短距離工業無線在變電站中的部署與應用模式研究

許繼昌南通信設備有限公司　翟文博華北電力大學　許 楠許繼昌南通信設備有限公司　馬躍軍許繼電氣股份有限公司　馮帥軍　王首萌

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短距離工業無線在變電站中的部署與應用模式研究

許繼昌南通信設備有限公司翟文博
華北電力大學許 楠
許繼昌南通信設備有限公司馬躍軍
許繼電氣股份有限公司馮帥軍王首萌

針對變電站環境中現有的光纖網絡、工業以太網、現場總線等通信手段尚不完善，而短距離工業無線技術可實現靈活接入這一現狀，研究提出了短距離工業無線網絡在變電站監測類應用、分布式控制與監測系統、移動巡檢與定位三種場景下的部署與應用模式，為短距離工業無線技術在變電站環境中的應用奠定了基礎。

短距離工業無線；變電站；部署；應用模式

1.引言

近年來，隨著智能電網的建設與發展，面向變電站環境的短距離工業無線技術受到了廣泛的關注，已成為電力通信領域研究的熱點之一。短距離工業無線在變電站中的典型應用場景包括變電站環境監測、變電站一次設備狀態監測、變電站二次設備狀態監測、故障監測和預警、智能巡檢、無人值守變電站安全監測、靜態圖片數據傳輸、視頻數據傳輸等。作為智能電網泛在互聯的通信手段之一，短距離工業無線技術可以實現電網末梢“最后幾百米”的接入，在變電站環境下具有巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。

2.短距離工業無線的國內外現狀

一般來說，工業生產現場無線信道環境復雜，存在金屬屏蔽、多徑干擾、電磁干擾等問題，且對數據傳輸的可靠性、實時性、低功耗等具有更高要求，短距離無線通信技術需要具備強電磁耐受、抗高壓場強、低時延、魯棒自愈、冗余備份等工業級設計，才能夠進一步滿足應用需求?，F階段短距離工業無線技術尚未在工業現場得到大規模應用，但國內外均已投入并開展了相關的研發工作。

2.1國外現狀

2004年，由美國能源部發起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司參與成立了無線工業控制網絡聯盟（WINA），該聯盟專門討論無線技術在工業控制領域應用的技術難題。同年，美國工業技術計劃在“傳感器和自動化”方向上設立了4個重點項目，歐盟也集中25個組織啟動了RUNES計劃，制定了未來10年內無線技術在工業控制和自動化方面發展應用的開發路線圖。

針對工廠自動化無線網絡的廣闊應用前景，國際儀器儀表協會（ISA）成立了專門的工作組著手制定高速、高實時工業無線網絡標準。歐洲電信標準化協會（ETSI）成立了無線工廠工作組（WIFA）開展相關的研究工作。歐盟也成立了flexWARE項目旨在建立無線實時通信平臺，實現實時環境下的無線自動化。同時很多廠商也加大了這方面的投入，如西門子提出了基于SCALANCE W的工業無線解決方案，ABB公司推出了面向工廠自動化的WISA系統并初步應用于車間級工廠自動化中。

2004年，HART通信基金會宣布開始制定無線HART協議［1］，作為HART現場通信協議第七版HART7.0的核心部分，已于2007年6月正式通過。2004年12月，美國儀表系統和自動化學會成立了工業無線標準SP100委員會。2006年7月，現場總線基金會也宣布成立無線工作組，著手制定基于無線通信的基金會現場總線標準。

2.2國內現狀

2007年，由中科院沈陽自動化研究所牽頭，聯合機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所、浙江大學、北京科技大學、重慶郵電大學等十余家單位成立了中國無線工業聯盟，著手制定WIA-PA標準［2］。WIA-PA標準基于IEEE 802.15.4，已于2008年10月31日經過國際電工標準委員會（IEC）全體成員國的投票通過，作為公共可用規范IEC/PAS 62601標準化文件正式發布。目前，WIA-PA已成為國家標準“GB/T 26790.1-2011工業無線WIA規范”。

2014，由中科院沈陽自動化研究所牽頭研究制定的工廠自動化工業無線網絡技術規范（WIA-FA）［3］，經IEC/TC65全票通過，作為IEC可公開提供的技術規范發布，成為國際上第一個面向工廠高速自動控制應用的無線技術規范。

3.變電站自動化系統功能邏輯

變電站通信網絡是支撐變電站自動化系統的重要基礎，對于實現變電站設備及饋線的監視、控制和保護具有重要的作用。此外，變電站通信網絡還需要實現變電站自動化系統的維護功能，如系統配置、通信管理或軟件管理等。根據文獻［4］，傳統的變電站自動化系統的功能邏輯可分為三個不同的層，包括站控層、間隔層、過程層。這些功能層和邏輯接口1-10的邏輯關系如圖1所示。

