变电站自动化系统通信技术方案比较与研究

(乌海电业局，内蒙古 乌海 016000)
摘 要：文章根据国、内外变电站自动化系统通信技术发展及应用现状，阐述了变电站自动化通信技术的各种常用方案和特点，探讨了嵌入式以太网的应用模式和未来的主要技术问题，同时对变电站自动化系统改造提出了一些思路。
关键词：变电站自动化；通信方案；嵌入式以太网
中图分类号：TM76  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)06—0260—02 

变电站是输配电系统的重要环节。变电站自动化系统实现对全变电站主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制、微机保护以及调度通信等功能，其中通信技术是分散式变电站自动化系统的关键技术之一，它直接影响着整个系统的性能。

从90年代初开始，变电站自动化通信系统先后采用了多种通信方案，经历了点对点通信、RS485总线和现场总线技术的变革，而伴随着变电站自动化系统的发展，其标准化通信协议体系正在经受着IEC60870-5系列标准向IEC61850系列标准的变迁。目前，在变电站自动化领域，正刮起一阵研究应用嵌入式以太网技术和IEC61850系列标准的浪潮。
1 变电站自动化系统通信系统的技术方案

星型通信系统是分散式变电站自动化系统早期常使用的一种点对点的通信系统，它以安装于控制室的计算机为中心点，通过通信介质与分散在每一个开关柜上的监控I/0设备和保护设备连接，形成一对多的连接形式。星形网络为不平等的网络，它极易形成瓶颈，并且通信速率和灵活性都很低。

总线型通信系统克服星型连接的不足，它在变电站自动化系统中有多种应用形式，常见的有MODBUS或者RS485总线以及现场总线技术。基于MODBUS或者RS485总线技术的通信系统在国内早期的变电站自动化系统中使用较多，它采用一个主站对多个从站的通信方式。应用中，它存着实时性差、各个从站之间无法直接通信和抗干扰纠错能力较差等缺点。

现场总线技术具有组网方便和抗干扰能力强等特点，变电站自动化领域使用较多的是LonWorks网络和CAN总线。LonWorks现场总线技术是一种基于嵌入式神经元的总线技术，可以很容易地组成对等/主从式、决策设备/传感器总线等现场总线通信系统，它的通信速率最高可达2.5Mbps。考虑到变电站内部二次设备分散安装距离远的特点，一般选用78kbps的通信速率，此时的通信距离可达2 700m，基本上可以满足目前中、低压变电站自动化系统在通信速率和通信距离的要求。

采用CAN总线技术实现的变电站自动化系统有易于实现双网备用、信息优先级丰富、抗干扰能力强和成本低等特点。CAN总线的通信效率最高可达1Mbps,但是考虑到保护装置分散安装对网络通信距离的要求，网络的实际通信速率一般只有100kbps左右。CAN总线的传输帧很短，有效数据最多只有8个字节，因此在变电站自动化系统中，必须使用多帧传输，效率较低，它一般用于网络节点数目不多的中、低压变电站自动化系统。
用现场总线来做通信网，从工程实践来看是较成功的，但是变电站自动化技术向超高压大型变电站发展，现场总线的一些局限性逐渐暴露出来，难以满足高压、超高压大型变电站自动化系统的要求。随着变电站自动化技术从中、低压变电站系统向高压、超高压变电站系统发展，变电站自动化系统要监视和控制的对象数目剧增。例如在110kV的中压变电站自动化系统中，遥信对象一般不超过600个，遥控对象一般不超过300个，而在220kV的高压变电站自动化系统中，遥信对象一般会超过2 000个，遥控对象会超过1 000个。另一方面，高压、超高压变电站自动化系统会使用比中、低压系统更多的数字式继电保护等智能化电子设备(IED),这些设备需要通过内部通信网络传输大量的遥测、故障录波等信息，特别是在发生故障时需要传输的信息量会更大，这一切都决定了高压、超高压变电站自动化系统内部通信量要比中、低压变电站自动化系统的通信量大的多。因此高压、超高压变电站自动化系统对变电站自动化通信系统提出了更高的技术要求，同时促使了中、低压变电站自动化通信系统向以太网技术的变迁。
2 嵌入式以太网的应用和在自动化系统改造中的三种模式

随着计算机软、硬件技术的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术，这使设计者在设计变电站自动化通信系统时，可以在单片机系统上实现嵌入式以太网通信。以太网具有网络速度快，带较宽，与后台监控PC机、工作站等接口方便的特点，能够较好地满足大型高压变电站自动化系统对通信网的要求。目前，嵌入式以太网技术是变电站自动化通信系统的热点和方向。

利用嵌入式设计技术在微控制器/微处理器和以太网控制器上实现的以太网就是嵌入式以太网。嵌入式以太网与传统以太网一样，在物理上遵循IEEE802.3 标准，逻辑上大都选用广泛使用的TCP/IP协议族。嵌入式以太网与传统以太网的最大区别在于:传统以太网技术是基于PC机、工作站的软件和硬件环境，与PC机、工作站的硬件直接配合，其使用的网络协议如TCP/IP等内嵌在Windows NT, UNIX等操作系统中，传统的以太网技术总脱离不了PC机、工作站的软、硬件环境，这限制了传统以太网在工业控制领域的应用。而嵌入式以太网是基于微控制器/微处理器的软、硬件环境的，使用的网络协议如TCP/IP协议族内嵌在嵌入式操作系统，甚至不使用操作系统，从而为嵌入式以太网技术应用于变电站自动化领域打开了方便之门，且它能与传统以太网在物理上和通信协议上相互兼容，因此它们之间能够相互通信。

目前，国内外各厂商推出的直接利用双以太网通信的变电站自动化产品不是很多，并且一般采用几个智能电子设备(IED)通过RS485, MODBUS或者现场总线等方式连在一起，然后用嵌入式以太网接口作为一个以太网节点连在以太网上，这种方式提高了变电站内的通信速率，但是目前每个智能电子装置(IED)配置嵌入式以太网接口已经成为一种趋势，变电站自动化系统利用嵌入式以太网进行通信时，系统的实时性和可靠性主要由采用协议的性能、对报文进行协议编码/解码的速度和以太网的冲突情况等因素决定。但是目前在变电站自动化系统中，尤其是在无操作系统环境下，对以太网常使用的TCP/IP协议栈的实现差异很大，没有如TCP/IP协议栈通用实现的那样有统一的标准，导致性能差异较大。

嵌入式以太网应用于变电站自动化系统内部的通信网络一般有三种典型应用模式：

模式1:每个间隔层设备都配置一个嵌入式以太网接口(

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