現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)正朝著分散化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。變電站的環(huán)境特殊，需要一種可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、容易操作的通信網(wǎng)將上層的管理網(wǎng)和前端的測(cè)控網(wǎng)連接起來(lái)。主要用于低層設(shè)備通信的現(xiàn)場(chǎng)總線完全可以適用于這種場(chǎng)合。運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)的性能，而且使系統(tǒng)可靠、靈活、易于擴(kuò)展。文中介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線概念、特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)總線在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的優(yōu)越性以及幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線的介紹。

【關(guān)鍵詞】 變電站自動(dòng)化 現(xiàn)場(chǎng)總線 FCS DCS 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) IED設(shè)備 高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)

0 引言
　　變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?？v觀變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的歷程，大致可分為三個(gè)階段: 90年代初期開(kāi)始出現(xiàn)“集中式”結(jié)構(gòu)的變電站自動(dòng)化產(chǎn)品; 90年代中期“分層分布式”系統(tǒng)走向市場(chǎng); 目前則是“分散分布式”系統(tǒng)的天下[1~3] 。但是目前無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的分散分布式變電站自動(dòng)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(wú)法滿足大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?BR>　　現(xiàn)場(chǎng)總線既是一個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，它作為智能設(shè)備（IED）的聯(lián)系紐帶，把掛在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能[5] 。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)方式，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來(lái)解決變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信問(wèn)題已成為發(fā)展的趨勢(shì)。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念
　　現(xiàn)場(chǎng)總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的 ,用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ) ,溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)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(gè)基層網(wǎng)絡(luò) ,而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) ,已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注 ,成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn) ,并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。電力系統(tǒng)作為歷來(lái)自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門(mén)當(dāng)然的成為了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛和深入。國(guó)際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過(guò)程設(shè)備的底層 ,作為工廠設(shè)備級(jí)基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò) ,要求具有協(xié)議簡(jiǎn)單、容錯(cuò)能力強(qiáng)、安全性好、成本低的特點(diǎn) ; 具有一定的時(shí)間確定性和較高的實(shí)時(shí)性要求 ; 還具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定 ,多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn) ,現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù) ,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(chǎng)總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng) ,也稱作FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。人們一般把 50年代前的氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代 ,把 4~ 20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代 ,把數(shù)字計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代 ,而把 70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場(chǎng)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(luò)的局限 ,采用了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu),變成了新型全分布式結(jié)構(gòu),把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)?？梢哉f(shuō) ,開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)
　　a、系統(tǒng)的開(kāi)放性。開(kāi)放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開(kāi),各不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換,現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)。這里的開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開(kāi)性,強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開(kāi)放的,開(kāi)放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對(duì)象把來(lái)自不同供應(yīng)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(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn),一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。
　　c、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成,僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能,并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
　　d、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能,使得現(xiàn)場(chǎng)總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了可靠性。
　　e、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端,作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)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(wú)法滿足大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?BR>　　現(xiàn)場(chǎng)總線既是一個(gè)開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布的控制系統(tǒng)，它作為智能設(shè)備（IED）的聯(lián)系紐帶，把掛在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能[5] 。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)方式，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來(lái)解決變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信問(wèn)題已成為發(fā)展的趨勢(shì)。
　　1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念
　　現(xiàn)場(chǎng)總線 (Fieldbus)是 80年代末、 90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的 ,用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ) ,溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)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(gè)基層網(wǎng)絡(luò) ,而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) ,已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注 ,成為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn) ,并將導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。電力系統(tǒng)作為歷來(lái)自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門(mén)當(dāng)然的成為了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的前沿陣地，尤其是在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛和深入。國(guó)際