現行在線監測系統總線的研究與分析

李鋮

(四川宏業電力集團有限公司工程部，四川 成都 610091)

1 系統總線概述

在線監測技術的發展促進了電力系統檢修從以時間為基礎的檢修體制(Time Based Main-tenance)過渡到以狀態為基礎的檢修體制(Condition Based Maintenance)［1，2］。系統總線作為在線監測系統主從機之間實現雙向串行多節點數字通信的通道，起著非常重要的作用。采用總線技術可以為在線監測系統搭建開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。

串行系統總線經歷了從最初的RS－232到RS－485再到現在技術較為成熟的現場總線的變化。RS－232作為最早應用的異步串行通訊總線，雖然在最初的階段發揮了重大的作用，比如計算機串口即為RS－232，但由于本身電氣和機械特性的缺點導致被后來的RS－485所代替。RS－485傳輸距離遠，抗干擾能力強，通信速率較高，并且成本低廉，從其誕生開始市場占有率就非常高，而且目前仍然占據著重要位置。隨著信息技術、自動化技術的飛速發展，20世紀80年代中期以后，現場總線開始興起。作為一種專業的系統總線，現場總線能夠解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題，并為電力系統實現遙控、遙視及綜合自動化提供了可能。相比較RS－485，現場總線更加功能智能化和結構分散化。

雖然現場總線具有通信標準公開，系統具備開放性，設備間具有互可操作性;功能塊與結構的規范化使相同功能的設備間具有互換性;控制功能下放到現場，使控制系統結構具備高度的分散性等諸多優點，但由于現場總線的發展沒有經過一個統一標準的制約，造成了目前現場總線種類繁多的困局。現有的40余種現場總線中，比較出名的包括法國的 FIP、英國的ERA、德國西門子公司的ProfiBus、挪威的FINT、Echelon公司的 LonWorks、Phenix Contact公司的 InterBus、RoberBosch公司的 CAN、Rosemounr公司的 HART、CarloGarazzi公司的 Dupline、丹麥 ProcessData公司的P-net、PeterHans公司的 F-Mux，國際標準組織的 FF、WorldFIP、BitBus，美國的 DeviceNet與 Control-Net等等。為了有一個較為統一的局面，IEC在2003年4月頒布了61158 Ed.3的現場總線標準，規定10種類型的現場總線。實際上，現場總線從誕生開始就受到各廠商自身利益甚至國家利益的影響，10種現場總線的同時存在意味著仍然沒有一種統一的標準。我國由于沒有相應的總線標準，市場也非常混亂，制約了相應產業的發展。

電力系統在線監測也存在的系統總線選取的問題，從已經投入使用的在線監測系統反映出，RS－485仍然是主要的選擇對象［3－8］，但由于 RS－485存在著某些不可避免的缺點，CAN和 LonWorks也有應用［9－11］。本文在對幾種系統總線進行分析和對比的基礎上，提出適用的系統總線，為在線監測系統設計提供一定的參考。

2 幾種系統總線的特點分析

目前應用在在線監測的系統總線，RS－485最多，其次是CAN和LonWorks，本文將主要分析這三種系統總線，同時FF(現場總線基金會)現場總線作為目前比較公認的國際標準，也有所分析。

2.1 RS485總線

EIA(Electronic Industries Association)于1983年頒布RS－485總線標準(RS為Recommended Standard的縮寫)。原本RS－485的提出是為了解決RS－232串行通信在傳輸距離和通信速率上的不足，其中增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。RS－485后命名為TIA/EIA －485 － A 標準，其主要特性如下［1，12－13］。

(1)RS－485中邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示;邏輯“0”以兩線間的電壓差為－(2～6)V表示。該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

(2)RS－485接口的最大傳輸距離標準值為1200m，數據最高傳輸速率為10Mbps。

(3)RS－485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力強，即抗噪聲干擾性好。

(4)RS－485接口在總線上允許連接多達128個收發器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS－485接口方便地建立設備網絡。

(5)RS－485一般只需兩根連線，屏蔽雙絞線即可滿足要求。

(6)RS－485通信標準是屬于七層(OSI開放系統互聯)模型的物理層的協議標準，并不涉及接插件、電纜或協議，因此用戶可根據需要建立自己的高層通信協議及符合協議標準的服務軟件。

2.2 CAN總線

CAN(Controller Area Network控制器局域網)是德國BOSCH公司從20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡，比如發動機管理系統、變速箱控制器、儀表設備、電子主干系統。由于CAN本身的特點，其應用范圍已不再局限于汽車工業，正在向過程控制、機械工業、紡織工業、機器人及傳感器等領域發展，目前已經形成了國際標準(ISO11898)，現在很多半導體廠商推出的CPU中都內置了該控制器。CAN 具有如下特性［12－15］。(1)CAN的通信速率為5Kbps(10km)、1Mbps(40m)，節點數是110個，傳輸介質為雙絞線或光纜等。

