太网通信，另外可在一次设备和二次设备之间加入智能I/O 单元，来实现接口④⑤。定义了7 种类型报文，即：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文。通过分析和研究，从时域的角度，把上述变电站自动化系统中7种类型的报文分为3 种类型通信：周期性通信、随机性通信、突发性通信。
3、变电站通信网络
3.1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约转换后接入系统。
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，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。
3.2 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。
3.3 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。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、总结
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参考文献：
[1]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
[2]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
[3]黄益庄，变电站综合自动化技术，中国电力出版社，1998
作者简介：
王楚涵 1987 女汉籍贯辽宁省辽阳县辽宁省送变电工程有限公司预算员中级职称研究方向工程造价继电保护
