預裝式變電站在線監測系統柜內通信系統分析

蔣珀 陳海昆 戴云霞 李峰 林堅 徐建國

隨著電子、軟件和傳感器技術的快速進步，開關設備在線監測系統的功能和精度得到了很大提高。預裝式變電站中電力開關設備集成度高、結構緊湊，在線監測系統已經發展成一種必不可少的專用配置。由于需要監測和處理的物理參數較多，開關設備在線監測系統本身是一個具有層次結構的復雜系統，其中包括了各種IED單元、傳感器、顯示裝置等，為了使各個部分配合良好，共同完成準確可靠的監測、診斷、顯示和通信功能，在開關設備采用總線方式將不同部分連接起來，是唯一可行的方案，是實現模塊化、集成化、靈活配置的必要條件。本文在分析開關設備內部監測系統一般結構基礎上，分析了開關設備內部監測系統通信總線的特點，常用的通信總線的實現方式和特點，并對各種通信總線的選擇和使用進行比較和分析，可為預裝式變電站開關設備內部監測通信系統的設計提供參考。

【關鍵詞】預裝式變電站 開關設備 在線監測 通信系統

隨著計算機技術、傳感器技術、電子和通信技術的快熟發展，在線監測系統的功能日益強大，實現的監測功能、診斷和測量精度越來越高，逐漸成為變電站系統中不可缺少的重要組成部分。

預裝式變電站是我國電力行業為適應環境保護、資源節約和提高供電系統技術水平而大力推動、并處于快速發展階段的新技術。預裝式高壓（110kV以上）變電站，實現了高壓電氣設備（110kV以上組合電器、變壓器）、中壓電氣設備（10kV或35kV開關設備、變壓器）、低壓電氣設備、變電站建筑結構的工廠化制作、裝配和集成測試?？梢圆粩嗫s短產品研制周期，縮小占地面積，而且可以使各種設備能夠更好的組合，發揮最佳的技術性能。隨著預裝式變電站技術的發展，技術和產品逐漸成熟，預裝式變電站在我國新建的變電站項目中必將占據非常重要的地位，并將逐漸取代現有的基于現場施工搭建構筑物，然后對多供應商設備集成的變電站模式。

預裝式變電站是一個高度集成的復雜的技術系統，實現的功能和常規變電站是完全一致的，主要的功能子系統組成如圖1所示。上述功能單元基本上和常規變電站是對應的，由于需要在工廠預制成型、完成工廠化組裝和集成測試，并最終通過運輸方式送達目的地，所以各個組成部分在具體實現方式和技術性能上存在較大的差異。

針對開關設備在線檢測系統，在預裝式變電站中由于設備間隔非常緊湊，安裝空間和巡檢作業空間都比較狹小，要求在線檢測系統結構緊湊、功能全面，安裝固定和檢修測試時方便。以在線檢測系統作為重要的技術平臺，是實現無人值守變電站和免維護變電站的重要基礎。本文主要研究并設計一種用于預裝式變電站內10kV開關設備在線檢測系統，主要從功能結構設計、接口設計、軟硬件系統設計等方面研究開關設備在線檢測系統的實現方法、特點和關鍵技術環節的實現。

1 開關設備在線監測系統的功能結構組成

10kV開關設備是110kV和220kV變電站系統中非常關鍵的設備之一，數量眾多。主要實現10kV配電回路的控制，根據功能不同分為進線柜、PT柜、饋線柜、避雷器柜、母聯柜、變壓器柜、電容柜等多種不同的功能單元。其中內部包含有斷路器單元、接地/隔離裝置、電纜或母線進出線系統等部分。本文主要討論配置有斷路器單元的小型化固定安裝式開關設備的在線監測方案，該方案具有典型性和復雜性，經過適當的組合變換即可以實現其他類型的開關設備的在線監測。

在綜合分析國內外典型的開關設備在線監測系統方案的基礎上，結合預裝式變電站小型化開關設備的特點，本文提出了如圖2所示的層次化、模塊化的開關設備監測系統的功能模型。

在圖2所示模型中，在線監測系統包括主IED單元和若干個子IED單元，主IED單元完成開關設備狀態參數的存儲、顯示和對外的集中通信功能。子IED單元分別實現一個或若干個參數的測量、分析、診斷功能。主IED單元和子IED單元之間通過通信總線連接，用于上傳測量參數和診斷分析結果，同時子IED單元通過內部通信總線可以接收由主IED單元下發的配置參數或控制指令（包括診斷設置參數、地址、報警設置信息等）。