(2)CAN采用點對點、一點對多點及全局廣播3種方式發送和接收數據。

(3)CAN可實現全分布式多機系統且無主、從機之分，每個節點均可主動發送報文，用此特點可方便地構成多機備份系統。

(4)CAN采用非破壞性總線優先級仲裁技術。當兩個節點同時向網絡發送信息時，優先級低的節點主動停止發送數據，優先級高的節點可不受影響地繼續發送信息;按節點類型分成不同的優先級字節數為8個，傳輸時間短，受干擾的概率低。

(5)CAN采用循環冗余校驗及其他檢錯措施，這樣不影響總線的正常工作。

2.3 LonWorks總線

LonWorks總線技術是美國Echelon公司1991年推出的局部操作網絡，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。LonWorks是將通信協議嵌入到一個芯片內，用戶采用該芯片及相關的配件就可設計出自己需要的各種應用節點，再利用各節點與路由器/中繼器等組成Lon-Works網絡。目前，它主要用于樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、交通運輸、工業過程控制等行業。LonWorks主要特性如下［12，14－15］。

(1)LonWorks通信速率為 78Kbps(2700m)、1.25Mbps(130m)，節點數是3200個，傳輸介質為雙絞線、同軸電纜、光纜、電源線等。

(2)Lonwork采用LonTalk通信協議，該協議遵循國際標準化組織ISO定義的開放系統互聯OSI全部7層模型。

(4)Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C派生出來的。LonWorks提供給了一套開發工具 LonBuilder與 NodeBuilder。

(5)LonTalk協議提供5種基本類型的報文服務:確認(Acknowledge)、非確認(Unacknow-ledged)、請求/響應(Request/Response)、重復(Repeated)、非重復確認(Unacknowledged Repeated)。

(6)LonTalk協議的介質訪問控制子層(MAC)對CSMA做了改進，采用一種新的稱作Predictive P-Persistent CSMA的CSMA，根據總線負載隨即調整時間槽n(1～63)，從而在負載較輕時使介質訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突的可能最小化。

2.4 FF總線

現場總線基金會(Fieldbus Foundation，FF)是國際公認的惟一不附屬于某企業的公正的非商業化的國際標準化組織，宗旨是制定統一的現場總線國際標準，無需專利許可，可供任何人使用。這是以美國Fisher－Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首的聯合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協議于1994年9月合并的。基金會現場總線采用國際標準化組織ISO的開放化系統互聯OSI的簡化模型(1，2，7層)，即物理層、數據鏈路層、應用層，另外增加了用戶層。FF主要特性如下［12］。

(1)物理層:基金會現場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kb/s，通信距離可達1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質安全防爆環境。H2的傳輸速率為1Mb/s和2.5Mb/s兩種，其通信距離為750m和500m。傳輸速率為 31.25Kbps(1900m)、1Mbps(750m)、2.5Mbps(500m)。傳輸介質可采用有限電纜、光纜和無線通信，支持總線型、樹型和點－點型拓撲結構，信號采用曼切斯特編碼。

(2)數據鏈路層:由上下兩部分組成，下層部分的功能是對傳輸介質傳送的信號進行發送、接收和控制;上層部分的功能是對數據鏈路進行控制。

(3)應用層:由訪問子層FAS和報文規范FMS組成。FAS提供3類服務:發布/索取、客戶機/服務器和報文分發。FMS規定了訪問應用進程AP和報文的格式與服務。

(4)用戶層:規定了標準的功能模塊供用戶組態使用。利用功能塊數據結構執行數據采集、處理、控制和輸出，因而給用戶帶來極大的方便。

可以看出，FF總線標準不僅僅是信號和通信標準，更是一個系統標準，這也是FF和其他現場總線系統標準的關鍵區別。

3）氣體管道維護。由于垃圾堆體的沉降而導致氣體導排管彎沉，以及HDPE材質的氣體導排管的線性膨脹系數高，在日間和夜間伸縮明顯，容易導致氣管支撐滑脫，氣管彎曲積水。氣體管道的維護主要是對氣體導排管內部的冷凝水進行疏導，保證氣體管道通暢，確保收氣效果。氣管冷凝水疏導工作為日常工作，需要每日進行巡檢，維護。

