變電站通信技術發展綜述

陳俊峰，方珍，潘盛貴

(貴州電網公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553000)

1 前言

現代變電站綜合自動化系統是由計算機技術、通信技術、單片機技術、嵌入式技術、以太網技術、傳感器技術而集成的一個大系統，故而稱為“綜合自動化”。它不僅包含當地后臺、遠動調度、遙視等子系統，而且還包含站內二次設備間的通信(103規約)、電能量采集通信(102規約)、遠動通信(問答式101規約、問答式104規約、循環式CDT規約)等。變電站的發展和電力電子技術、計算機技術、通信技術這幾者的發展密切相關，智能電網是目前大家公認的發展方向;變電站發展是這個方向的前提條件;電力電子是這個方向的硬件基礎;計算機是這個大方向的框架;通信技術則是這個目標的核心紐帶，無論變電站怎么發展，都離不開這個紐帶。考慮到這個因素，本文從內部通信、外部通信技術這兩個角度出發，對變電站進行分析，希望這樣論述更具體些。文中的內部通信技術主要是指站內設備至當地監控后臺的通信技術——后臺監控通信技術;外部通信技術主要指變電站至調度端的通信技術——遠動通信技術。

從時間上來看，變電站的通信技術大體可分為早期、中期、現代三個階段。

2 早期的變電站內部通信技術和外部通信技術

2.1 早期的變電站內部通信技術

早期變電站內部通信技術(站內設備至當地監控后臺)主要是串行通信。串行通信，簡單的說，就是所要傳輸的數據是在一條1位寬的傳輸線上，將數據一位接一位傳送出去。如此計算，單是一個字節Byte，它的數據就要分8次進行傳輸。由此可見，數據傳輸效率及其低下，當然，不可否認的是，從技術經濟的角度上講，成本也低，這和當時的技術條件有關。當時的變電站常用的物理接口標準有Rs－232、Rs－422和Rs－485，通信方式是通過點對點的主從方式進行的，通信方式非常簡單，在變電站遙控(嚴格講，還談不上遙控，只能說是人工現場“控制”)方面，如需操作，需在老式的控制屏、控制面板方能進行現場的操作與控制，操作不便利;遙測方面，是采用指針型測量儀器儀表，其二次回路錯綜復雜，很多工作必須由值班員人工操作去完成，維護起來也不方便，那時的遙測就是現場目測。“監控系統”這個概念在當時是沒有的，變電站的設計思想主要是面向“功能設計”的思想。

2.2 早期的變電站外部通信技術

早期的遠動通信技術(變電站至調度端的通信)大致經歷了這么個過程:電子管時代→晶體管時代→集成電路時代。我國最早的遠動通信技術是五六十年代，當時是通過電子管電路，來實現遙測數據的發送和接收。遙控和遙信是通過繼電器邏輯電路實現，這時期的遠動技術一個顯著特征就是:遠動產品都是基于電子管技術制造的。這些產品雖然落后并已經淘汰，但是，它們為當時的電網調度運行做出了應有的貢獻。70年代，隨著晶體管的出現，遠動產品充分利用了晶體管技術，先是鍺管，后來是硅管。80年代，遠動通信開始使用集成技術，最初采用PMOS、NMOS技術，后來采用CMOS技術，這時期的變電站與地調之間，地調與省調之間的通信主要以電力線載波進行通信，大部分遠動設備只完成遙測與遙信功能，還沒有達到四遙功能。其設計理念是面向全站，而不是面向元件或者間隔，因此都采用集中組屏方式進行變電站設計。

3 中期的變電站內部通信技術和外部通信技術

3.1 中期的變電站內部通信技術

進入80年代以來，特別是90年代，隨著現場總線技術的迅速發展，變電站內部通信也充分利用了這一先進技術，由串行通信技術轉向現場總線通信技術。現場總線技術是基于3C技術:computer(計算機)技術、communication(通信)技術、control(控制)技術的大集成。后臺監控系統與二次保護、測量設備可以通過現場總線實現數字化信號的雙向傳輸、交互。變電站與其他工作環境最大的區別就是它是強磁場，環境惡劣，電磁干擾很大，信號易受影響。而現場總線技術的出現正好解決了這個問題，信號傳輸抗干擾強。而且，現場總線的開放性比較好，各個廠家的設備通過通信管理機(規約轉換裝置)后都可以在其網絡上互聯，操作簡單、實時性強。于是，在很短時間內就取代了大部分串行技術，變成了變電站自動化系統的主流通信技術;同時，現場總線也使變電站自動化系統的網絡通信結構發生了歷史性、革命性的變化，它具備了變電站網絡化發展方向的雛形，為變電站實現網絡化打下基礎。