根據功能類別不同，可以將子IED單元分為和斷路器有關的IED單元和與開關柜進出線系統有關的IED單元。上述IED單元在設計過程中一般應是模塊化的，可獨立工作，不依賴于其他的子IED單元即可實現期望的診斷和監視功能。在開關設備的在線監測各個IED單元的功能作用和目前階段可達到的典型的技術性能指標列表如表1所示。

在如圖2所示的柜內在線監測系統功能模型的實現過程中，總線系統的設計、電源系統設計、接地和屏蔽系統等的處理是非常關鍵的問題，也是降低系統耦合性、復雜性，實現靈活性配置和可靠性的關鍵。開關設備內部處于不同位置的IED單元或實現不同功能的IED單元在電磁環境、溫度、振動特性等方面存在非常大的差異，有的和一次回路之間存在直接或間接的耦合關系（例如觸頭和母線測溫系統等），甚至直接把傳感器固定在高壓側，有的和操作結構有密切關系（例如機械特性監測系統），某些傳感器系統直接和機構一起快速運動。所以在設計連接各個IED單元的總線時應當考慮不同IED單元的工作環境、連接的可靠性。

2 ISO/OSI通信模型

在設計和分析開關設備內部通信系統時，必須熟悉ISO/OSI所規定的標準通信模型（圖3），該模型是設計和分析現場總線的基礎，所有的現場總線系統都是在標準通信模型基礎上簡化或直接應用標準模型設計而成的，所有協議都和ISO/OSI標準通信模型存在一定的對應關系，主要是將ISO/OSI標準模型中某些層去掉、合并而得到簡化的通信模型。例如PROFIBUS-DP總線，是將ISO/OSI標準模型的第3~7層去掉后得到的，CAN總線只定義了物理層和數據鏈層，也相當于去掉了第3~7層。ISO/OSI標準通信模型所規定的7層結構如圖3所示，形成自底向上的結構。如果在總線規范中完整定義了如圖3所示的7層結構，則在發送數據時，數據從用戶層開始，逐級向下傳遞并打包（添加報文頭、報文尾、校驗信息等），最終通過物理層（物理介質，如光纖、雙絞線、同軸纜、無線連接等）傳輸出去。在接收數據時，則經歷了相反的過程，從遠端傳輸的被封裝好的數據從物理層被接收到，然后逐級上傳，并逐步去掉報文頭、報文尾信息，最終在用戶層還原出沒有任何通信附加信息的用戶數據。在實際的現場通信過程中，數據可以被理解成是“透明”傳輸的，在層次模型的對應層次上，所發送的數據和被接收的數據是嚴格對應的，雖然為了傳輸數據信息需要經過報文封裝、電平變換、光電變換等復雜過程，但是在總線系統工作正常的條件下，用戶層開發并不需要特別關心具體的實現方式，不需要關心報文所經歷的有可能是非常復雜的傳輸過程。

在理解ISO/OSI模型時應當注意，ISO/OSI標準通信模型只是一個框架，并沒有規定具體的協議實現方式，也沒有規定具體應當采用何種通信介質，傳輸什么樣的電平以表示數據和控制信息，其實質就是一種規定協議應當被如何定義的基本框架，不能和實際的總線模型和總線定義相混淆。

3 開關設備內部常見的通信總線方案

雖然在開發用戶層應用時對通信所經歷的復雜過程不必深究，但是在設計通信網絡時，定制配套的軟件和硬件系統時確應當非常關注總線的選擇和實現方式。不同的總線之間具有非常大的差異，可適用的環境、通信性能（帶寬、通信距離）、抗干擾性能具有非常大的差異。在開關設備內部，通信距離不是關鍵性問題，最長不會超出20~30米；限制通信總線選擇的主要因素包括電磁干擾、結構空間、實時性、成本和安裝調試的便利性。目前階段，國內在開關設備在線監測系統中常見的通信總線主要有基于自定義協議或MODBUS協議的RS485/RS422總線，CAN總線，LANWORKS總線等。

3.1 CAN總線通信系統

CAN總線通信網絡具有連接簡單，抗干擾能力較強的特點。數據吞吐率一般由于柜內各個IED單元和主單元之間的通信數據量不大，所以應用較為普遍。

CAN總線是德國Bosch（博世）公司為測量控制部件之間的數據交換定義的一種串行數據通信總線，CAN已成為國際標準ISO11898和ISO11519。CAN通信系統是一種典型的多主/對等網絡，網絡上任一節點均可主動發送報文。用通信數據編碼取代了常見的站地址編碼，可實現點對點、多點播送（傳送）、廣播等數據傳送方式。所有數據均采用短幀結構，傳輸時間短，提高了抗干擾性。