圖1　變電站自動化系統功能層和邏輯接口示意圖

站控層功能分為過程有關站層功能和接口有關站層功能。過程有關站層功能是使用一個以上間隔層數據或者整個變電站的數據，控制一個以上間隔層的一次設備或整個變電站，例如站級連鎖、自動順序控制、母線保護。接口有關站層功能表示變電站自動化系統與就地變電站運行人員人機接口、與遠方控制中心接口（遠動接口）或與遠方監視和維護工程師辦公接口（遠方監視接口）等功能。

間隔層使用間隔層數據，作用于間隔層內的一次設備。間隔層功能的定義考慮了變電站一次結構中的某些廣義的子結構和有關這種子結構的二次系統（變電站自動化）某些就地功能，即自治功能。一些功能如線路保護、間隔控制，在間隔層內經邏輯接口3通信，經邏輯接口4和5與過程層，即與遠方I/O、智能傳感器和控制器通信。

過程層功能指與過程接口的全部功能，基本狀態量和模擬量輸入輸出功能，如數據采集（包括采樣）、發出控制命令等。

4.短距離工業無線在變電站中的部署與應用

從第3節的分析中可知，變電站自動化系統為典型的“三層兩網”結構。三層即為站控層、間隔層、過程層；兩網分別是：過程層與間隔層之間的網絡、間隔層與站控層之間的網絡。變電站短距離無線通信網絡的主要應用包括設備狀態和運行環境監測、接地網在線監測、GIS局放監測等監測類應用，分布式控制與監測系統，移動巡檢與定位等三類。本節基于我國自主的WIA-PA和WIA-FA標準，分別針對上述三類應用，探討短距離工業無線網絡在變電站中的典型部署與應用模式。

4.1監測類應用

過程層與間隔層之間的網絡主要面向監測類應用，主要具有以下特征：

（1）報文以上行報文（從過程層至間隔層的報文）為主，主要包括低速報文、原始數據報文、文件報文以及時間同步報文等4種報文類型，對實時性要求均較低，對速率要求約幾十kbps；

（2）網絡數據流向為自下往上，上級節點匯聚來自多個節點的采集數據，需具有較強的數據處理能力；

（3）網絡終端節點通常為傳感節點。在變電站環境中取電困難且大部分傳感節點未采用自取電技術，能耗是影響節點壽命的關鍵因素之一，因此，短距離工業無線網絡需采用節能機制；

（4）網絡通常需要包含中繼節點。因傳感節點通常位于待監測設備內部或者附近，某些情況下與數據匯聚節點間的距離較遠，單跳可能無法滿足通信質量；

（5）變電站環境需要監測的狀態量較多，每種狀態量的數據量及監測頻率不同，監測網絡需能夠滿足上述差異化的需求。

綜上所述，過程層與間隔層間的網絡特性與無線傳感網絡類似，是典型的Mesh網絡，需要考慮多跳、節能及自組網等問題。本小節提出設備、環境監測類應用系統主要由監測設備和通信網關構成，在某些特殊的情況下，通信網關可將監測到的數據上傳至基站，進而傳至服務器；或者服務器、基站通過通信網關向監測設備發送信息。過程層中各種無線監測終端安裝在設備運行現場，主要對各種設備的狀態和運行環境進行監測，具體監測內容如表1所示。采集的監測數據可以通過WIA-PA網絡傳送給間隔層的無線通信網關，無線通信網關與站控層的通信基站主要通過WIA-FA網絡的方式進行通信。通信基站可內嵌IEC61850協議轉換模塊，支持以IEC61850協議規范與站內監測主機通信。

表1　變電站設備狀態與運行環境監測主要內容

變電站現場根據實際應用的要求，需布置多個無線通信網關，每個無線通信網關都集成WIA-PA和WIA-FA兩種通信模塊，下行與各種無線監測終端通信，組成多個獨立的WIA-PA無線通信網絡，上行與通信基站實現WIA-FA無線通信。

4.2分布式控制與監測系統

間隔層網絡主要面向分布式控制與監測系統應用，如繼電保護裝置、測控裝置、故障錄波等。變電站的分布式控制與監測系統用于保證變電站的穩定運行，故障發生時及時進行保護與控制，最大程度縮小變電站內的故障區域，控制故障影響在單間隔內，減少裝置受損程度，保證變電站運行不受較大影響。

