變電站自動化系統通信結構及規約的研究

張家福

摘要：變電站是電網的重要監控點，是輸配電系統的關鍵環節。近年來，電力系統積極引進多種現代化科學技術，變電站逐漸實現了綜合自動化。由于變電站自動化系統中各種運行數據多分散在不同間隔單元中，只有通過實時、可靠、有效的通信手段，才能實現信息交換和資源共享。變電站自動化系統通信結構和規約設定有助于全面提高變電站自動化系統的經濟性和安全性。本文分析了變電站自動化系統通信結構，闡述了變電站自動化系統通信規約。

關鍵詞：變電站 自動化系統 通信結構 規約

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0027-01

變電站自動化系統是一個分布式的結構系統，為了確保系統的安全、穩定運行和信息交換的可靠性、實時性，關鍵在于正確處理變電站自動化系統各個層次件的通信問題，因此應充分認識到變電站自動化系統通信結構和規約的重要性，進一步優化通信網路和現場總線設置，推動變電站自動化系統的快速發展。

1 變電站自動化系統通信結構

1.1 RS-485/422接口

變電站自動化系統通過RS-485/422接口來連接各個網絡節點，其具有易于實現、成本低、通信設備簡單等優點，但是RS-485/422接口可連接的節點數目一般不能超過32個[1]。RS-485/422接口屬于一種物理接口，接口標準統一，但是由于通信規約不同，沒有統一的標準，因此變電站自動化系統中各電力設備信息之間難以實現準確、可靠和高速的交換，通信控制復雜。同時，RS-485/422接口為變電站自動化系統提供查詢通信方式，這種通信方式不能正常處理任意兩個節點之間的通信要求。

1.2 CAN總線

CAN總線是變電站自動化系統通信模塊的重要組成部分，其形成了全分布式多機系統，沒有主機和從機之分，變電站自動化系統網絡中任意一個節點可以在任何時間和其它節點進行信息交換，通訊方式非常靈活。并且CAN總線可通過全局廣播、一點對多點或者點對點等方式接收和傳送數據，其支持超載幀、出錯幀、遠程幀、數據幀這四類報文幀[2]，這種短幀結構，重發時間短、受干擾頻率低、傳輸時間短。同時，CAN總線網絡中的各個節點劃分為不同優先級，采用保護性總線優先級仲裁技術，當兩個節點同時向變電站自動化系統網絡發送信息時，優先級高的節點先發送數據，有效避免CAN總線信息交換沖突。另外，CAN總線通信速率高達1Mb/s，最遠通訊距離達10km，通訊介質可采用光導纖維、同軸電纜或者雙絞線。

1.3 Lon Works

Lon Works是一種應用非常廣泛的分布式監控網絡，其包括三個CPU神經元芯片，通過顯式報文和隱式報文進行數據傳輸，極大地縮短了變電站自動化系統網絡開發時間。Lon Works不受網絡通信介質的限制，可采用紅外線、無線、電力線、光纖、雙絞線等，并且可在變電站自動化系統網絡中混合使用。Lon Works具有良好的互操作性和開放性，Lon Talk通訊協議符合開放系統OSI互連模型要求，實現了服務器/客戶結構。并且Lon Works的三個CPU分別為應用處理器、網絡處理器和介質訪問控制器，其固化了OSI/ISO協議和常見的34種I/O控制對象。同時，Lon Works具有較高的通信可靠性，Lon Works網絡通信協議設計了變量捆綁和網絡變量，有效簡化了網絡通信設計，每幀有效字節0～228，這種網絡通信協議采用P-CSMA，當負載較多時，實現最小化的沖突概率，當負載較少時，實現最小化訪問延時。

1.4 以太網

變電站自動化系統以太網采用光纖、雙絞線、同軸電纜等通信介質，采用星型或者總線型的網絡拓撲結構，基于結構化布線技術和星型拓結構，可有效提高以太網的可靠性。即使變電站自動化系統網絡節點發生故障，受到集線器隔離影響，不會發生擴散，實現了變電站自動化系統各個智能單元之間的相對獨立性。以太網在變電站自動化系統中的應用，帶寬高達10Mbps～100Mbps，可支持同一個沖突域中的1024個節點。

2 變電站自動化系統通信規約

當前，變電站自動化系統主要采用IEC60870-5-104規約，其基于IEC60870-5系列標準，建立在TCP/IP和以太網上，采用FTI.2幀格式，明確定義了用戶進程、應用層、鏈路層和物理層。

IEC60870-5-104規約采用的參考模式主要基于ISO-OSI開放式系統參考模型，其采用其中的5層[3]，結構表如表1所示。

IEC60870-5-104規約結合了TCP/IP和IEC60870-5-101的網絡傳輸功能，可在TCP/IP的各種網絡中使用IEC60870-5-104規約，包括綜合數據網、異步轉移模式、幀中繼等，并且IEC60870-5-104規約具有支持網絡傳輸、便于擴充信息量、數據流量大、可靠性高、實時性好等優點，不僅可應用在變電站端和電力調度中，還適用于變電站自動化系統的通信網。

3 結語

近年來，計算機網絡技術和通信技術的快速發展，變電站自動化系統通信結構和規約不斷發生變化，變電站自動化系統通信結構和規約的相關研究對于變電站自動化系統發展有著重要影響，在未來發展過程中，應進一步加大研究力度。

參考文獻

[1]李蘭欣.基于IEC61850的變電站自動化系統通信體系的研究[D].中國電力科學研究院，2012.

[2]葉雷.變電站自動化系統通信結構及規約的研究[D].華北電力大學（北京），2011.

[3]萬博.基于IEC61850的變電站自動化系統體系結構的研究[D].哈爾濱工程大學，2012.