CAN總線以顯式和隱式電平表示數據，信號采用差分方式傳輸，具有成熟可靠的沖突檢測和處理機制，檢錯效果極好，處理功能強。綜合采用了位錯誤和位填充錯誤檢測、CRC校驗、報文格式檢查和應答錯誤檢測及相應的錯誤處理策略。

CAN總線通信介質（媒體）可為雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN總線實現方式較為簡單，支持實現CAN總線通信的芯片較多，某些計算處理芯片內部直接集成有CAN總線通信接口，所以在開關設備的在線監測系統中應用較多。

3.2 工業以太網通信系統

工業以太網采用TCP/IP協議和雙絞線或光纖組成通信網絡。工業以太網在工業過程中具有非常廣泛的應用。在工業以太網中，使用IP地址區分不同的IED單元，一般需要設置集線單元或交換模塊實現多個IED裝置的通信。工業以太網的通信系統比一般的系統較為復雜，但是通信帶寬大，實時性好，為了適應柜內復雜的電磁環境，一般應采用屏蔽網線實現設備的互連。

當采用光纖通信時，系統的物理連接一般采用多模光纖（以單纖網絡較為常見，也有極少數系統采用雙纖雙工通信方式）。光纖網絡通信速度極快，是所有網絡型式中抗干擾性能最好、實時性最高的連接方式。光纖以太網的實施成本較高，需要配置光纖耦合器和光電轉換器等模塊，實現方案也是所有通信方案中是最復雜的。

鑒于開關設備內部通信數據量較少，對IED單元的結構空間要求比較嚴格，所以工業以太網在間隔內通信使用不太普遍。在間隔單元間通信組網時，工業以太網則是目前最為常見的通信方式之一。

3.3 通用串行總線通信系統

基于RS485/RS422通用串行總線的通信系統連接方式簡單，采用差分方式傳輸信號，可以實現半雙工（RS485）和全雙工（RS422）方式通信。具有實現簡便，抗干擾能力強的特點。在開關設備內部，由于電磁環境惡劣，通信的波特率一般不宜設置過高（常見設置在115200bps以下）。

通用串行總線只定義了物理層的連接，是一種非?；A的通信總線系統，使用非常靈活；在物理層基礎上，可以使用標準的MODBUS通信協議，也可以采用任何用戶定義的協議傳輸數據。支持的通用串行總線接口的傳感器單元、IED單元非常多，便于集成，所以是間隔層內通信所用的主要通信總線方式之一。

3.4 PROFIBUS通信總線系統

PROFIBUS系列通信總線符合德國國家標準DIN19265和歐洲標準EN50170的現場總線標準，是西門子等公司為主推出的一種國際流行的現場總線協議。PROFIBUS通信總線中定義了功能模塊的概念，針對各種不同的應用需要使用不同的功能模塊。PROFIBUS通信規范對模塊的硬件和軟件的性能有明確定義，要求所有設備均滿足PROFIBUS功能模塊的一致性，為保證接口的一致性，在德國建立了FZI信息研究中心，專門對用戶產品的PROFIBUS接口進行一致性檢測和實驗性檢測。

在電力系統中，PROFIBUS DP通信協議應用最為常見。PROFIBUS DP協議的實現方式在物理層采用了和RS485類似的雙線差分信號傳輸方式，在數據鏈路層等方面具有特殊的規定，不能和RS485網絡實現兼容通信。支持PROFIBUS DP總線的IED裝置在國外廠商提供的系統中較為常見；在國內，基于PROFIBUS內部總線的在線監測系統非常少見，主要是兼容性較差、設計和調試都比較復雜，需要專用的接口單元完成測試。

3.5 LANWORKS總線通信系統

LANWORKS總線通信系統采用了ISO/OSI模型的完整的七層通信模型，數據傳輸過程采用了面向對象機制，把系統中復雜的數據交換簡化為參數設置，通信速率最高可達1.5Mb/s，最遠通信距離700m(通信速率為78kb/s時，采用雙絞線通信)；除了常見的雙絞線通信連接外，LANWORKS通信系統物理層可以是同軸電纜、光纖等多種通信介質。

LANWORKS通信系統的實現需要專用芯片的支持實現數據鏈路層、網絡層等功能。LANWORKS通信芯片中集成了3個8位運算處理單元，分別為介質訪問控制器、網絡處理器和應用處理器，分別實現：