目前，智能變電站內的分布式控制與監測的通信網絡為以太網、光纖等構建的有線環形網絡為主，而且大部分采用一主一備兩個環形網絡的冗余結構。采用有線的通信方式構建變電站內的分布式控制與監測系統施工量大、成本高，而且在變電站故障維護與設備更新上工作量與工作難度都較大。根據DL/T 860標準的要求，變電站內分布式控制與監測系統的傳輸時間要求根據性能類分級而有所不同，其保護與控制中的中速報文的傳輸時間要求為≥100ms，一些保護與控制的報文通信時間要求達到500ms甚至1000ms。短距離工業無線網絡應用于智能變電站的分布式控制與監測系統的方式為：無線通信節點與監測控制端智能電子設備（IED）實現集成，構成基于無線的智能電子設備，即無線式IED。前端監測控制端IED與前端電流互感器（CT）等監測裝置連接，接收CT等監測裝置上傳的數據信息，當前端IED接收到前端CT監測到的過電流等故障信息后通過短距離無線方式與間隔內的通信網關或無線接入點（AP）通信，通信網關或無線AP向該間隔后端監測控制端IED發送保護信息，后端IED接到信息后及時執行相應控制保護操作，斷開后端線路斷路器，保護后端線路及變壓器等一次設備不受故障沖擊。同時，通信網關、無線AP可將間隔內故障信息上傳至控制室內的監測服務器進行分析處理。

4.3移動巡檢與定位

智能移動巡檢是及時發現變電站電力設備隱患，高效進行檢修且避免出現漏檢和錯檢的有效方式。在智能移動巡檢通信網絡中，巡檢人員和設備的定位、巡檢數據的快速高效獲取是亟需解決的兩個重要問題。

變電站移動巡檢與定位系統結構如圖2所示，主要由變電站在線監測設備、手持移動終端（或可穿戴設備）、巡檢機器人、定位基站、站內通信基站組成。

圖2　變電站移動巡檢與定位系統結構

在巡檢定位應用中，手持移動終端（或可穿戴設備、巡檢機器人）內嵌定位模組作為定位標簽，變電站現場部署的WIA網關、儀表都可以作為定位基站。一般情況下，通過獲得WIA網絡的信號強度使用指紋定位，即可滿足通常的定位精度要求；在高精度場合，可以實現1m精度的精確定位；當巡檢設備在不同區域漫游時，通過融合定位技術可以保證定位軌跡的連續性。為了滿足覆蓋要求，可根據現場情況適當增加定位基站，以提高定位精度。定位巡檢設備除了可以實現變電站范圍內的精確定位之外，還可以同時記錄行進軌跡，并將定位信息通過觸摸屏實時顯示。此外，還可完成邊界預警和資產管理等功能。

4.4部署及應用建議

綜上所述，從業務量角度來說，過程層主要傳輸基本狀態量、模擬量信息、控制命令信息等，總體來說數據量相對較小，對時延的要求也相對較小。此外，該網絡面向設備或環境監測類應用，有可能通過多跳和中心節點（間隔層）連接，網絡屬性類似于無線傳感網絡，可采用低速工業無線通信網絡技術，如基于WIA-PA的低速高可靠工業無線技術等。

間隔層不僅要收集過程層的數據，其自身也會產生一些數據，總體來說數據量較大，對時延的要求也較高。不同間隔層網元單元之間可實現相互通信，間隔層和站控層之間也可以實現相互通信。該網絡屬性和無線局域網非常類似，故可采用高速無線局域網技術，如基于WIA-FA的高速高可靠工業無線技術等。

總結應用場景、需求與技術的對應關系，提出短距離工業無線在變電站中的部署與應用模式如表2所示。

表2　　短距離工業無線在變電站中的部署與應用模式

5.結束語

在大力推動智能電網建設與發展的背景下，短距離工業無線技術在電網中的應用得到了廣泛關注。變電站作為電網的核心環節，存在很多適用短距離工業無線的應用場景。本文主要對短距離工業無線在變電站中的部署與應用模式展開研究，為短距離無線通信在變電站環境中的應用奠定了基礎。短距離工業無線作為智能電網通信技術的一個重要方向，預期將得到進一步快速的發展。

［1］彭瑜.無線HART協議——一種真正意義上的工業無線短程網協議的概述和比較［J］.儀器儀表標準化與計量，2007，31-37.

［2］IEC 62601，Industrial communication network-Fieldbus specifications WIAPA communication network and communication profile［S］.Geneva IEC，2008.

［3］張曉玲，梁煒.第四十七講:WIA-FA工廠自動化無線網絡［J］.儀器儀表標準化與計量，2014，17-21+33.

［4］DL/T 860.5-2006.變電站通信網絡和系統:第5部分功能的通信要求和裝置模型.

國家電網公司科技項目“電力復雜電磁環境下高可靠短距離無線通信關鍵技術研究”資助。