3.2 中期的變電站外部通信技術

20世紀80～90年代，由于微處理器芯片(CPU)和大規模集成電路技術以及嵌入式系統的迅猛發展，變電站外部通信技術——遠動通信技術發生了很大變化，出現了SCADA系統。SCADA系統，即數據采集與監控系統，廣義的SCADA系統不僅包括廠站端遠動通信系統和設備，也包括調度主站端的自動化系統。這時期的外部通信技術在傳輸速率方面、傳輸正確性、可靠性方面、實時性方面得到很大提高和發展。很明顯，中期外部通信技術有最大特征就是:以微處理芯片CPU(8/16/32位)發展為基礎、以嵌入式系統為平臺。這個時期的設計理念仍然面向全廠或全站。與調度中心或遠方控制中心之間的通信方式除了電力線載波之外還有微波等其它方式;遠動方面完全實現了四遙:遙控、遙調、遙信、遙測。

4 現代的變電站內部通信技術和外部通信技術

4.1 現代的變電站內部通信技術

1973年，施樂(xerox)公司發明了分組交換局域網技術，控制訪問技術采用競爭總線方式，這是局域網發展的開端。可以說，1998年，隨著IEEE 802委員會成立，標志著工業以太網的誕生。變電站的內部通信也逐步由現場總線技術轉向工業以太網技術。經過30多年的發展，以太網技術以其優越的實時性、開放性、組網的靈活性、通信媒介普及程度高等優勢，能成為網絡連接的首選，并已大量使用于變電站綜合自動化領域。現在，變電站內保護、測量、控制、計量等設備都接入交換機，后臺監控由交換機讀取站內設備信息，設備的信息通過以太網得以實現共享，而當地的監控對設備的控制已實現“網絡化”。實時性、開放性、網絡控制是其特征。毫無疑問，現在的變電站內部通信技術的一個主要技術標志就是:工業以太網技術。

4.2 現在的變電站外部通信技術

21世紀初，由于光纖通信技術、半導體芯片技術、通信技術以及計算機技術飛速發展，變電站外部通信技術也已從早期、中期發展到現在比較綜合、完整的自動化系統。廠站與主站的外部通信主要采用光纖進行通信。現在，變電站綜合自動化系統將大量智能設備諸如保護裝置、測控裝置、自動裝置、計量裝置、電源、五防等各種設備和子系統納入一個變電站自動化系統中。如此多的信號要實現實時、快速傳播，光纖通信方式正是最好的選擇。光纖傳輸信息量大，可遠距離傳輸，且光纖采用絕緣體材料，信號傳輸過程不易受干擾。在設計思想方面，現在的思想主要是分層設計的思想。現在變電站的分層分布結構正好體現了思想。當然，仁者見仁，智者見智，有的學者把變電站分為兩層，即站控(變電站)層和間隔層，而有的學者則把變電站分為三層，即站控(變電站)層和間隔層及過程層，無論分為幾層，都說明了現在的設計理念已經不同以往的集中思想。當然，在分層的思想中也有集中思想的體現，但這個集中的思想是對某一層這個面而言的。這時期的外部通信技術主要以光纖通信為主，光纖通信是其最大特點，而如何完善光纖通信技術也必將是以后研究的重點。

5 展望

現在，業內專家和學者認為，智能電網是將來電網的發展方向。智能電網有幾個特點，那就是一次設備高度智能化，二次信息共享網絡化，整個電力系統可靠，經濟，科技。由此可見，變電站在經歷一個傳統變電站→數字化變電站→智能變電站的轉變。目前的數字化變電站只是將來智能變電站的一個過渡，而將來的智能變電站的通信技術應該是基于先進傳感技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、控制技術的發展而發展的一種新型“網控”技術。目前來看，傳感器技術是難點和重點。傳感器技術提高后，無需現在的智能終端與合并單元就能實現一次設備信號的數字化，使變電站內部通信更快、更準確。智能變電站還需要解決的關鍵技術還有很多，比如怎樣解決大量數據上傳導致的數據風暴問題，如何實現光電傳感器的精準測控與傳輸等，這些問題都與通信技術的發展相關，所以，將來通信技術的研究重點和難點將是光電傳感器通信技術方面，而交換機通信技術現在雖然已經比較普及，但是，在變電站應用的過程中，發現存在的問題還比較多，VLAN的劃分如何更安全、可靠，以及如何提高變電站的信息安全等，這些問題的解決必然要在通信技術提高的基礎上才能得以實現。

［1］潘新民.計算機通信技術［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［2］高翔.數字化變電站應用技術［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［3］錢遠濤，王進宏.現場總線CAN原理與應用技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.