（1）稱為介質訪問控制器，實現介質訪問控制與處理，即開放互連模型中第1和第2層的功能。

（2）網絡處理器實現了ISO/OSI模型的第3~6層的功能，完成的通信任務包括網絡變量的尋址、處理，路徑管理、通道計時、網絡交互管理，實現通信控制和數據包的收發功能。

（3）應用處理器實現了和用戶服務有關的代碼。集成了存儲信息緩沖區，可以和用戶系統的CPU單元之間交換數據和信息，可作為網絡緩沖區、用戶應用緩沖單元。

LANWORKS通信系統以Lon Talk協議為基礎，該協議在用戶層上提供了五種基本的服務功能，即：確認(ACK)、非確認(NAK)、請求/響應(REQ/RESP)、重復(REPT))、非確認重復(NAK REPT)。并以上述五種服務接口為基礎實現設備間的數據通信。LANWORKS通信系統實現較為復雜，但是有相關的芯片支持，集成度較高，在電力系統間隔層通信中具有良好的應用前景。

3.6 復合的總線通信系統

在開關設備間隔內通信的總線系統有時候會采用一種復合的通信結構，系統中同時連接了不同的總線設備接口單元。該方案下，主IED單元具有支持多種通信總線的接口。這種通信方式一般情況下是不值得推薦的，導致上述狀態的原因主要是系統中需要集成某些技術復雜的具有特殊總線接口的裝置。

4 監測系統通信系統方案的設計

在完成開關設備在線監測系統間隔層內通信系統設計的過程中，應當注意保持通信系統接口的統一性和接口的標準性（主要包括通信協議的標準性和物理接口的標準性）。選擇適當的通信總線協議實現IED單元間的通信是必須認真分析和解決的主要問題。例如，使用工業以太網連接，不便于實現單總線的連接方式，一般需要配置網絡交換單元，會導致結構復雜，除非有特殊需要（例如在間隔層內必須要支持IEC61850通信），一般不建議使用。比較而言，通用串行總線通信系統、CAN總線通信系統的實現較為靈活、成本低、接口單元結構尺寸小，在更多的時候應作為優先考慮的方案。PROFIBUS的通信總線、LANWORKS通信的實現和調試相對要復雜一些，應慎重選擇。復合的總線通信系統會導致系統測試和調試復雜，限制設備單元的互換性，也應盡量避免。

除了完成基礎通信總線的選擇和通信參數的配置，在柜內總線通信設計的過程中還應當特別注意處理如下與總線有關的技術問題：

4.1 總線路徑的設計和規劃

由于IED單元分布在開關設備內部的各個角落，如何設計合理的總線路徑把各個單元接入通信系統中是非常關鍵的問題。避免在柜內反復穿越，延長通信路徑。同時要選用合適的通信結構，例如針對通用串行總線構成的網絡，應當盡量避免出現星型網絡結構，環路或多分支結構。

4.2 總線的屏蔽和接地處理

除了光纖和無線通信網絡外，所有電網絡通信系統應當考慮采用雙絞線傳輸差分信號，相互差分的線使用同一對雙絞線。一般應考慮采用屏蔽層，防止外部干擾；屏蔽層應連續并在一端可靠接地，不能兩端同時接地避免形成環路。電磁環境惡劣的場所可以考慮雙層屏蔽，并在兩段各接地一個屏蔽層。

4.3 總線的阻抗測試和匹配

基于電纜的通信網絡對阻抗匹配較為敏感，失配嚴重的由于存在較強的信號反射所以系統誤碼率和通信距離會顯著下降，所以應當仔細測量通信系統的阻抗并配置匹配電阻。

4.4 內部通信單元的供電網絡設計

內部通信單元一般是數字處理單元，需要的工作電壓低；一般應在柜內設置統一的直流供電單元，為各IED單元提供工作電源，電源的輸送通道也應避免引入干擾，降低供電回路阻抗，以避免出現較大的電壓差。

5 結束語

本文主要分析了開關設備內部通信總線的實現方式，總結了設計和使用柜內總線的一般原則和方法。實際設計和調試柜內的通信總線系統有一定的規律和原則可以遵守，同時也對經驗和技巧有一定要求。只有對所使用的通信總線從硬件實現、軟件實現、信號定義等有充分的認識的基礎上才能將總線系統調整到最佳或接近最佳的狀態。通信總線系統的故障是導致電力控制、測量、診斷和監視系統功能失常的主要原因之一，應予以充分重視。

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