申 林
摘 要：本文結(jié)合三門峽地區(qū)綜合自動(dòng)化變電站現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)際應(yīng)用情況，討論了各種現(xiàn)場(chǎng)總線的原理、性能以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)各種總線進(jìn)行了多方面的比較。并且根據(jù)綜自站現(xiàn)場(chǎng)總線原理及現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，提出了查找各類網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)的方法。對(duì)綜自站網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，提出了個(gè)人觀點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：綜自站 現(xiàn)場(chǎng)總線
1 引言
以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字測(cè)量控制系統(tǒng)是21世紀(jì)變電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主流。微機(jī)化分散式變電所自動(dòng)化系統(tǒng)所具有的自動(dòng)化程度高、組態(tài)靈活、運(yùn)行可靠、占地少、投資省、設(shè)計(jì)維護(hù)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)已成為業(yè)內(nèi)的共識(shí)。正是由于傳輸高效、通訊可靠、接口靈活的現(xiàn)場(chǎng)總線為
信息繁雜、組態(tài)靈活、運(yùn)行高速的分散式變電所自動(dòng)化系統(tǒng)提供了通訊上的保證。同時(shí)，選擇不同的通訊方式、選擇不同的現(xiàn)場(chǎng)總線也相應(yīng)決定了整個(gè)變電所
自動(dòng)化系統(tǒng)的不同特點(diǎn)。
在我局綜自站現(xiàn)場(chǎng)總線中，主要有3種類型：1、許繼的Lonworks總線；2、南瑞繼保公司測(cè)控網(wǎng)采用的WorldFip總線；3、以太網(wǎng)。
2 總線類型比較
國(guó)內(nèi)不同的
自動(dòng)化廠家出于不同的設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)，總線的選用也不一致，雖然這些總線均以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)的模型為考慮基礎(chǔ)，支持多種通信介質(zhì)，但由于總線類型、具體協(xié)議各不相同，總線的選擇也無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
2.1 Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線
2.1.1 Longworks技術(shù)特點(diǎn)
Lonworks技術(shù)的基本部件是同時(shí)具有通訊與控制功能的Neuron芯片。芯片內(nèi)部有三個(gè)中央處理器和RAM、ROM、EEPROM、計(jì)數(shù)器以及操作系統(tǒng)。
以許繼電氣CSL160B線路保護(hù)裝置MMI插件為例，三個(gè)處理單元的神經(jīng)元芯片（Neuron芯片）——一個(gè)用于鏈路層的控制，一個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)層的控制，另一個(gè)用于用戶的應(yīng)用程序，還包含11個(gè)I／O口，這樣在一個(gè)神經(jīng)元芯片上就能完成網(wǎng)絡(luò)控制功能。
Lonwoks所采用的通訊協(xié)議為L(zhǎng)onTalk協(xié)議，Lontalk協(xié)議遵循由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI），該協(xié)議提供了了OSI參考模型所定義的全部七層服務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)通信采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，“在負(fù)載較輕時(shí)使介質(zhì)訪問延遲最小，而在負(fù)載較重時(shí)使沖突的可能性最小�！�
2.1.2 通訊介質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不受通訊介質(zhì)的限制�？墒褂猛ㄓ嵔橘|(zhì)類型較多：雙絞線、光纖、同軸電纜、無(wú)線、紅外等，并且各種通訊介質(zhì)能夠在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。在我局LonWorks綜自站中，通訊介質(zhì)均采用雙絞線。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问蕉鄻�，用戶可選擇任意形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)�？纱罂尚�。
在我局LonWorks綜自站中，通訊介質(zhì)均采用雙絞線，網(wǎng)絡(luò)形式為總線型。
[圖1 Lon網(wǎng)變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖]
2.1.3 LongWorks現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn)
LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線在保證可靠、安全通信的基礎(chǔ)上還具有報(bào)文短�。ū仨殻�、高度分散化、體積小、成本低的特點(diǎn)。此外，LonWorks還具有以下特點(diǎn)：
1、Lon主要用于設(shè)備間相互通訊，而不是用于計(jì)算機(jī)之間通訊、
2、Lon無(wú)需中央處理器、服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)間的相互通訊。
3、lon傳輸速率較低（雙絞線，78 kbps），適宜于數(shù)據(jù)較小的檢測(cè)信息、狀態(tài)信息和控制
信息的傳輸。
4、構(gòu)成簡(jiǎn)單，利用廉價(jià)電纜（雙絞線）傳輸
信息，故成本低。
2.1.4 Lon網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