3 在線監測系統的特點

目前的在線監測系統從結構上可以分為兩類:一種是分布式;一種是集中式。分布式將信號的處理下放各個現場單元，即在現場就完成模數轉換，綜合監測主屏只負責數據的顯示和存儲等功能;集中式將現場獲取的狀態參數按照順序依次傳送到監測主屏，由主控機完成信號的處理、顯示和存儲等功能，因為集中式只需在監測主屏里面設置模數轉換模塊，因此成本更低，但是不可避免的會出現模擬信號在傳輸過程中存在衰減和受到電磁干擾的問題。集中式的系統總線只需承擔通訊功能，模擬信號通過專有的信號線傳送到監測主屏，而分布式不僅要承擔通訊功能，還要承擔狀態數據的上傳功能。

表1 典型電力設備絕緣監測特征參量

在線監測對象和監測的特征參量不同，獲取的狀態參數的數據量大小也不同，比如避雷器的特征參量包含動作次數，這個在數據幀中僅需很少的字節就可以表征，但局部放電的監測因為進行放電脈沖的采樣會有大量的狀態信息需要傳送，系統總線上的數據量很大。在電力系統中，通常需要進行在線監測的電力設備包括:電力變壓器、電力電纜、斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電抗器及隔離刀閘等。GIS隨著廣泛的應用也成為監測的對象，同時電廠的發電機也是主要的監測對象。

不論是分布式還是集中式的監測系統，同其他領域的自動化系統有所不同，它的特點主要表現在。

(1)可靠性要求高。在線監測通常處于電磁干擾非常強烈的環境，系統總線必須能夠正確地發送數據和接收數據，避免產生沖突。

(2)只進行監測工作，沒有復雜的控制任務。在線監測系統通常只向控制單元或者中心傳送設備工作狀態的參數，設備出現問題后只需報警交由控制中心人員進行處理，本身沒有控制作用，主從方式就可以滿足工作需要。

(3)實時性要求不高。高壓設備絕緣的劣化通常是漸進式發生的，除去特殊情況一般不會突然發生故障，因此在線監測系統在數據的實時獲取、傳輸和顯示上要求不高，每天也只需工作特定時段就可滿足監測要求。

(4)采用巡檢方式。當需要獲取電力設備的狀態參數時，并不是同時獲得所有監測對象的參數，而是由上位機發送指令，依次連接每一個現場單元，順序獲取每一個對象的狀態參數，因此在系統總線上不會出現在同一時刻多個設備監測數據傳送的情況。

(5)具有良好的擴充性。系統總線只需根據監測對象的增加與減少增減相應的監測節點，不必更改系統總線的物理結構，造成額外的成本支出。

(6)能夠方便的與電力系統綜合自動化系統有機兼容和接入。目前，電力系統控制越來越趨向于自動化和綜合化，在接口方面，在線監測要能與綜合自動化系統能夠無縫連接，且與綜合自動化系統沒有硬件兼容問題。

在線監測系統的這些要求，理論上 RS－485，CAN，Lonwork以及FF現場總線都能夠達到，并且還具有各自的優點，如何確定應用哪種系統總線，需要權衡考慮，合理選取。

4 在線監測系統總線的分析

RS－485采用平衡差分傳輸，抗干擾能力強，傳輸距離遠，適用于主從網絡，能允許掛接32個節點，變電站中所有電力設備都能夠作為一個節點單元，因此非常適合作為在線監測的系統總線。對于變壓器、GIS和電力電纜等電力設備的局部放電等絕緣參量在分布式結構下進行在線監測時，RS－485也能滿足局部放電的數據傳輸，文獻［16］中已經將其作為局部放電模數轉換后數據傳輸的總線。雖然RS－485作為傳統意義上的系統總線，就其先進性和技術性上確實不如現場總線技術，但是，它具有現場總線技術不能比擬的性能價格比，組建一個RS－485的系統網絡只需要很低的成本，硬件電路只需通過一個總線收發器就可以掛接到總線上，不同IC廠商的收發器可以直接互換，能夠在多種系統條件下工作。同時，RS485的物理層標準同時還被CAN、FF、LonWorks等總線采用，足見其底層應用的廣泛。但RS－485最大傳輸距離為1200m，這在比較大型的變電站或者發電廠作為系統總線時顯得捉襟見肘。隨著對電力系統可靠性要求的提高，監控一體化成為電力系統的發展趨勢，要求在線監測獲得絕緣狀態參量后能夠通過專家系統判斷故障并自行切除，同時還能夠將這種功能下發到現場單元，在這種實時性要求很高的條件下RS－485也難以勝任。

CAN是4種總線中傳輸距離最長的(能夠達到10km)，所以非常適合大型的變電站或者發電廠。CAN規約中數據長度有限制，數據幀最多只能為8個，因此每個數據幀只能發送8個字節有用信息。在線監測中為了獲取足夠的信息，比如現場的溫濕度值再加上地址和檢驗值，下位機向上位機發送的幀格式可能大于8個字節，這樣造成CAN使用起來不方便。CAN總線只規定了物理層、數據鏈路層和應用層3層，因此要真正方便地實現各種集成也不是很容易。