由于Lon網(wǎng)介質(zhì)訪問采用CSMA/CD技術(shù)，可用萬(wàn)用表交流檔測(cè)量其通斷。正常時(shí)，有300mV左右的交流電壓。
2.2 WorldFip現(xiàn)場(chǎng)總線
[圖2 Lon網(wǎng)雙線測(cè)量示意圖]
2.2.1 WorldFip現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)
WorldFip使用曼徹斯特碼傳輸，是一種令牌網(wǎng)。WorldFip 使用
信息生產(chǎn)者和消費(fèi)者的概念，和通常意義上的輸出量、輸入量略有區(qū)別。每個(gè)生產(chǎn)者或消費(fèi)者變量有一個(gè)IP地址。每個(gè)用戶站可以有例如16個(gè)生產(chǎn)者/消費(fèi)者變量。任何時(shí)候，生產(chǎn)者只能有一個(gè)，而消費(fèi)者可以是1個(gè)或多個(gè)。
WorldFip的設(shè)計(jì)思想是，按一定的時(shí)序，為每個(gè)
信息生產(chǎn)者分配一個(gè)固定的時(shí)段，通過總線仲裁器諸個(gè)呼叫每個(gè)生產(chǎn)者，如果該生產(chǎn)者已經(jīng)上網(wǎng)，應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)答。
2.2.2 通訊介質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
典型的傳輸介質(zhì)是工業(yè)級(jí)屏蔽雙絞線。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，但又不同于一般的總線結(jié)構(gòu)，以220kV高村變?yōu)槔W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖為：
[圖3 總線型WorldFip網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)]
2.2.3 WorldFip總線特點(diǎn)
1、WorldFip將變電站的設(shè)備定義為“模塊”："模塊"是指一組具備一定基本功能(如交流量測(cè)量、開關(guān)量測(cè)量、開關(guān)控制等)、具有統(tǒng)一通訊接口的
智能模塊。因此它們之間的通訊可按其功能、時(shí)效分為幾類標(biāo)準(zhǔn)通訊方式：周期性同步數(shù)據(jù)（如遙測(cè)）；周期性異步數(shù)據(jù)（如開入量）；非周期性
信息報(bào)（如開出量）。
2、網(wǎng)絡(luò)仲裁器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的主宰者。網(wǎng)絡(luò)仲裁器輪番呼叫每一個(gè)生產(chǎn)者變量,整個(gè)網(wǎng)線上總是有信號(hào)的。如果若干時(shí)間間隔內(nèi)(例如幾十毫秒)沒有監(jiān)聽到網(wǎng)上的信號(hào)、則可以診斷為網(wǎng)絡(luò)故障。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)仲裁器。在任意給定時(shí)刻，只有一個(gè)在起作用，其他處于熱備份態(tài)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。
在高村變電站中，當(dāng)?shù)睾笈_(tái)機(jī)為網(wǎng)絡(luò)仲裁器，循環(huán)向各裝置問
信息。
3、傳輸速率為2.5Mb/s。
4、采用專業(yè)工業(yè)用雙絞線，成本較高。
2.2.4 WorldFip網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
由于WorldFip網(wǎng)兩端配備有匹配電阻，在判斷網(wǎng)絡(luò)通斷時(shí)可采用將匹配電阻一級(jí)一級(jí)向上短接的辦法，快速定位故障的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
[圖4 總線型WorldFip網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點(diǎn)判斷示意圖]
2.3 以太網(wǎng)（Ethernet）
2.3.1 Ethernet網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)
以太網(wǎng)（Ethernet）的名稱是由加利福尼亞Xerox公司的PARC研究中心的Bob Metcalfe于1973年5月首次提出的。在Ethernet網(wǎng)絡(luò)中重要的通訊設(shè)備就是“網(wǎng)卡”，網(wǎng)卡上面裝有處理器和存儲(chǔ)器（包括RAM和ROM）。網(wǎng)卡和局域網(wǎng)之間的通信通過雙絞線以串行傳輸方式進(jìn)行的，而網(wǎng)卡和計(jì)算機(jī)之間的通信則是通過計(jì)算機(jī)主板的I/O總線以并行方式進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)通訊采用TCP/IP協(xié)議，每一個(gè)通訊單元均要有唯一的IP地址。
2.3.2 通訊介質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[圖5 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖]
Ethernet網(wǎng)可使用通訊介質(zhì)有：雙絞線、光纖、同軸電纜、無(wú)線、紅外等。在我局高村變、虢都變均采用5類雙絞線（網(wǎng)線）。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為以HUB為通訊核心的星形網(wǎng)絡(luò)。
2.3.3 Ethernet網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)
1、傳輸速度快，可擴(kuò)展性好
以太網(wǎng)的傳輸速度有10Mbp系統(tǒng)、100Mbps系統(tǒng)和1000Mbps系統(tǒng)。我局綜自站以太網(wǎng)為100Mbps系統(tǒng)。而且HUB接口是可以通用的，使得系統(tǒng)連接非常方便，具有良好的靈活性和擴(kuò)展能力。
2、可靠性高，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的通訊。
3、成本低。
4、網(wǎng)絡(luò)管理方便。
由于以太網(wǎng)具有以上優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于變電站
自動(dòng)化系統(tǒng)已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。