LonWorks采用神經元芯片，并將LonTalk通訊協議固化在芯片中，節點間可以對等通信，但若采用LonWorks總線，首先需要購買一套昂貴的開發工具平臺Lon Builder和Node Builder，并且要求開發人員要求有很豐富的網絡知識和經驗，這無形之中增加了在線監測系統的成本，制約了LonWorks總線的應用。而且，LonWorks總線不在IEC61158中推薦的總線標準之內，其最終應用前景很難預料。

FF總線因為有廣大企業的支持成為目前應用前景最好的總線技術，適合于通信任務比較復雜、安全性能要求比較高的工業過程控制場合，而且已經成熟的運用，但目前并未進行在線監測領域，因此還需觀望。

實質上，RS－485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議;而現場總線是一個定義了硬件接口和通信協議的標準，要有相同的硬件接口和通信協議才能互相連接。雖然現場總線技術相比RS－458存在著技術上的眾多優勢，但實際上現場總線自身標準的不統一卻抑制了這種發展，各個廠商的產品互不兼容，同時，昂貴的價格也讓客戶望而卻步。現場總線因為加入現場處理單元其成本是RS－485的數倍，而一般情況下在線監測的投入并不大，因此也不會在現場總線上面投入更多的資金。相比之下，RS－485原理簡單，一般的人員只需閱讀相關資料就可進行設計。RS－485只涉及物理層和數據鏈路層，對高層沒有要求，這就留給設計人員很大的想象和設計空間，能夠充分研發符合用戶需要的產品，做到成本與效益的完美結合。

5 結論

(1)RS－485因為其原理簡單、布網方便、成本低廉仍然是目前在線監測系統總線的首選，并且由于許多設備繼續沿用這種總線在系統升級或者擴充時不會造成系統兼容問題。

(2)RS－485比較適用于中小型變電站在線監測系統;現場總線比較適用于大型的變電站和發電廠。

(3)目前現場總線的標準并沒有統一，購買的產品很可能與現有產品產生兼容問題，因此對現場總線的選取需要慎重考慮。同時，相關部門還應該加快我國現場總線應用標準的制定工作，推動產業發展。

(4)隨著信息技術和控制技術的發展以及監控一體化的客觀要求，今后在線監測系統總線應該轉向現場總線，在其基礎上仔細分析、合理選取。

［1］肖登明.電力設備在線監測與故障診斷［M］.上海:上海交通大學出版社，2005，4 －31.

［2］黃盛潔，姚文捷，馬治亮，等.電氣設備絕緣在線監測和狀態維修［M］.北京:中國水利水電出版社，2004，1 －8.

［3］李波，劉念，李瑞葉.變電站絕緣子污穢在線監測技術［J］.高電壓技術，2008，34(6):1288.

［4］方先存，劉云鵬，李軍.電容型設備絕緣在線監測系統的開發與應用［J］.高電壓技術，2008，34(6):1306 －1307.

［5］陳玉，成永紅，徐霄偉，等.100 MHz采樣速率局放在線監測智能單元的開發［J］.高電壓技術，2008，34(11):2371.

［6］黃春光.一容型設備在線診斷系統的開發及應用［J］.高電壓技術，2006，32(5):43.

［7］陳文業，鄺以云，章濤，等.絕緣在線監測系統在三水電網中的運用［J］.高電壓技術，2006，32(8):114.

［8］Hao Xi-Wei，Zhang Guan-Jun，Zhang Wei.On-line Monitoring Technology for the Insulation Condition of Capacitive-type Substation Equip-ment［C］.International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis，Beijing，China，2008:1221.

［9］趙漢表，林輝，廖勝藍，等.基于CAN總線的絕緣子污穢在線監測系統［J］.高電壓技術，2005，31(6):29.

［10］葉振捷，王庭喜.基于LonWorks技術的變電站遠動終端的設計［J］.國外電子測量技術，2008，27(8):33 －35.

［11］唐蕾，陳維榮.LonWorks現場總線用于牽引變電站綜合自動化［J］.高電壓技術，2003，29(8):47.

［12］潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術［M］.北京:電子工業出版社，2003，217 －220.

［13］成永紅，陳玉，陳小林.測控技術在電力設備在線檢測中的應用［M］.北京:中國電力出版社，2006，131－164.

［14］劉國海.集散控制與現場總線［M］.北京:機械工業出版社，2006，134 －166.

［15］凌志浩.現場總線與工業以太網［M］.北京:機械工業出版社，2007，21 －23.

［16］成永紅，陳玉，孟永鵬，等.變電站電力設備絕緣綜合在線監測系統的開發［J］.高電壓技術，2007，33(8):62.