2.2.4 Ethernet網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
在Ethernet網(wǎng)中，由于采用網(wǎng)卡和集線器具有監(jiān)視燈，可從監(jiān)視燈的閃滅情況來(lái)判斷通訊是否正常。另一方面可以通過ping設(shè)備的IP地址，若能ping通，則可判定網(wǎng)絡(luò)沒有問題。
3 串行通訊
3.1 串行通訊技術(shù)特點(diǎn)
在我局綜自站中，還大量采用了串行通信方式。特別是在不同廠家設(shè)備之間的規(guī)約轉(zhuǎn)換通訊中，采用的通訊方式均為串行通訊方式。串行通信接口方式有：EIA-RS-232C和EIA-RS-422/485
3.1.1.EIA-RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)
EIA-RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)是早期串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1973年制定的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。接口簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于變電站綜合
自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部的通信，但其主要缺點(diǎn)是易受干擾，故傳輸距離短，速率低，最大傳輸距離為15米。而在距離15米時(shí)，最大傳輸速率為20KHz。
3.1.2. EIA-RS 422/485 接口標(biāo)準(zhǔn)
RS422對(duì)RS323C的電路進(jìn)行改進(jìn)，采用了平衡差分的電氣接口，RS422加強(qiáng)了抗干擾能力，使傳輸速率和距離比RS232有很大的提高。RS422在全雙工通信時(shí)，需要4根傳輸線，不方便，為了減少傳輸線，又保留平衡差分的特點(diǎn)，由RS422標(biāo)準(zhǔn)變形為RS485。RS422用4根傳輸線，工作于全雙工，RS485只有兩根傳輸線，工作于半雙工，它們的傳輸距離可到1200M，傳輸速度100K。
3.2 幾種常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)比
表3-1 幾種常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口的主要性能
|
接口標(biāo)準(zhǔn)性能 |
RS-232C |
RS-422 |
RS-485 |
|
操作方式 |
單端 |
差分 |
差分 |
|
最大電纜距離 |
15m |
1200m |
1200m |
|
最大傳輸
速率（bps） |
12m |
20K（15m） |
10M |
10M |
|
120m |
－ |
1M |
1M |
|
1200m |
－ |
100K |
100K |
* RS422/485的優(yōu)點(diǎn)：
① 接口簡(jiǎn)單，僅需一根信號(hào)電纜，便可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)互聯(lián)。
② 可采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸規(guī)約。
* RS422/485缺點(diǎn)：
① 能連接的通信點(diǎn)數(shù)≤32個(gè)。
② 通信多為查詢方式。
[圖6 串行通訊測(cè)量示意圖]
3.3 串行通訊實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
由于串行通訊傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，靠線纜之間的電平傳輸信號(hào)，可用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)量其通斷。正常時(shí)，有2V～7V左右的電壓信號(hào)跳變。
4 通訊方式比較
通過以上介紹，對(duì)我局綜自站幾種通訊方式作一比較：
表4-1 綜自站通訊方式的比較
|
特性 |
以太網(wǎng) |
Lonworks |
WorldFIP |
485 |
|
數(shù)據(jù)編碼 |
曼徹斯特 |
不歸零 |
曼徹斯特 |
不歸零 |
|
通信方式 |
全雙式/半雙工 |
半雙工 |
半雙工 |
半雙工 |
|
拓?fù)潢P(guān)系 |
網(wǎng)絡(luò)形 |
總線形 |
總線形 |
總線形 |
|
傳輸介質(zhì) |
網(wǎng)纜 |
屏蔽雙絞線 |
屏蔽雙絞線 |
雙絞線 |
|
介質(zhì)訪問 |
CSMA/CD |
CSMA/CD |
令牌 |
主從 |
|
檢錯(cuò)碼 |
CRC |
CRC |
CRC |
無(wú) |
|
體系結(jié)構(gòu) |
OSI全部7層 |
OSI1,2層 |
OSI1，2，7層 |
- |
|
速率 |
10/100Mbps |
78 kbps |
2.5 Mbps |
1.2～9.6 kbps |
5 小結(jié)
任何一種總線，各現(xiàn)場(chǎng)總線都有各自適合的領(lǐng)域，并且各領(lǐng)域又有各自的都有其特點(diǎn)。
從目前的發(fā)展來(lái)看，由于以太網(wǎng)具有的速度優(yōu)勢(shì)是其他總線所無(wú)法比擬的，綜自站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)是以以太網(wǎng)為主，其他多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式為輔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。
參考文獻(xiàn)：
1 吳禮發(fā)、謝希仁.《網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)教程》.北京希望電子出版社.2002
2 劉家軍、王國(guó)思等.《微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)》.中國(guó)水利水電出版社.2001
3 《CSL－160B數(shù)字保護(hù)裝置說明書》許繼電氣公司
4 《RCS－9700說明書》南瑞繼保公司
參考網(wǎng)址：
·周羽生、竺偉、周有慶. 《基于LonWorks技術(shù)的變電站綜合自動(dòng)系統(tǒng)的通信技術(shù)》
作者簡(jiǎn)介：
申林.1975年3月.男.工程師.學(xué)士.河南省三門峽供電公司度通訊中心.從事調(diào)度自動(dòng)化工作
